CN109758155A - 基于自动检测姿态的防摔系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自动检测姿态的防摔系统及方法，利用压缩气体加热膨胀的原理保护人体。本发明能通过加速度计和陀螺仪实时采集人体姿态数据，这些数据经过处理器处理后，用以精准预测佩戴者是否要摔倒，当判定佩戴者即将摔倒时，通过加热装置快速加热压缩气体，同时打开电子阀门，快速给气囊充气，以保护配戴者。

Description

基于自动检测姿态的防摔系统及方法

技术领域

本发明涉及人身安全把控技术领域，具体的说，涉及一种基于自动检测姿态的防摔系统及方法。

背景技术

人身安全与每个人都有切身关系，因而一直是十分受重视的领域。在很多场景下，人体容易失衡，紧接着就会发生摔倒，从而发生受伤，尤其像户外运动、游戏体验等场景，难免会出现意外，此时就需要人员配戴安全设备。

现有的安全设备通常为内部装填泡沫护垫等物理防护的护膝、护肘、头盔，只能起到被动防护的作用，防护效果并不好。而一些安全设备是安全气囊的形式，大多数安全气囊采用的是气囊+气体发生器+点火器的结构，内部含有炸药成分，若随身携带具有极高风险。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的提出了一种基于自动检测姿态的防摔系统及方法，能通过加速度计和陀螺仪实时检测人体姿态，从而精准预测是否要摔倒，只当要摔倒时加热压缩气体，保护配戴者。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，包括系统服务器和a个防摔设备，每个防摔设备包括设备本体，该设备本体表面设置有N个安全气囊，所述设备本体上还设置有加速度计、陀螺仪、处理器、无线通信模块；

所述处理器用于控制安全气囊充气，所述加速度计的输出端、陀螺仪的输出端均连接处理器的输入端组，所述无线通信模块与所述处理器连接，每个处理器均与系统服务器通讯；

所述设备本体上还设置有电源，该电源为加速度计、陀螺仪、处理器、无线通信模块供电。

由于人体摔倒常常伴随着不受控下坠及身体偏转，但突然跑动等情况也会引起加速度增加，因此单纯检测加速度不够准确，通过陀螺仪同时检测身体的偏转情况才能更好判断是否将要摔倒，通过上述设计，一旦检测到人体的加速度和偏转角度大于一定值，即认为即将摔倒，此时气体加热模块将压缩气腔内的压缩气体加热，压缩气体受热膨胀后鼓起安全气囊，从而对人体进行保护。摔倒的数据可通过无线传输到远端的系统服务器上，从而提醒安全人员及时查看穿戴者情况，以及及时更换该设备。

根据盖·吕萨克定律：气体体积与温度关系为VT＝V0，其中T为摄氏温度，V0为0℃时的气体体积，VT为T℃时的气体体积，a为气体膨胀系数。

以镍铬电热丝为例：

比热容：0.44J/

电阻率：1.09μΩ·m

密度：8.4g/cm3

可用公式：计算加热时间，其中，V为电热丝两端电压，R为电热丝电阻，t为时间，C为电热丝比热容，M为电热丝质量，T为电热丝温度。

直径1mm的电热丝，长度为0.5mm，质量约为3g，电阻约为1.38ohm，使用升压电路将电热丝两端电压升高到20V，则加热到200℃用时约为0.85s，气体受热膨胀时间极短，则总时长由电热丝加热速度决定，若进一步提高V，或多个电热丝同时加热，则时间能进一步缩短，从而更快撑开安全气囊，对人体进行保护。

加热气体的方式比火药爆炸的方式更安全，对于更常需要保护的老人和小孩而言，贴身穿戴火药反而存在安全威胁。

进一步设计，每个所述安全气囊内均设有压缩气腔，用于存放压缩气体，所述设备本体上还设置有N个气体加热模块，每个气体加热模块均紧贴一个所述安全气囊并靠近其压缩气腔；

所述压缩气腔上设有电控阀门，该电控阀门的信号输入端连接处理器的阀门控制端组其中一个端脚，所述处理器的气囊控制端组连接N个气体加热模块的输入端。

为避免压缩气体泄漏设计电控阀门，仅当电控阀门被打开时，气体才会从压缩气腔中放出，从而撑开安全气囊。

更进一步设计，N个所述气体加热模块分别印刷于N块气囊FPC上，所述加速度计、陀螺仪、处理器集成印刷于一块中央FPC上，所述中央FPC与各气囊FPC之间以柔性线缆连接。

随身穿戴的设备容易弯折，采用柔性电路板，即FPC，能有效减少弯折对线路和器件的损坏。

更进一步设计，a个所述防摔设备中，或者有2个防摔设备的设备本体为防摔护肘，或者有2个防摔设备的设备本体为防摔护膝，或者有1个防摔设备的设备本体为防摔背心，或者有1个防摔设备的设备本体为防摔头盔。

摔倒防护可以由系统服务器统一控制并管理，多种设备对人员起到多部位防护，且各类防摔设备的外表面与内表面均可设置安全气囊。

更进一步设计，a个所述防摔设备的其中一个为主参考设备，其余为副参考设备，所述主参考设备与每个副参考设备无线通讯。

由于穿戴者可能与系统服务器距离较远，若发生摔倒，系统服务器控制会不及时，此时需由防摔设备的处理器自行判断，而不同身体部位之间加速度、身体转动角度等数据会有差异，如头部的加速度会较大，则可将防摔头盔设为主参考设备，其余为副参考设备，一旦防摔头盔预判人体将摔倒时，其余防摔设备也会同步充气，对人体进行保护。

一种基于自动检测姿态的防摔方法，包括防摔设备工作步骤，步骤如下：

步骤一，处理器预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤二，加速度计实时检测穿戴者的加速度，陀螺仪实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至处理器；

步骤三，所述处理器获取摔倒倾向判断结果，若具有摔倒倾向，处理器发送加热命令至每个气体加热模块，并发送打开命令至每个电控阀门，完成安全气囊受热膨胀保护；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果。

所述摔倒倾向判断结果的判断方式为：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向。

判断是否具有摔倒倾向的设备可以是单个防摔设备单独运算，即所述摔倒倾向判断结果由处理器运算得到。

也可以由系统服务器统一运算，即所述摔倒倾向判断结果由系统服务器运算得到，则步骤二与步骤三之间还包括处理器与系统服务器数据通讯的步骤。即处理器将实时数据发送给系统服务器，系统服务器运算得到判断结果后反馈结果给处理器。

还或者由主参考设备运算，则还包括主副设备控制步骤：

步骤A，主参考设备的处理器预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤B，主参考设备的加速度计实时检测穿戴者的加速度，且陀螺仪实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至主参考设备的处理器；

步骤C，主参考设备的处理器判断：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向；

若具有摔倒倾向，所述主参考设备的处理器发送加热命令至每个气体加热模块，并发送打开命令至每个电控阀门，完成安全气囊受热膨胀保护；

同时，发送摔倒倾向判断结果至每一副参考设备；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果；

步骤D，副参考设备的处理器发送加热命令至每个气体加热模块，并发送打开命令至每个电控阀门，完成安全气囊受热膨胀保护。

本发明的有益效果：利用压缩气体加热膨胀的原理保护人体。本发明能通过加速度计和陀螺仪实时采集人体姿态数据，这些数据经过处理器处理后，用以精准预测佩戴者是否要摔倒，当判定佩戴者即将摔倒时，通过加热装置快速加热压缩气体，同时打开电子阀门，快速给气囊充气，以保护配戴者。

附图说明

图1是系统的结构框图；

图2是防摔背心的正视图；

图3是安全气囊的截面示意图；

图4是防摔设备控制电路的示意图；

图5是实施例一的防摔方法示意图；

图6是实施例二的防摔方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一种基于自动检测姿态的防摔系统，如图1所示，包括系统服务器4和6个防摔设备，其中2个防摔设备的设备本体1为防摔护肘，2个防摔设备的设备本体1为防摔护膝，1个防摔设备的设备本体1为防摔背心，1个防摔设备的设备本体1为防摔头盔。

每个设备本体1均设置有无线通信模块，并与系统服务器4无线通讯。

如图2所示，本实施例以防摔背心示例，包括设备本体1，所述设备本体1表面设置有N个安全气囊2，每个所述安全气囊2内均设有压缩气腔21，用于存放压缩气体，可选用氩气，所述设备本体上还设置有加速度计11、陀螺仪12、处理器13和N个气体加热模块14，每个气体加热模块14均紧贴一个所述安全气囊2并靠近其压缩气腔21，所述压缩气腔21上设有电控阀门22，该电控阀门22的信号输入端连接处理器13的阀门控制端组其中一个端脚，如图3所示。

N个所述气体加热模块14分别印刷于N块气囊FPC3上，所述加速度计11、陀螺仪12、处理器13集成印刷于一块中央FPC上，所述中央FPC与各气囊FPC3之间以柔性线缆连接。

本实施例如图4所示，采用芯片BMI120，其上集成了加速度计11和陀螺仪12，气体加热模块14优选为电热丝，无线通信模块优选为NB模块，包括NB天线和USIM；

所述设备本体1上还设置有电源，该电源为加速度计11、陀螺仪12、处理器13和N个气体加热模块14供电。实施例中电源优选为可充电的电池，或可拆卸的电池，避免长期耗电而使关键时刻断电无法工作。

每个防摔设备5还优选设置有定位模块，所述定位模块均与对应的处理器13连接。

本实施例优选为防摔头盔主参考设备，其余为副参考设备，所述主参考设备与每个副参考设备无线通讯。

一种基于自动检测姿态的防摔方法，包括防摔设备工作步骤，如图5所示，步骤如下：

步骤一，处理器13预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤二，加速度计11实时检测穿戴者的加速度，陀螺仪12实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至处理器13；

步骤三，所述处理器13获取摔倒倾向判断结果，若具有摔倒倾向，处理器13发送加热命令至每个气体加热模块14，并发送打开命令至每个电控阀门22，完成安全气囊2受热膨胀保护；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果。

具体还包括主副设备控制步骤：

步骤A，主参考设备的处理器13预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤B，主参考设备的加速度计11实时检测穿戴者的加速度，且陀螺仪12实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至主参考设备的处理器13；

步骤C，主参考设备的处理器13判断：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向；

若具有摔倒倾向，所述主参考设备的处理器13发送加热命令至每个气体加热模块14，并发送打开命令至每个电控阀门22，完成安全气囊2受热膨胀保护；

同时，发送摔倒倾向判断结果至每一副参考设备；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果；

步骤D，副参考设备的处理器13发送加热命令至每个气体加热模块14，并发送打开命令至每个电控阀门22，完成安全气囊2受热膨胀保护。

其中，所述摔倒倾向判断结果的判断方式为：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向。

图5所示的实施例一所述摔倒倾向判断结果由处理器13运算得到。

图6所示的实施例二所述摔倒倾向判断结果由系统服务器4运算得到，则步骤二与步骤三之间还包括处理器13与系统服务器4数据通讯的步骤。

Claims (10)

1.一种基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，包括系统服务器(4)和a个防摔设备，每个防摔设备包括设备本体(1)，该设备本体(1)表面设置有N个安全气囊(2)，所述设备本体上还设置有加速度计(11)、陀螺仪(12)、处理器(13)、无线通信模块；

所述处理器(13)用于控制安全气囊(2)充气，所述加速度计(11)的输出端、陀螺仪(12)的输出端均连接处理器(13)的输入端组，所述无线通信模块与所述处理器(13)连接，每个处理器(13)均与系统服务器(4)通讯；

所述设备本体(1)上还设置有电源，该电源为加速度计(11)、陀螺仪(12)、处理器(13)、无线通信模块供电。

2.根据权利要求1所述基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，每个所述安全气囊(2)内均设有压缩气腔(21)，用于存放压缩气体，所述设备本体上还设置有N个气体加热模块(14)，每个气体加热模块(14)均紧贴一个所述安全气囊(2)并靠近其压缩气腔(21)；

所述压缩气腔(21)上设有电控阀门(22)，该电控阀门(22)的信号输入端连接处理器(13)的阀门控制端组其中一个端脚，所述处理器(13)的气囊控制端组连接N个气体加热模块(14)的输入端。

3.根据权利要求2所述基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，N个所述气体加热模块(14)分别印刷于N块气囊FPC(3)上，所述加速度计(11)、陀螺仪(12)、处理器(13)集成印刷于一块中央FPC上，所述中央FPC与各气囊FPC(3)之间以柔性线缆连接。

4.根据权利要求1所述基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，a个所述防摔设备中，或者有2个防摔设备的设备本体(1)为防摔护肘，或者有2个防摔设备的设备本体(1)为防摔护膝，或者有1个防摔设备的设备本体(1)为防摔背心，或者有1个防摔设备的设备本体(1)为防摔头盔。

5.根据权利要求1所述基于自动检测姿态的防摔系统，其特征在于，a个所述防摔设备的其中一个为主参考设备，其余为副参考设备，所述主参考设备与每个副参考设备无线通讯。

6.一种基于自动检测姿态的防摔方法，其特征在于，包括防摔设备工作步骤，步骤如下：

步骤一，处理器(13)预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤二，加速度计(11)实时检测穿戴者的加速度，陀螺仪(12)实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至处理器(13)；

步骤三，所述处理器(13)获取摔倒倾向判断结果，若具有摔倒倾向，处理器(13)发送加热命令至每个气体加热模块(14)，并发送打开命令至每个电控阀门(22)，完成安全气囊(2)受热膨胀保护；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果。

7.根据权利要求6所述基于自动检测姿态的防摔方法，其特征在于，还包括主副设备控制步骤：

步骤A，主参考设备的处理器(13)预设加速度阈值、人体偏转阈值；

步骤B，主参考设备的加速度计(11)实时检测穿戴者的加速度，且陀螺仪(12)实时检测穿戴者的身体转动角度，所述加速度与身体转动角度均发送至主参考设备的处理器(13)；

步骤C，主参考设备的处理器(13)判断：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向；

若具有摔倒倾向，所述主参考设备的处理器(13)发送加热命令至每个气体加热模块(14)，并发送打开命令至每个电控阀门(22)，完成安全气囊(2)受热膨胀保护；

同时，发送摔倒倾向判断结果至每一副参考设备；

若无摔倒倾向，则等待下一次摔倒倾向判断结果；

步骤D，副参考设备的处理器(13)发送加热命令至每个气体加热模块(14)，并发送打开命令至每个电控阀门(22)，完成安全气囊(2)受热膨胀保护。

8.根据权利要求6所述基于自动检测姿态的防摔方法，其特征在于，所述摔倒倾向判断结果的判断方式为：若穿戴者的加速度大于加速度阈值，且身体转动角度大于人体偏转阈值，则判断结果为具有摔倒倾向，否则为无摔倒倾向。

9.根据权利要求6所述基于自动检测姿态的防摔方法，其特征在于，所述摔倒倾向判断结果由处理器(13)运算得到。

10.根据权利要求6所述基于自动检测姿态的防摔方法，其特征在于，所述摔倒倾向判断结果由系统服务器(4)运算得到，则步骤二与步骤三之间还包括处理器(13)与系统服务器(4)数据通讯的步骤。