CN110638459A - 一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，包括检测装置和检测方法：检测装置包括鞋子和电路板，鞋子包括鞋底和鞋帮，鞋底设有与电路板相适配的凹槽，电路板内置于鞋底凹槽，电路板上设有电源、处理器和加速传感器，加速传感器包括X轴、Y轴和Z轴；检测方法如下：(1)通过跌倒判断基础流程进行判断是否疑似跌倒；(2)通过步态分析，提高跌倒判断的准确度；(3)通过加速度方差，排除跌倒误报；(4)通过疑似跌倒后一段时间内，加速度的变化情况，排除跌倒误报；本发明通过更多精细化逻辑判定方法，来提高跌倒判断的准确率，解决跌倒判断误码率高的问题；使得老年人的健康得到保障，子女也可以安心工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种人体运动跌倒检测装置及方法，具体是指一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法。
背景技术
当今社会步入老龄化社会，而老年人因为跌倒而引起人身伤害的情况频频发生，跌倒有可能因为意外引起，也可能因为突发疾病引起，而老年人跌倒后得不到及时的发现和救治，是老年人死亡的主要原因之一。
现有技术(1)，通过智能手环、手表内置的加速度传感器，通过人体跌倒时的加速度变化判断人是否跌倒；由于人跌倒时的姿势多种多样，跌倒的速度也有所不同，所以根据跌倒引起的加速度变化过程来判定人是否跌倒，存在很大的误差，误报率非常高。
现有技术(2)将加速度传感器置于鞋底内，当人体由站立状态变成跌倒状态时，通过判断加速度值的起止变化来判断人体是否跌倒；判断加速度值的起止变化，判断过于单一，无法识别人在静止状态时，鞋子与地面垂直的情况，比如静坐状态时，翘起二郎腿，或者单腿站立，单腿脚尖着地的情况，判断准确率较低。
所以，一种判断准确率高的基于加速度传感器的人体运动跌倒装置及方法成为社会亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术误码率高、判断准确准确率低等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，包括检测装置和检测方法：所述检测装置包括鞋子和电路板，所述鞋子包括鞋底和鞋帮，所述鞋底设有与电路板相适配的凹槽，所述电路板内置于鞋底凹槽，所述电路板上设有电源、处理器和加速传感器，所述加速传感器包括X轴、Y轴和Z轴；
所述检测方法如下：
(1)通过跌倒判断基础流程进行判断是否疑似跌倒；
跌倒判断基础流程如下：
开始采集一段时间的加速度数据(为了准确，一般采用10秒钟以上)，判断Z轴加速度是否由g(允许有正负0.2g误差)变成0(正负0.2g)；若是，则疑似跌倒，通过走步的算法逻辑进行进一步判断，提高准确率，通过电路板网络模块向外部发出跌倒告警，然后继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；若否，则继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；
(2)通过步态分析，提高跌倒判断的准确度：对上一步疑似跌倒时刻前几秒钟内走步状态的准确判断，消除静坐状态下跌倒误报情况，如翘起二郎腿、脚底垂直于地面等情况误报为跌倒；以采集跌倒前最近4秒钟的X、Y、Z轴加速度的值，以采样间隔50ms，采样80个点为例，判断人体是否处于走步状态；
判断走步的算法如下：
a.以采样的80个点为计算样本，计算Z轴(或者Y轴)加速度阈值上轨和下轨；加速度的平均值，标记为avg，每个采样点的加速度值，标记为An，则阈值上轨upLimit＝avg+∑(|An-avg|)/80，阈值下轨lowLimit＝avg-∑(|An-avg|)/80；
b.判断步骤a中采样的80个点，加速度振动幅度是否达到走路的最小值，如果upLimit-avg或者avg-lowLimit小于0.1g(g为重力加速度)，则认为加速度幅度太小，判定不是走步状态；
c.寻找波形数量，一个完整波形计2步；
波形判定方法：当加速度采样值上穿upLimit，然后再经过若干采样点，加速度采样值下穿lowLimit，则认为此时经过了一个完整波形；
d.排除波长明显不符合走步特征的情况，在4秒钟时间内，正常走路应该计步4-16步，也就是2-8个波形周期，如果经过上一步波形判断，识别出来波形周期小于2或者大于8，则判定这个波形不是由走步引起的，而是由于其它振动引起的，进而判定刚刚过去的4秒钟不是一个走路状态；
e.正常走路状态下，上下方向和前后方向的加速度振幅较大，但是左右方向的加速度振幅较小，即upLimit(Z)>upLimit(X)且upLimit(Y)>upLimit(X)，只有满足此条件，才认为是走步，不满足此条件，可能是在抖腿等行为导致的加速度周期性波动；
(3)通过加速度方差，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，然后判断这N个数据的标准差，若标准差非常小，则说明鞋子处于静止状态，而人刚刚跌倒后，是不可能绝对静止，因此判定鞋子此刻并未穿在脚上；此种情况可以判定并非人在运动中跌倒，而是可能刚刚脱掉的鞋子发生侧翻；
(4)通过疑似跌倒后一段时间内，加速度的变化情况，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，分析在这N个数据内，加速度变化趋势，若加速度呈现上升趋势，并最终稳定在g(1-20％)到g(1+20％)范围内，则说明只是脚底短暂垂直于地面又马上恢复成平行于地面，并非真的跌倒。
进一步地，所述鞋子处于跌倒状态时，包括前后左右任意方向跌倒，加速度传感器Z轴变成平行于地面，Z轴方向的重力加速度变成0(或者接近于0)。
进一步地，所述加速度传感器可以指示三维方向的加速度数值的传感器，在加速度传感器静止情况下，在Z轴垂直于地面，X、Y轴平行于地面的情况下，Z轴的加速度数值为1个重力加速度g，X、Y轴的加速度值为零；在运动情况下，X、Y、Z三个轴的加速度数值，为重力加速度值在三个轴上的分解和运动导致的加速度数值的叠加。
进一步地，所述采集N个数据，可以选择每隔50ms采集一个数据，采集10秒钟，采集200个数据，也可以选择其他间隔采集得到N个数据。
进一步地，所述加速度传感器的型号为MPU6050。
进一步地，所述鞋子采用厚底运动鞋。
与现有技术相比，本发明的优点：本发明以现有技术(2)为基础，通过更多精细化逻辑判定方法，来提高跌倒判断的准确率，解决跌倒判断误码率高的问题；在跌倒前的判断过程中，增加对走步状态的判断，进而排除人体在非行走状态下脚底垂直于地面的各种误判；在跌倒后的判断过程中，通过跌倒后的传感器Z轴加速度方差分析，来进一步提高跌倒判断的准确度；在跌倒后的判断过程中，通过判断传感器Z轴处于疑似跌倒状态的持续时间，来进一步提高跌倒判断的准确度；使得老年人的健康得到保障，子女也可以安心工作，为社会创造财富。
附图说明
图1是水平放置的含跌倒检测电路板的鞋子结构图；
图2是跌倒判断基础流程图；
图3是走路时加速度随时间的变化波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
结合附图，对本发明进行详细介绍。
本发明在具体实施时提供了一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，包括检测装置和检测方法：所述检测装置包括鞋子和电路板，所述鞋子包括鞋底和鞋帮，所述鞋底设有与电路板相适配的凹槽，所述电路板内置于鞋底凹槽，所述电路板上设有电源、处理器和加速传感器，所述加速传感器包括X轴、Y轴和Z轴；
所述检测方法如下：
(1)通过跌倒判断基础流程进行判断是否疑似跌倒；
跌倒判断基础流程如下：
开始采集一段时间的加速度数据(为了准确，一般采用10秒钟以上)，判断Z轴加速度是否由g(允许有正负0.2g误差)变成0(正负0.2g)；若是，则疑似跌倒，通过走步的算法逻辑进行进一步判断，提高准确率，通过电路板网络模块向外部发出跌倒告警，然后继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；若否，则继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；
(2)通过步态分析，提高跌倒判断的准确度：对上一步疑似跌倒时刻前几秒钟内走步状态的准确判断，消除静坐状态下跌倒误报情况，如翘起二郎腿、脚底垂直于地面等情况误报为跌倒；以采集跌倒前最近4秒钟的X、Y、Z轴加速度的值，以采样间隔50ms，采样80个点为例，判断人体是否处于走步状态；
判断走步的算法如下：
a.以采样的80个点为计算样本，计算Z轴(或者Y轴)加速度阈值上轨和下轨；加速度的平均值，标记为avg，每个采样点的加速度值，标记为An，则阈值上轨upLimit＝avg+∑(|An-avg|)/80，阈值下轨lowLimit＝avg-∑(|An-avg|)/80；
b.判断步骤a中采样的80个点，加速度振动幅度是否达到走路的最小值，如果upLimit-avg或者avg-lowLimit小于0.1g(g为重力加速度)，则认为加速度幅度太小，判定不是走步状态；
c.寻找波形数量，一个完整波形计2步；
波形判定方法：当加速度采样值上穿upLimit，然后再经过若干采样点，加速度采样值下穿lowLimit，则认为此时经过了一个完整波形；
d.排除波长明显不符合走步特征的情况，在4秒钟时间内，正常走路应该计步4-16步，也就是2-8个波形周期，如果经过上一步波形判断，识别出来波形周期小于2或者大于8，则判定这个波形不是由走步引起的，而是由于其它振动引起的，进而判定刚刚过去的4秒钟不是一个走路状态；
e.正常走路状态下，上下方向和前后方向的加速度振幅较大，但是左右方向的加速度振幅较小，即upLimit(Z)>upLimit(X)且upLimit(Y)>upLimit(X)，只有满足此条件，才认为是走步，不满足此条件，可能是在抖腿等行为导致的加速度周期性波动；
(3)通过加速度方差，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，然后判断这N个数据的标准差，若标准差非常小，则说明鞋子处于静止状态，而人刚刚跌倒后，是不可能绝对静止，因此判定鞋子此刻并未穿在脚上；此种情况可以判定并非人在运动中跌倒，而是可能刚刚脱掉的鞋子发生侧翻；
(4)通过疑似跌倒后一段时间内，加速度的变化情况，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，分析在这N个数据内，加速度变化趋势，若加速度呈现上升趋势，并最终稳定在g(1-20％)到g(1+20％)范围内，则说明只是脚底短暂垂直于地面又马上恢复成平行于地面，并非真的跌倒。
本发明一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法的具体实施过程如下：本发明在使用时，将电路板内置于鞋底凹槽，在鞋子正常水平放置时，保证加速度传感器Z轴方向垂直于地面，Z轴方向的加速度为1个重力加速度g；当鞋子处于跌倒状态时(包括前后左右任意方向跌倒)加速度传感器Z轴变成平行于地面，Z轴方向的重力加速度变为0(或者接近于0)；通过跌倒判断基础流程进行判断是否疑似跌倒；通过步态分析算法，分析此时刻前后的加速度变化特征，识别人体是否处于走步状态；通过加速度方差进行判断，进一步排除鞋子脱离人体的误报情况；通过对疑似跌倒状态的持续时间判断，来提升跌倒判断的准确度；本发明以现有技术(2)为基础，通过更多精细化逻辑判定方法，来提高跌倒判断的准确率，解决跌倒判断误码率高的问题；在跌倒前的判断过程中，增加对走步状态的判断，进而排除人体在非行走状态下脚底垂直于地面的各种误判；在跌倒后的判断过程中，通过跌倒后的传感器Z轴加速度方差分析，来进一步提高跌倒判断的准确度；在跌倒后的判断过程中，通过判断传感器Z轴处于疑似跌倒状态的持续时间，来进一步提高跌倒判断的准确度；使得老年人的健康得到保障，子女也可以安心工作，为社会创造财富。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，包括检测装置和检测方法，其特征在于：所述检测装置包括鞋子和电路板，所述鞋子包括鞋底和鞋帮，所述鞋底设有与电路板相适配的凹槽，所述电路板内置于鞋底凹槽，所述电路板上设有电源、处理器和加速传感器，所述加速传感器包括X轴、Y轴和Z轴；
所述检测方法如下：
(1)通过跌倒判断基础流程进行判断是否疑似跌倒；
跌倒判断基础流程如下：
开始采集一段时间的加速度数据(为了准确，一般采用10秒钟以上)，判断Z轴加速度是否由g(允许有正负0.2g误差)变成0(正负0.2g)；若是，则疑似跌倒，通过走步的算法逻辑进行进一步判断，提高准确率，通过电路板网络模块向外部发出跌倒告警，然后继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；若否，则继续采集加速度数据，滚动更新加速度数据缓存；
(2)通过步态分析，提高跌倒判断的准确度：对上一步疑似跌倒时刻前几秒钟内走步状态的准确判断，消除静坐状态下跌倒误报情况，如翘起二郎腿、脚底垂直于地面等情况误报为跌倒；以采集跌倒前最近4秒钟的X、Y、Z轴加速度的值，以采样间隔50ms，采样80个点为例，判断人体是否处于走步状态；
判断走步的算法如下：
a.以采样的80个点为计算样本，计算Z轴(或者Y轴)加速度阈值上轨和下轨；加速度的平均值，标记为avg，每个采样点的加速度值，标记为An，则阈值上轨upLimit＝avg+∑(|An-avg|)/80，阈值下轨lowLimit＝avg-∑(|An-avg|)/80；
b.判断步骤a中采样的80个点，加速度振动幅度是否达到走路的最小值，如果upLimit-avg或者avg-lowLimit小于0.1g(g为重力加速度)，则认为加速度幅度太小，判定不是走步状态；
c.寻找波形数量，一个完整波形计2步；
波形判定方法：当加速度采样值上穿upLimit，然后再经过若干采样点，加速度采样值下穿lowLimit，则认为此时经过了一个完整波形；
d.排除波长明显不符合走步特征的情况，在4秒钟时间内，正常走路应该计步4-16步，也就是2-8个波形周期，如果经过上一步波形判断，识别出来波形周期小于2或者大于8，则判定这个波形不是由走步引起的，而是由于其它振动引起的，进而判定刚刚过去的4秒钟不是一个走路状态；
e.正常走路状态下，上下方向和前后方向的加速度振幅较大，但是左右方向的加速度振幅较小，即upLimit(Z)>upLimit(X)且upLimit(Y)>upLimit(X)，只有满足此条件，才认为是走步，不满足此条件，可能是在抖腿等行为导致的加速度周期性波动；
(3)通过加速度方差，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，然后判断这N个数据的标准差，若标准差非常小，则说明鞋子处于静止状态，而人刚刚跌倒后，是不可能绝对静止，因此判定鞋子此刻并未穿在脚上；此种情况可以判定并非人在运动中跌倒，而是可能刚刚脱掉的鞋子发生侧翻；
(4)通过疑似跌倒后一段时间内，加速度的变化情况，排除跌倒误报：判断出疑似跌倒后，继续采集N个数据，分析在这N个数据内，加速度变化趋势，若加速度呈现上升趋势，并最终稳定在g(1-20％)到g(1+20％)范围内，则说明只是脚底短暂垂直于地面又马上恢复成平行于地面，并非真的跌倒。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，其特征在于：所述鞋子处于跌倒状态时，包括前后左右任意方向跌倒，加速度传感器Z轴变成平行于地面，Z轴方向的重力加速度变成0(或者接近于0)。
3.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，其特征在于：所述加速度传感器可以指示三维方向的加速度数值的传感器，在加速度传感器静止情况下，在Z轴垂直于地面，X、Y轴平行于地面的情况下，Z轴的加速度数值为1个重力加速度g，X、Y轴的加速度值为零；在运动情况下，X、Y、Z三个轴的加速度数值，为重力加速度值在三个轴上的分解和运动导致的加速度数值的叠加。
4.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，其特征在于：所述采集N个数据，可以选择每隔50ms采集一个数据，采集10秒钟，采集200个数据，也可以选择其他间隔采集得到N个数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，其特征在于：所述加速度传感器的型号为MPU6050。
6.根据权利要求1所述的一种基于加速度传感器的人体运动跌倒检测装置及方法，其特征在于：所述鞋子采用厚底运动鞋。
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