CN111341070B - 一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法及标签 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法及标签，标签中将陀螺仪角速度进行滤波处理得到欧拉角，然后将欧拉角转换得到四元数，最后基于四元数计算得到游泳圈的旋转角，若旋转角超过泳圈仰翻的阈值，且水深传感器测量的数据也超过仰翻阈值，则判定发生婴幼儿溺水，若旋转角较小，水深传感器测量的数据超过设定的阈值，则判定发生婴幼儿溺水。通过追溯溺水过程，保证了检测标准的准确性；将检测装置固定于游泳圈上，避免脱落，以及溺水信号无法及时有效上传到岸上的报警装置的问题。

Description

一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法及标签
技术领域：
本发明属于游泳器材技术领域，具体涉及一种基于陀螺仪和水深传感器的婴幼儿溺水检测方法及标签。
背景技术：
近几年，婴幼儿游泳越来越受欢迎，但是随之而来的安全事故也不断出现，发生了多次婴幼儿溺水事件。因此，溺水检测装至关重要。现有的溺水检测装置很大一部分直接佩戴在婴儿身上，通过检测游泳者的身体姿态，判断是否溺水。如，专利CN110400445A公开了一种融合姿态、水深和时间信息的防溺水预警装置及方法，其通过传感器检测游泳者在水下的深度是否达到预定的溺水深度，若达到溺水深度则开始检测游泳者的水下姿态，判断游泳者姿势是否出现不符合正常规律的情况。专利CN108438173A公开了一种便携式智能溺水救生系统，其通过压力传感器、MEMS加速度计和陀螺仪获取的数据得到使用者的动态情况和姿态信息。上述装置虽然能够用于检测，但是存在一些问题：第一，对于游泳者，特别是儿童，不喜欢佩戴手环等物品，撕拉、啃咬会造成手环脱落；第二，在一些正常情况下，由于恶作剧等其他原因也会出现上述检测装置的判断条件，造成误判；第三，现有的检测装置一般都是通过无线设备将报警信号发送给报警设备，当使用者沉入水下超过一定深度时，无线信号很难有效传输，无法起到报警作用。基于此，本申请设计了一种置于游泳圈上的溺水检测方法及装置。
发明内容：
本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种婴幼儿溺水检测标签及溺水检测方法。分析公开报道的多次婴幼儿溺水事故，发现发生溺水的原因主要有以下两种。第一种，游泳圈佩戴于腋下，婴幼儿位于水面上身体过多，且当动作幅度过大时，导致游泳圈仰翻，发生溺水。第二种，佩戴的游泳圈过大时，婴幼儿从中间落下，导致溺水事件发生。本申请通过追溯溺水过程，设计出一种防溺水装置，解决了现有溺水装置，检测结果不准确、报警线路中断等问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法，具体包括以下步骤：
(1)获取某一时间间隔内所佩戴游泳圈旋转角度，通过游泳圈旋转角度变化值，确定是否发生仰翻，若检测到游泳圈旋转角度变化值超过仰翻阈值，认为发生仰翻，进行第(2)步，否则认为没有发生仰翻，进行第(3)步；
(2)获取水深传感器数据，分析游泳圈旋转角度突变时刻对应的水深变化值，若水深变化超过水深阈值，则确认发生游泳圈仰翻导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息；
(3)若游泳圈旋转角度变化值超过空载阈值，且水深变化超过水深阈值，则确认发生从泳圈中间坠入导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息。
其中，仰翻阈值为发生游泳圈仰翻事故时，游泳圈旋转角度变化的经验值。水深阈值为游泳圈空载和负载时，游泳圈深度变化的经验值，该经验值与使用者的体重和游泳圈相关，该值可以在实际使用时直接采集。空载阈值为无负载时，游泳圈旋转角度变化的经验值，该值与游泳圈使用的水环境有关系，可以基于使用的水环境通过试验采集。
具体地，步骤(1)中所述游泳圈旋转角度具体采用以下步骤获取：
建立陀螺仪的模型：
ωo＝ωt+ωb+ωn (1)
式中，ωo表示陀螺仪的输出值，ωt表示理想的测量值，ωb表示零点漂移，ωn表示测量噪声。
对陀螺仪测量得到的角速度，进行运算，如式(2)所示，可以得到包含有噪声游泳圈运动角度。
Figure BDA0002397249840000021
式中，
Figure BDA0002397249840000022
表示积分得到的角度，ωo表示陀螺仪的输出值，qbias表示陀螺漂移误差，dt表示采样时间间隔。
采用卡尔曼滤波对陀螺仪测量数据进行滤波，降低漂移误差和测量噪声的影响。
根据式(1)和式(2)，建立如式(3)所示的卡尔曼滤波模型。
Figure BDA0002397249840000023
式中，Xk表示k时刻状态，即为当前时刻需要的运动角度；Φ表示转移矩阵；Xk-1表示k-1时刻状态，即为上一时刻需要的运动角度；B表示输入增益矩阵，即为当前时刻陀螺仪测定的角速度；uk表示系统输入向量，即为采样时间；Wk表示系统噪声，符合均值为0，协方差为Q的正态分布；Zk表示测量余量；H表示测量矩阵；Vk表示测量噪声，符合均值为0，协方差为R的正态分布。
滤波步骤如下所示，
状态预测：
Xk|k-1＝ΦXk-1+Buk (4)
Pk|k-1＝ΦPk-1ΦT+Q (5)
测量更新：
Kk＝Pk|k-1HT/(HPk|k-1HT+R) (6)
Xk＝Xk|k-1+Kk(Zk-HXk|k-1) (7)
Pk＝(I-KkH)Pk|k-1 (8)
式中，Xk|k-1表示一步预测状态；Pk|k-1表示协方差的一步预测；Pk-1表示k-1时刻的均方误差；Pk表示k时刻的协方差；Kk表示k时刻滤波增益；I表示单位矩阵。
通过以上步骤，即可完成对陀螺仪测量数据的滤波，然后即可用于下一步分析。
滤波得到的三个轴的欧拉角
Figure BDA0002397249840000032
分别表示滚动角、俯仰角和偏航角。然后，通过式(9)所示的欧拉角到四元数的转换得到四元数。
Figure BDA0002397249840000031
式中，w表示四元数的标量部分，(x y z)表示四元数的矢量部分。
根据初始位置的四元数qs，当前位置四元数qc，游泳圈旋转角度按照式(10)求得。
α＝cos-1(qs·qc) (10)
一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签，包括陀螺仪、水深传感器、单片机(MCU)、报警单元、供电单元和通讯单元，陀螺仪、水深传感器、报警单元、供电单元和通讯单元均与单片机连接，单片机包括旋转角度测量单元和溺水判断单元，所述陀螺仪与旋转角度测量单元连接，所述旋转角度测量单元将陀螺仪角速度进行滤波处理得到欧拉角，然后将欧拉角转换得到四元数，最后基于四元数计算得到游泳圈的旋转角，所述溺水判断单元根据获取的游泳圈旋转角度和水深变化值，判断是否发生溺水，并将溺水信号发送给报警单元，陀螺仪、旋转角度测量单元和溺水判断单元依次连接。
具体地，所述通讯单元包括通讯线和蓝牙/ZigBee，蓝牙/ZigBee通过UART与MCU连接实现通信，用于向报警器发送报警信息，报警单元包括强光LED和报警器，强光LED通过GPIO与MCU连接实现通信，当检测到有婴幼儿发生危险情况时，LED闪烁报警，固定在水上的报警器通过蓝牙/ZigBee与单片机连接，所述陀螺仪为基于MEMS的陀螺仪，可以为3轴、6轴和9轴，通过IIC与MCU连接，用来测量泳圈的运动角速率，水深传感器通过IIC与MCU连接，用于检测游泳圈所处的水深。
所述基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签通过硅胶带固定在游泳圈上侧或下侧，或通过硅胶带同时固定在游泳圈上侧和下侧，游泳圈上侧的检测标签通过通讯线与下侧的检测标签的通讯线连接。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：(1)通过追溯溺水过程，保证了检测标准的准确性；(2)将检测标签置于游泳圈上，避免戴在溺水者身上，造成其不适，引起脱落，同时也避免溺水者沉入水下，溺水信号无法及时有效上传到岸上的报警装置；(3)通过去除陀螺仪输出值的误差，以及考察旋转角度和水深变化两个参数，保证了检测结果的准确性。
附图说明：
图1是本发明涉及的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法结构原理示意图。
图2是本发明涉及的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签结构原理示意图。
图3是本发明涉及的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签一种使用状态图。
图4是本发明涉及的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签另一种使用状态图。
图5是本发明滤波前后陀螺仪静态采样数据处理图。
图6是本发明实验采集的陀螺仪泳圈仰翻数据图。
图7是计算得到的游泳圈旋转角度图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
如图1所示，本实施例涉及的一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法，具体包括以下步骤：
(1)获取某一时间间隔内所佩戴游泳圈旋转角度，通过游泳圈旋转角度变化值，确定是否发生仰翻，若检测到游泳圈旋转角度变化值超过仰翻阈值，认为发生仰翻，进行第(2)步，否则认为没有发生仰翻，进行第(3)步；
(2)获取水深传感器数据，分析游泳圈旋转角度突变时刻对应的水深变化值，若水深变化超过水深阈值，则确认发生游泳圈仰翻导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息；
(3)若游泳圈旋转角度变化值超过空载阈值，且水深变化超过水深阈值，则确认发生从泳圈中间坠入导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息。
其中，仰翻阈值为发生游泳圈仰翻事故时，游泳圈旋转角度变化的经验值。水深阈值为游泳圈空载和负载时，游泳圈深度变化的经验值，该经验值与使用者的体重和游泳圈相关，该值可以在实际使用时直接采集，如，婴儿置于游泳圈内和该游泳圈空载时，游泳圈的深度变化值。空载阈值为无负载时，游泳圈旋转角度变化的经验值，该值与游泳圈使用的水环境有关系，可以基于使用的水环境通过试验采集，如将游泳圈放于泳池内，获取一段时间内游泳圈的旋转角度变化值。
具体地，步骤(1)中所述游泳圈旋转角度具体采用以下步骤获取：
对于一般的基于MEMS的陀螺仪，其不能敏感地球自转速度，所以其测量数据模型中，可以不考虑地球自转造成的影响，即陀螺仪的模型为：
ωo＝ωt+ωb+ωn (1)
式中，ωo表示陀螺仪的输出值，ωt表示理想的测量值，ωb表示零点漂移，ωn表示测量噪声。
对陀螺仪测量得到的角速度，进行运算，如式(2)所示，可以得到包含有噪声泳圈运动角度。
Figure BDA0002397249840000061
式中，
Figure BDA0002397249840000063
表示积分得到的角度，ωo表示陀螺仪的输出值，qbias表示陀螺漂移误差，dt表示采样时间间隔。
由于陀螺仪存在漂移，随着时间的积累，其误差会越来越大，需要使用滤波对测量得到的数据进行滤波，降低漂移和测量噪声的影响。
考虑到卡尔曼滤波具有优良滤波性能，加上其耗费资源较小，可以在MCU中使用。
建立如式(3)所示的卡尔曼滤波模型。
Figure BDA0002397249840000062
式中，Xk表示k时刻状态，即为当前时刻需要的运动角度；Φ表示转移矩阵；Xk-1表示k-1时刻状态，即为上一时刻需要的运动角度；B表示输入增益矩阵，即为当前时刻陀螺仪测定的角速度；uk表示系统输入向量，即为采样时间；Wk表示系统噪声，符合均值为0，协方差为Q的正态分布；Zk表示测量余量；H表示测量矩阵；Vk表示测量噪声，符合均值为0，协方差为R的正态分布。
滤波步骤如下所示，
状态预测：
Xk|k-1＝ΦXk-1+Buk (4)
Pk|k-1＝ΦPk-1ΦT+Q (5)
测量更新：
Kk＝Pk|k-1HT/(HPk|k-1HT+R) (6)
Xk＝Xk|k-1+Kk(Zk-HXk|k-1) (7)
Pk＝(I-KkH)Pk|k-1 (8)
式中，Xk|k-1表示一步预测状态；Pk|k-1表示协方差的一步预测；Pk-1表示k-1时刻的均方误差；Pk表示k时刻的协方差；Kk表示k时刻滤波增益；I表示单位矩阵。
通过以上步骤，即可完成对陀螺仪测量数据的滤波，然后即可用于下一步分析。
如图5所示，为滤波前后陀螺仪静态采样处理的数据。可见滤波后，可有效降低漂移和噪声。
滤波得到的三个轴的欧拉角
Figure BDA0002397249840000072
分别表示滚动角、俯仰角和偏航角。然后，通过式(9)所示的欧拉角到四元数的转换得到四元数。
Figure BDA0002397249840000071
式中，w表示四元数的标量部分，(x y z)表示四元数的矢量部分。
根据初始位置的四元数qs，当前位置四元数qc，旋转角度按照式(10)求得。
α＝cos-1(qs·qc) (10)
根据得到的α，如果其超过泳圈仰翻的阈值，且水深传感器测量的数据也超过仰翻阈值，则判定发生婴幼儿溺水。如果α较小，但水深传感器测量的数据超过设定的阈值，则判定发生婴幼儿溺水。
如图6所示，为实验采集的陀螺仪泳圈仰翻数据，图7为计算得到的角度。可以发现，在仰翻瞬间，运动角度过大，从而可以判定发生婴幼儿溺水事故。
一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签，包括陀螺仪、水深传感器、单片机(MCU)、报警单元、供电单元和通讯单元，所述陀螺仪与旋转角度测量单元连接，陀螺仪、水深传感器、报警单元、供电单元和通讯单元均与单片机连接，单片机包括旋转角度测量单元和溺水判断单元，所述旋转角度测量单元将陀螺仪角速度进行滤波处理得到欧拉角，然后将欧拉角转换得到四元数，最后基于四元数计算得到游泳圈的旋转角，所述溺水判断单元根据获取的游泳圈旋转角度和水深变化值，判断是否发生溺水，并将溺水信号发送给报警单元，陀螺仪、旋转角度测量单元和溺水判断单元依次连接。
具体地，所述通讯单元包括通讯线和蓝牙/ZigBee，蓝牙/ZigBee通过UART(异步收发传输器)与MCU连接实现通信，用于向报警器发送报警信息。电源单元为锂电池。报警单元包括强光LED和报警器，强光LED通过GPIO(通用输入/输出口)与MCU连接实现通信，当检测到有婴幼儿发生危险情况时，LED闪烁报警，报警器通过蓝牙/ZigBee与单片机连接，报警器挂在墙上，放在桌上，或使用者随身携带，便于及时发现溺水事故。所述陀螺仪通过IIC(集成电路总线)与MCU连接，用来测量泳圈的运动角速率；水深传感器通过IIC与MCU连接，用于检测游泳圈所处的水深。所述陀螺仪为基于MEMS的陀螺仪，使用3轴、6轴或9轴陀螺仪时，其采用上述处理过程(滤波+四元数转换)得到游泳圈旋转角，使用1轴或2轴陀螺仪时，采用上述处理过程涉及的方法对角速度进行滤波直接得到游泳圈旋转角，无须再做四元数转换。
如图3和4所示，所述基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签通过硅胶带固定在游泳圈上侧或下侧，或通过硅胶带同时固定在游泳圈上侧和下侧，游泳圈上侧的检测标签通过通讯线与下侧的检测标签的通讯线连接，该方式能够防止置于水下的检测标签检测到信号后，难以有效发送到报警器，提高了信号传递的有效性。

Claims (5)

1.一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取某一时间间隔内所佩戴游泳圈旋转角度，通过游泳圈旋转角度变化值，确定是否发生仰翻，若检测到游泳圈旋转角度变化值超过仰翻阈值，认为发生仰翻，进行第(2)步，否则认为没有发生仰翻，进行第(3)步；
(2)获取水深传感器数据，分析游泳圈旋转角度突变时刻对应的水深变化值，若水深变化超过水深阈值，则确认发生游泳圈仰翻导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息；
(3)若游泳圈旋转角度变化值超过空载阈值，且水深变化超过水深阈值，则确认发生从泳圈中间坠入导致的婴幼儿溺水事故，发送报警信息；
其中，仰翻阈值为发生游泳圈仰翻事故时，游泳圈旋转角度变化的经验值；水深阈值为游泳圈空载和负载时，游泳圈深度变化的经验值，该经验值与使用者的体重和游泳圈相关，该值可以在实际使用时直接采集；空载阈值为无负载时，游泳圈旋转角度变化的经验值，该值与游泳圈使用的水环境有关系，可以基于使用的水环境通过试验采集。
2.根据权利要求1所述的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述游泳圈旋转角度具体采用以下步骤获取：
建立陀螺仪的模型：
ωo＝ωt+ωb+ωn (1)
式中，ωo表示陀螺仪的输出值，ωt表示理想的测量值，ωb表示零点漂移，ωn表示测量噪声；
对陀螺仪测量得到的角速度，进行运算，如式(2)所示，可以得到包含有噪声的游泳圈运动角度，
Figure FDA0003068538290000011
式中，
Figure FDA0003068538290000012
表示积分得到的角度，ωo表示陀螺仪的输出值，qbias表示陀螺漂移误差，dt表示采样时间间隔；
采用卡尔曼滤波对陀螺仪测量数据进行滤波，降低漂移误差和测量噪声的影响，
根据式(1)和式(2)，建立如式(3)所示的卡尔曼滤波模型：
Figure FDA0003068538290000021
式中，Xk表示k时刻状态，即为当前时刻需要的运动角度；Φ表示转移矩阵；Xk-1表示k-1时刻状态，即为上一时刻需要的运动角度；B表示输入增益矩阵，即为当前时刻陀螺仪测定的角速度；uk表示系统输入向量，即为采样时间；Wk表示系统噪声，符合均值为0，协方差为Q的正态分布；Zk表示测量余量；H表示测量矩阵；Vk表示测量噪声，符合均值为0，协方差为R的正态分布；
滤波步骤如下所示，
状态预测：
Xk|k-1＝ΦXk-1+Buk (4)
Pk|k-1＝ΦPk-1ΦT+Q (5)
测量更新：
Kk＝Pk|k-1HT/(HPk|k-1HT+R) (6)
Xk＝Xk|k-1+Kk(Zk-HXk|k-1) (7)
Pk＝(I-KkH)Pk|k-1 (8)
式中，Xk|k-1表示一步预测状态；Pk|k-1表示协方差的一步预测；Pk-1表示k-1时刻的均方误差；Pk表示k时刻的协方差；Kk表示k时刻滤波增益；I表示单位矩阵；
通过以上步骤，即可完成对陀螺仪测量数据的滤波，然后即可用于下一步分析，
滤波得到的三个轴的欧拉角
Figure FDA0003068538290000022
分别表示滚动角、俯仰角和偏航角， 然后，通过式(9)所示的欧拉角到四元数的转换得到四元数，
Figure FDA0003068538290000023
式中，w表示四元数的标量部分，(x y z)表示四元数的矢量部分；
根据初始位置的四元数qs，当前位置四元数qc，游泳圈旋转角度按照式(10)求得，
α＝cos-1(qs·qc) (10)。
3.一种基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签，其特征在于，包括陀螺仪、水深传感器、单片机、报警单元和通讯单元，所述陀螺仪与旋转角度测量单元连接，陀螺仪、水深传感器、报警单元和通讯单元均与单片机连接，单片机包括旋转角度测量单元和溺水判断单元，所述旋转角度测量单元将陀螺仪角速度进行滤波处理得到欧拉角，然后将欧拉角转换得到四元数，最后基于四元数计算得到游泳圈的旋转角，所述溺水判断单元根据获取的游泳圈旋转角度和水深变化值，判断是否发生溺水，若检测到游泳圈旋转角度变化值超过仰翻阈值且水深变化超过水深阈值，则确认发生游泳圈仰翻导致的婴幼儿溺水事故，若检测到游泳圈旋转角度变化值不超过仰翻阈值，超过空载阈值，且水深变化超过水深阈值，确认发生从泳圈中间坠入导致的婴幼儿溺水事故，并将溺水信号发送给报警单元，陀螺仪、旋转角度测量单元和溺水判断单元依次连接。
4.根据权利要求3所述的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签，其特征在于，所述通讯单元包括通讯线和蓝牙/ZigBee，蓝牙/ZigBee通过UART与MCU连接实现通信，用于向报警器发送报警信息，报警单元包括强光LED和报警器，强光LED通过GPIO与MCU连接实现通信，当检测到有婴幼儿发生危险情况时，LED闪烁报警，报警器通过蓝牙/ZigBee与单片机连接，所述陀螺仪为基于MEMS的陀螺仪，通过IIC与MCU连接，水深传感器通过IIC与MCU连接。
5.根据权利要求4所述的基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签，其特征在于，所述基于陀螺仪和水深传感器的溺水检测标签通过硅胶带固定在游泳圈上侧或下侧，或通过硅胶带同时固定在游泳圈上侧和下侧，游泳圈上侧的检测标签通过通讯线与下侧的检测标签的通讯线连接。
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