CN112790759A - 一种易用的人体动作检测模块 - Google Patents
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Abstract
本发明属于运动检测技术领域，具体为一种易用的人体动作检测模块，包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和单片机，所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪与单片机通过SPI接口连接。该人体动作检测模块应用于计步、跳跃和摔倒等状态检测。本发明结构简单，占用空间小，成本低，且方便与其他智能设备集成；通过自动识别其具有计步、跳跃和摔倒等状态检测的功能，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及运动检测技术领域，具体为一种易用的人体动作检测模块。
背景技术
移动侦测，英文翻译为“Motion detection technology”，一般也叫运动检测，常用于无人值守监控录像和自动报警。通过摄像头按照不同帧率采集得到的图像会被CPU按照一定算法进行计算和比较，当画面有变化时，如有人走过，镜头被移动，计算比较结果得出的数字会超过阈值并指示系统能自动作出相应的处理。
尤其适用于老人和小孩的监测，老人和小孩腿脚不便，容易出现摔倒的情况，现有的方式通常为采用穿戴式设备进行监控，这样不容易设备与其他智能设备建立连接，监控不及时，且对于各种运动状态难以区分，容易出现检测结果差别大的情况。为此，需要设计相应的技术方案给予解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种易用的人体动作检测模块，解决了现有技术中提出的现有方式通常为采用穿戴式设备进行监控，这样不容易设备与其他智能设备建立连接，监控不及时，且对于各种运动状态难以区分，容易出现检测结果差别大的情况的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种易用的人体动作检测模块，包括三轴加速度传感器、单片机和三轴陀螺仪，所述三轴加速度传感器、三轴陀螺仪与单片机通过SPI接口连接，该人体动作检测模块应用于计步、跳跃和摔倒状态检测。
优选的，该人体动作检测模块应用于计步状态检测时，用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反，水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加，以此作为判定计步数量依据。
优选的，该人体动作检测模块应用于跳跃状态检测时，在跳跃时，人体向上或者向侧向跳动，有纵向方向的加速度变化和水平方向上的加速度变化，其运动轨迹为上抛式抛物线状态。
优选的，该人体动作检测模块应用于摔倒状态检测时，在跌倒的开始都会发生一定的失重现象，在自由落体的下降过程，这个现象会更加明显，加速度的矢量和会降低到接近0g，持续时间与自由落体的高度有关，对于一般的跌倒，合加速度应大于1g，作为跌倒状态的第一个判断依据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)通过三轴加速度传感器、单片机、调制电路的组合设计，使得模块结构简单，占用空间小，成本低，且方便与其他智能设备建立连接；
(2)通过设定和改进，使模块能够对计步、跳跃和摔倒状态检测，适用检测状态的范围较广。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的系统逻辑框图。
图中：1装载盒、2供电导线、3PCB板、4三轴加速度传感器、5单片机、6调制电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例：
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种易用的人体动作检测模块，包括三轴加速度传感器2、单片机1和三轴陀螺仪3，所述三轴加速度传感器2、三轴陀螺仪3与单片机1通过SPI接口连接，该人体动作检测模块应用于计步、跳跃和摔倒状态检测。
进一步地，该人体动作检测模块应用于计步状态检测时，用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反，水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加，以此作为判定计步数量依据。
三轴加速度传感器2、三轴陀螺仪3相结合(x，y，z轴代表方向)，用以检测人步行中三个方向的加速度、角速度变化。用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反。水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加。
在步行运动中，垂直和前进产生的加速度与时间大致为一个正弦曲线，而且在某点有一个峰值。其中，垂直方向的加速度变化最大，通过对轨迹的峰值进行检测计算和加速度阀值决策，即可实时计算用户运动的步数，还可依此进一步估算用户步行距离。
因为用户在运动中可能用手平持设备，或者将设备置于口袋中。所以，设备的放置方向不定。为此，通过计算三个加速度的矢量长度，我们可以获得一条步行运动的正弦曲线轨迹。
第二步是峰值检测，我们记录了上次矢量长度和运动方向，通过矢量长度的变化，可以判断目前加速度的方向，并和上一次保存的加速度方向进行比较。如果是相反的，即是刚过峰值状态，则进入计步逻辑进行计步，否则舍弃。通过对峰值的次数累加，可得到用户步行的步伐。
最后，就是去干扰。手持设备会有一些低幅度和快速的抽动状态，或是我们俗称的手抖，或者某个恶作剧用户想通过短时快速反复摇动设备来模拟人走路，这些干扰数据如果不剔除，会影响记步的准确值，对于这种干扰，我们可以通过给检测加上阀值和步频判断来过滤。
人体最快的跑步频率为5HZ，也就是说相邻两步的时间间隔的至少大于0.2秒，我们设置了timespan在记步过程中我们过滤了高频噪声，即步频过快的情况。同时通过和上次加速度大小进行比较，设置设立一定的阀值Threshold来判断运动是否属于有效，有效运动才可进行记步。
进一步地，该人体动作检测模块应用于跳跃状态检测时，在跳跃时，人体向上或者向侧向跳动，有纵向方向的加速度变化和水平方向上的加速度变化，其运动轨迹为上抛式抛物线状态。
进一步地，该人体动作检测模块应用于摔倒状态检测时，在跌倒的开始都会发生一定的失重现象，在自由落体的下降过程，这个现象会更加明显，加速度的矢量和会降低到接近0g，持续时间与自由落体的高度有关，对于一般的跌倒，合加速度应大于1g，作为跌倒状态的第一个判断依据。
将三轴加速度传感器2、三轴陀螺仪3的三个坐标分别与人体坐标相对应，x轴代表人体左右方向加速度、角速度变化，y轴代表人体前后方向的加速度、角速度变化，z轴代表人体垂直方向的加速度、角速度变化。当人在站立或行走状态时，z轴的加速度接近g，x轴和y轴加速度接近0。当人体的摔倒过程中，三个轴的加速度及其矢量和会发生变化，通过设定一定的阈值，判断三个轴向的加速度变化，判断老人是否摔倒。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明；因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种易用的人体动作检测模块，其特征在于，包括三轴加速度传感器(2)、单片机(1)和三轴陀螺仪(3)，所述三轴加速度传感器(2)、三轴陀螺仪(3)与单片机(1)通过SPI接口连接，该人体动作检测模块应用于计步、跳跃和摔倒状态检测。
2.根据权利要求1所述的一种易用的人体动作检测模块，其特征在于：该人体动作检测模块应用于计步状态检测时，用户在水平步行运动中，垂直和前进两个加速度会呈现周期性变化，在步行收脚的动作中，由于重心向上单只脚触地，垂直方向加速度是呈正向增加的趋势，之后继续向前，重心下移两脚触底，加速度相反，水平加速度在收脚时减小，在迈步时增加，以此作为判定计步数量依据。
3.根据权利要求1所述的一种易用的人体动作检测模块，其特征在于：该人体动作检测模块应用于跳跃状态检测时，在跳跃时，人体向上或者向侧向跳动，有纵向方向的加速度变化和水平方向上的加速度变化，其运动轨迹为上抛式抛物线状态。
4.根据权利要求1所述的一种易用的人体动作检测模块，其特征在于：该人体动作检测模块应用于摔倒状态检测时，在跌倒的开始都会发生一定的失重现象，在自由落体的下降过程，这个现象会更加明显，加速度的矢量和会降低到接近0g，持续时间与自由落体的高度有关，对于一般的跌倒，合加速度应大于1g，作为跌倒状态的第一个判断依据。
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