CN114005246A - 一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法及装置，尤其涉及一种基于调频连续波毫米波雷达的老人浴室跌倒检测方法，该方法包括如下步骤：步骤一、利用侧装和顶装的两个雷达装置实时检测环境中的雷达回波信号，具体的，利用调频连续波毫米波雷达检测模块对检测区域发射射频信号，检测目标和环境反射的各自带有特征的回波信号，进一步由混频器将原始信号和回波信号混频为中频信号，获取到含有目标和浴室环境特征的原始信号数据，将上述测得的数据实时传输到信号处理模块中处理。本发明能够在浴室内不受浴室特殊环境的影响，实时检测老人跌倒的同时避免与老人身体接触，保护个人隐私，提高安全性、检测效率和准确率。
Description
技术领域
本发明涉及浴室智能医养护理装置技术领域，尤其涉及一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法及装置。
背景技术
我国老龄化持续加深、空巢独居老人群体日益扩大,在意外跌倒致死致残率逐年攀升的背景下，身体质量下滑的空巢老年人群体在意外跌倒方面有着更加紧迫的需求，特别是在浴室中跌倒后未及时发现和救助，会对跌倒老人造成难以估量的二次伤害，甚至可致老年人伤残甚至死亡，给家庭和个人都带来负面影响。
当前的老人跌倒检测技术主要有以下几种：1、基于红外传感器的检测装置，其主要特点是通过在浴室内安装红外检测模块，通过检测人体的红外形态判断是否跌倒，若跌倒则发生报警，该技术因为浴室中存在变化的水流以及水蒸气，红外检测噪声较大，准确率低，无法应用在浴室内。2、基于图像的跌倒检测装置，其主要特点是依赖固定的摄像头，采集人体形态的图片，对图片进行姿态检测，判断老人是否跌倒，如果跌倒则进行报警，因为浴室内往往涉及到人的隐私，不适用于浴室中的跌倒。3、基于压力感应的老人跌倒检测设备，其主要特点是依赖部署在地板上嵌有压力传感器的垫子，当人发生跌倒时压力传感器检测到信号，判断是否跌倒，进行跌倒报警。该种设备的缺点：该种方式在实施时需要通电，存在漏电风险。基于受压面积进行检测，只能检测特定位置的跌倒，调整受压面积后，存在较大误报风险。4、基于运动传感器老人跌倒检测装置，其主要特点是通过检测老人是否运动，结合一些后期处理算法，预测老人是否跌倒。该装置和方法准确率较低，只能针对少部分老人有效。5、基于运动加速度的老人跌倒检测装置，其主要特点是检测老人洗澡时的运动加速度进行检测老人是否跌倒，该设备检测跌倒存在的问题有：a只能检测较少特定姿势的跌倒，无法适应不同老人跌倒的情况，b.对跌倒速度有要求，不符合实际老年人实际情况。
因此，如何对老人意外跌倒状况及时检测，让老人得到及时救助，降低伤残率和死亡率，成为养老健康护理需要解决的问题。
为了解决上述问题，本发明提出一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法及装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中“如何对老人意外跌倒状况及时检测，让老人得到及时救助，降低伤残率和死亡率”的缺陷，从而提出一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法及装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法，包括如下步骤：
步骤一、利用雷达装置实时检测环境中的雷达回波信号，具体的，利用侧装和顶装的两个调频连续波毫米波雷达检测模块对检测区域发射射频信号，检测目标和环境反射的各自带有特征的回波信号，进一步由混频器将原始信号和回波信号混频为中频信号，获取到含有目标和浴室环境特征的原始信号数据，将上述测得的数据实时传输到信号处理模块中处理；
步骤二、利用恒虚警算法判断得到的中频信号中是否含有目标，具体的，得到的中频信号会有如下两种状态：状态1：目标信号和环境信号同时存在；状态2：只有环境信号；使用单元平均恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1的情况，才可以继续以下步骤，若为状态2的情况则继续判断中频信号中是否含有目标，其中：
判决门限T可以表示为：
门限系数可以表示为：
步骤三、使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波，具体的，FIR滤波结构中有N个初始系数，FIR滤波器首先按照初始值做滤波：
其次计算误差：e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-WT(n)X(n)；最后更新滤波器的系数：
经过滤波结构处理得到处理好的目标信号传入到通讯模块；
步骤四、通讯模块使用WIFI模块将上述处理分析后的有效数据传输给服务器模块；
步骤五、服务器模块的接收端将接收到的数据做傅里叶变换，将时域信号映射为频域信号并计算出每一个样本点的距离和角度，将侧装雷达得到的距离和仰角根据正切函数换算出目标躯干的高度值，同理将顶装雷达得到的距离和方位角换算出目标肩部的宽度值，再将两组数值在相同的时间轴上积累得到二维谱图，使用训练好的yolo图像处理神经网络模型对二维谱图作特征提取并将两个维度的特征融合，将提取完的特征向量输入到训练好的长短时记忆神经网络(LSTM)中进行时序特征提取，将时序特征输入全连接层与输出层得到分类结果，并给出跌倒信号，且将跌倒信号发送给报警模块；
步骤六、报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报。
一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，包括两个调频连续波毫米波雷达检测模块、信号处理模块、通讯模块、服务器模块、报警模块，两个所述调频连续波毫米波雷达检测模块分别安装在浴室的顶端面和侧壁上，两个所述调频连续波毫米波雷达检测模块用于对移动目标正视面和俯视面两个角度的数据检测。
优选的，所述信号处理模块用于利用恒虚警算法检测目标，并对含有目标的数据使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波。
优选的，所述通讯模块用于利用WIFI模块将所述信号处理模块处理分析后的数据传输给服务器模块。
优选的，所述服务器模块用于利用服务器中判断策略对数据处理并给出跌倒状态，且将跌倒信号发送给报警模块。
优选的，所述报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，所述报警模块用于在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明能够在浴室内不受浴室特殊环境的影响，实时检测老人跌倒的同时避免与老人身体接触，保护个人隐私，提高安全性、检测效率和准确率。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法的流程图；
图2为本发明提出的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置框图；
图3本发明提出的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置中调频连续波毫米波雷达检测模块中两个雷达的安装示意图；
图4为本发明中单元平均恒虚警算法检测流程图；
图5为本发明中LMS滤波结构图；
图6本发明提出的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法中服务器模块工作流程图；
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。
参照图1-6，一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法，包括如下步骤：
步骤一、利用雷达装置实时检测环境中的雷达回波信号，具体的，利用侧装和顶装的两个调频连续波毫米波雷达检测模块对检测区域发射射频信号，检测目标和环境都会反射各自带有特征的回波信号，进一步由混频器将原始信号和回波信号混频为中频信号，获取到含有目标和浴室环境特征的原始信号数据，将上述测得的数据实时传输到信号处理模块中处理；
步骤二、利用恒虚警算法判断得到的中频信号中是否含有目标，具体的，得到的中频信号会有如下两种状态：状态1：目标信号和环境信号同时存在；状态2：只有环境信号；如图4所示(其中：D为被测单元，P为保护单元，Xi为噪音评估单元)，使用单元平均恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1的情况，才可以继续以下步骤，若为状态2的情况则继续判断中频信号中是否含有目标，其中：
判决门限T可以表示为：
门限系数可以表示为：
对恒虚警检测到的含有目标的信号进行帧间差分，具体的使用状态1减掉状态2，对含有目标的中频信号环境无效噪点进行滤除,得到理想状态中没有环境回波的中频信号；
步骤三、使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波，具体的，FIR滤波结构中有N个初始系数，FIR滤波器首先按照初始值做滤波：
其次计算误差：e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-WT(n)X(n)；最后更新滤波器的系数：
经过滤波结构处理得到处理好的目标信号传入到通讯模块；
步骤四、通讯模块使用WIFI模块将上述处理分析后的有效数据传输给服务器模块；
步骤五、如图6所示，服务器模块的接收端将接收到的数据做傅里叶变换，将时域信号映射为频域信号并计算出每一个样本点的距离和角度，将侧装雷达得到的距离和仰角根据正切函数换算出目标躯干的高度值，同理将顶装雷达得到的距离和方位角换算出目标肩部的宽度值，再将两组数值在相同的时间轴上积累得到二维谱图，使用训练好的yolo图像处理神经网络模型对二维谱图作特征提取并将两个维度的特征融合，将提取完的特征向量输入到训练好的长短时记忆神经网络中进行时序特征提取，将时序特征输入全连接层与输出层得到分类结果，并给出跌倒信号，且将跌倒信号发送给报警模块：
步骤六、报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报；
基于上述老人跌倒检测方法本发明还公开了一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，包括调频连续波毫米波雷达检测模块、信号处理模块、通讯模块、服务器模块、报警模块。
其中，调频连续波毫米波雷达检测模块是基于毫米波技术的雷达模块，该模块是包含60Ghz的调频连续波技术(FMCW)的雷达芯片，两个调频连续波毫米波雷达检测模块分别安装在浴室的顶端面和侧壁上，且两个调频连续波毫米波雷达检测模块用于对移动和静止老人的目标数据检测；本发明中频连续波毫米波雷达检测模块选用的是加特兰公司的AIP 4T4R雷达，也完全兼容TI公司的AIP 4T4R雷达，该两款雷达实现了采用天线封装在芯片上技术(AIP)，可以用来获取老人距离雷达的距离、方位和运动速度等，将一个雷达模块侧装到浴室距离地面80厘米高的墙面上，另一个雷达模块顶装在浴室顶，两个雷达的信号发射面要相互交叉呈90度(如图3所示)，然后将雷达测得的实时数据传输到信号处理模块中处理；信号处理模块用于利用恒虚警算法检测目标，并对含有目标的数据使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波；通讯模块用于利用WIFI模块将所述信号处理模块处理分析后的数据传输给服务器模块；服务器模块用于利用服务器中判断策略对数据处理并给出跌倒状态，且将跌倒信号发送给报警模块；报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，报警模块用于在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报。
关于本发明的进一步说明：人在发生跌倒时，在一定时间范围内跌倒过程上会有一个与正常过程不同的短时间变化，比如人体的高度会在几秒内突然降低，加速度会在方向和速度上有剧烈波动变化，因此我们可以测量这些数据，根据这些数据在时间维度上的变化来检测老人是否跌倒，本发明中的调频连续波毫米波雷达检测模块中的两款雷达适合对目标物体的距离速度等信息做精准测量，常作为无人驾驶的重要传感器，为无人驾驶提供精确数据支持，具有安全可靠精确无感等诸多优点，调频连续波毫米波雷达检测模块的一般工作过程是：调频连续波毫米波雷达检测模块的发射端发射射频信号，目标物体反射信号，调频连续波毫米波雷达检测模块接收端接收到反射的回波，由混频器将原始信号和回波信号混频为中频信号，由傅里叶变换将时域信号转换为频域信号，在频率时间坐标轴上，由相似三角形算的射频信号和回波之间的延时，通过电磁波的传播速度可以得到目标的相对距离，运动目标相对于静止目标会产生频率移动，根据多普勒原理和频率移动的距离可以计算出目标移动的速度。根据不同位置天线接收同一目标回波的相位差可以算得目标的角度。在跌倒检测时，调频连续波毫米波雷达可以将目标的相对距离、目标移动的速度和目标的角度数据传输到信号处理模块处理后，再通过通讯模块传输到服务器，由服务器模块的算法模型根据跌倒发生在一段时间划分内人体姿势由站立到倾斜或者平躺的突变变化特点，将该特点映射在雷达数据上，通过这些特征数据进行跌倒状态检测，然后将状态信息发送给报警模块进行跌倒提醒，实现对老人跌倒的及时发现和及时救治。
更重要的是：本发明能够在浴室内检测老人跌倒，实现了在保护个人隐私的同时实现无感监测；使用两个侧装的相互垂直的毫米波雷达可以全面提取人体正面和侧面的数据，使数据更加丰富，保留了更多的状态特征；在信号处理模块预处理中，本发明仅仅处理含有目标的信号，极大的缩小了数据量；实现了对浴室特殊噪音信号的动态消除，极大的提高了数据的有效性；将含有目标的有效数据在服务器模块上处理，与其他在本地单片机上做判断的方法相比，使检测方法摆脱了本地算力资源的限制，可以在服务器模块上部署更加复杂的算法，保证了检测的准确度，降低了虚警概率，提高了检测效率和准确率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、利用雷达装置实时检测环境中的雷达回波信号，具体的，利用侧装和顶装的两个调频连续波毫米波雷达检测模块对检测区域发射射频信号，检测目标和环境反射的各自带有特征的回波信号，进一步由混频器将原始信号和回波信号混频为中频信号，获取到含有目标和浴室环境特征的原始信号数据，将上述测得的数据实时传输到信号处理模块中处理；
步骤二、利用恒虚警算法判断得到的中频信号中是否含有目标，具体的，得到的中频信号会有如下两种状态：状态1：目标信号和环境信号同时存在；状态2：只有环境信号；使用单元平均恒虚警算法判断是否为状态1中的情况，若为状态1的情况，才可以继续以下步骤，若为状态2的情况则继续判断中频信号中是否含有目标，其中：
判决门限T可以表示为：
门限系数可以表示为：
步骤三、使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波，具体的，FIR滤波结构中有N个初始系数，FIR滤波器首先按照初始值做滤波：
其次计算误差：e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-WT(n)X(n)；最后更新滤波器的系数：
经过滤波结构处理得到处理好的目标信号传入到通讯模块；
步骤四、通讯模块使用WIFI模块将上述处理分析后的有效数据传输给服务器模块；
步骤五、服务器模块的接收端将接收到的数据做傅里叶变换，将时域信号映射为频域信号并计算出每一个样本点的距离和角度，将侧装雷达得到的距离和仰角根据正切函数换算出目标躯干的高度值，同理将顶装雷达得到的距离和方位角换算出目标肩部的宽度值，再将两组数值在相同的时间轴上积累得到二维谱图，使用训练好的yolo图像处理神经网络模型对二维谱图作特征提取并将两个维度的特征融合，将提取完的特征向量输入到训练好的长短时记忆神经网络中进行时序特征提取，将时序特征输入全连接层与输出层得到分类结果，并给出跌倒信号，且将跌倒信号发送给报警模块：
步骤六、报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报。
2.实施如权利要求1所述的老人跌倒检测方法的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，包括两个调频连续波毫米波雷达检测模块、信号处理模块、通讯模块、服务器模块、报警模块，其特征在于，两个所述调频连续波毫米波雷达检测模块分别安装在浴室的顶端面和侧壁上，两个所述调频连续波毫米波雷达检测模块用于对移动目标正视面和俯视面两个角度的数据检测。
3.根据权利要求2所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，其特征在于，所述信号处理模块用于利用恒虚警算法检测目标，并对含有目标的数据使用LMS滤波结构对水流、水蒸气噪声做自适应滤波。
4.根据权利要求2所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，其特征在于，所述通讯模块用于利用WIFI模块将所述信号处理模块处理分析后的数据传输给服务器模块。
5.根据权利要求2所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，其特征在于，所述服务器模块用于利用服务器中判断策略对数据处理并给出跌倒状态，且将跌倒信号发送给报警模块。
6.根据权利要求2所述的一种基于调频连续波毫米波雷达的老人跌倒检测装置，其特征在于，所述报警模块包括带有显示功能的电脑终端或移动终端，所述报警模块用于在接收到服务器模块的报警指令后发出跌倒警报。
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