CN114495426A - 一种防摔倒检测与防护系统及方法 - Google Patents

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CN114495426A CN202210295073.2A CN202210295073A CN114495426A CN 114495426 A CN114495426 A CN 114495426A CN 202210295073 A CN202210295073 A CN 202210295073A CN 114495426 A CN114495426 A CN 114495426A
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高诺
郑旭
王延平
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Abstract

本发明提供一种防摔倒检测与防护系统及方法，其中，防摔倒检测与防护系统包括摔倒预警子系统和安全防护子系统；传感器用于采集人体运动信息，人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；处理器用于接收传感器采集的人体运动信息，根据三轴加速度确定出合加速度，若合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；向安全防护子系统发送预警信号，触发安全防护子系统对人体进行安全防护。通过该方式，能够及时准确地检测出人体是否发生摔倒事件并给予及时有效的防护。

Description

一种防摔倒检测与防护系统及方法
技术领域
本发明属于防摔倒检测与防护技术领域，尤其涉及一种防摔倒检测与防护系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，我国人口老龄化现象日益严重，老年人因跌倒而受到意外伤害的情况越来越受到重视。老年人的摔倒问题是当今一个最主要的公共卫生问题，因为老年人摔倒通常会导致致残性的伤害。据有关部门统计：在我国65岁以上老人中，平均每10人就有3至4人发生过跌倒。摔倒最大的影响是引发骨折，主要部位为髋关节、脊椎骨、手腕部等处。其中，髋关节骨折最为严重，也被称为“人生最后一次骨折”，其死亡率高达20％～30％，且致残率高，42％患者不能恢复伤前活动力，35％不能独立行走。目前，国外该类产品研究处于前期阶段，产品较少，国内该项研究处于研发阶段，没有成熟产品。因此，研发制造人工智能防摔装置具有必要性、紧迫性。
检测摔倒是一个需要先解决的问题，目前对于检测摔倒的方法大致分为两类，一种是基于视频分析的摔倒检测方法，另一种是基于传感器模块的检测方法。基于视频分析的摔倒检测系统能够对人体进行动态实时数据处理，实现精确和稳定的判断人体运动姿态传感技术。然而，这种系统有着明显的局限性：很多摔倒事件发生在户外，固定的摄像机位置并不能有效跟踪户外的人体运动信息，也就是说使用者一旦离开监测范围，则无法正常判断摔倒行为，不仅如此，这种系统还有暴露个人隐私的风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种防摔倒检测与防护系统，能够准确直观地检测人体是否发生摔倒事件并给予及时有效防护。
为了实现上述目的，本发明主要包括以下几个方面：
第一方面，本发明实施例提供一种防摔倒检测与防护系统，包括摔倒预警子系统和安全防护子系统；所述摔倒预警子系统包括相互通信连接的传感器和处理器；
所述传感器用于采集人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；
所述处理器用于接收所述传感器采集的人体运动信息，根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在所述合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果所述幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；向所述安全防护子系统发送预警信号，触发所述安全防护子系统对人体进行安全防护。
在一种可能的实施方式中，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
在一种可能的实施方式中，所述处理器还连接有定位模块，用于在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
在一种可能的实施方式中，所述定位模块包括GPS模块和GPRS模块，所述GPS模块用于提供人体在室外活动时的位置信息，所述GPRS模块用于提供人体所佩戴装置的编号、跌倒时的位置和跌倒时间。
在一种可能的实施方式中，所述定位模块还包括WiFi模块，用于在GPS/北斗信号不好而无法提供位置信息时，提供人体的位置信息。
在一种可能的实施方式中，所述安全防护子系统包括触发装置和防护装置；所述触发装置在接收到摔倒预警装置发送的预警信号时，触发所述防护装置对人体进行安全防护。
在一种可能的实施方式中，所述触发装置包括电动舵机、双向凸轮、刺针和气瓶，双向凸轮与电动舵机齿轮内啮合；所述防护装置包括可折叠气囊，可折叠气囊的气管通过气道与气瓶的气瓶口连通。
第二方面，本发明实施例提供一种防摔倒检测与防护方法，包括：
获取人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；
根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在所述合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果所述幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；
向所述安全防护子系统发送预警信号，触发所述安全防护子系统对人体进行安全防护。
在一种可能的实施方式中，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
在一种可能的实施方式中，在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
第三方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述第二方面和第二方面任一种可能的实施方式中所述的防摔倒检测与防护方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行如上述第二方面和第二方面任一种可能的实施方式中所述的防摔倒检测与防护方法的步骤。
本发明的有益效果是：
1、通过三层检测，即根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，在判定所述幅度大于第二预设阈值的情况下，根据三轴角速度确定出合角速度，如果所述合角速度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为，能够将人体真实摔倒与剧烈运动行为准确地区分开，提高摔倒动作检测的准确率，并且计算过程简单，检测速度快。
2、采用机械触发装置，通过电动舵机带动双向凸轮转动，使刺针直线运动刺破气瓶口，释放气体充满可折叠囊体，其安全可靠，且更换气瓶方便，有效降低用户的使用成本。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例所提供的防摔倒检测与防护系统的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的三轴模型结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的防摔倒检测与防护方法流程图；
图4是本发明实施例所提供的防摔倒检测与防护方法的软件设计流程图；
图5是本发明实施例所提供的一种计算机设备的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
请参阅图1，图1是本发明实施例所提供的防摔倒检测与防护系统的结构示意图，如图1中所示，所述防摔倒检测与防护系统包括摔倒预警子系统100和安全防护子系统200；所述摔倒预警子系统100包括相互通信连接的传感器110和处理器120；
所述传感器110用于采集人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；
所述处理器120用于接收所述传感器采集的人体运动信息，根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在所述合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果所述幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；向所述安全防护子系统200发送预警信号，触发所述安全防护子系统200对人体进行安全防护。
在具体实施中，摔倒预警子系统中的传感器实时采集人体运动信息，处理器通过对运动信息进行解析，若判定人体发生摔倒行为时，向安全防护子系统发送预警信号，触发安全防护子系统对人体进行安全防护，其中，人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角。
在实际应用中，传感器采用MPU9250模块，用2.4-3.6V的电压为该模块供电，该传感器较为稳定，将其固定在人体重心位置，可以实时采集三轴加速度、三轴角速度和压力，通过内置多个传感器来获取人体的姿态角。处理器采用STM32F407ZGTx，该处理器可以连接很多不同类型的传感器，且可以通过设置引脚输出高低电平来控制每一个外设的工作情况，可以将暂时不工作的引脚设置为低电平，降低处理器整体功耗，处理器通过三层检测实现对人体是否摔倒做出准确检测，即根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，在判定所述幅度大于第二预设阈值的情况下，根据三轴角速度确定出合角速度，如果所述合角速度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为。
作为一可选实施方式，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
在具体实施中，加速度传感器用于获取人体摔倒前三个轴向的加速度，以及摔倒前后的加速度差值，由于人体发生摔倒后的运动方向是不可预测的，所以建立如图2中所示的三轴加速度模型，以佩戴位置为原点，以水平向左为X轴，垂直向上为Y轴，水平向前为Z轴。第t个时刻点从X，Y，Z三轴得到的加速度依次记为ax(t)、ay(t)、az(t)，合加速度定义为X，Y，Z三轴加速度平方和的平方根，其公式如下：
Figure BDA0003562981880000071
第一层摔倒检测采用阈值分类方法，即通过对合加速度A与第一预设阈值TH1进行摔倒检测，摔倒检测的状态可根据下式获得。
Figure BDA0003562981880000072
若A大于TH1，判定人体处于剧烈运动状态，置f为1；否则，判定人体处于正常状态，置f为0。
角速度传感器可以根据物体的实时运动产生不同的参数值，角速度可以表示人体转动的快慢，也是一个极其重要的物理量。取三轴角速度的模向量即合角速度，其公式如下所示：
Figure BDA0003562981880000073
其中，gx、gy、gz分别为陀螺仪传感器输出的人体X、Y、Z三轴向的角速度，在日常行为中，从跌倒开始到人体与物体发生碰撞的阶段，人体所产生的合角速度数值均大于100deg/s，人体正常活动行为与发生跌倒时的角速度存在明显差异，利用这一特性，当系统检测到人体处于剧烈运动时，通过检测人体角速度是否发生明显变化可以确认是否发生跌倒，从而将跌倒行为与弯腰、跑步、跳跃等剧烈行为区分开。
第二层摔倒检测的状态方程可根据下式获得。
Figure BDA0003562981880000081
若B大于阈值，判断该行为是疑似摔倒行为，置g为1；否则，该行为判断为其他剧烈活动，置B为0。
姿态角作为人体在三维空间中的客观反映，该系统可以通过MPU9250传感器获得人体活动时的姿态角，当人体发生摔倒时其姿态角的变化幅度往往大于正常人体活动时的变化幅度。发生摔倒行为时人体的合姿态角数据会产生剧烈变化，从人体失去平衡时合姿态角便开始明显增加，且其增大的速率也明显提高。直到人体与低势物体接触即发生碰撞，此时的人体合姿态角达到峰值，最终在80-100deg范围内平稳震荡。第三层摔倒检测可由检测到的姿态角变化幅度来判断是否为摔倒行为。
通过上述检测方法，可以将人体摔倒行为与人体正常行为、弯腰、跑步、跳跃等剧烈行为区分开，准确地检测出人体是否发生摔倒，以对摔倒行为进行及时地安全防护。
作为一可选实施方式，所述处理器120还连接有定位模块130，用于在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
在具体实施中，所述定位模块用于提供人体的位置信息，通过上述三层检测方法判定出人体发生摔倒行为之后，生成告警信息并发送给监护人的终端上，远程终端包括手机、电脑、平板等可携带设备，告警信息中包括人体当前的位置信息，这样，监护人能够确定老人摔倒的地点，以采取相应的解决措施。
作为一可选实施方式，所述定位模块130包括GPS模块和GPRS模块，所述GPS模块用于提供人体在室外活动时的位置信息，所述GPRS模块用于提供人体所佩戴装置的编号、跌倒时的位置和跌倒时间。
在具体实施中，利用GPS和北斗定位系统，每隔一定时间对穿戴者实时定位进行更新，其余时间进入低功耗状态，在具体应用中，Air800模块可同时支持GPS和GPRS，在很小的芯片中集成了SIM卡座、GPS天线、GSM天线、供电等外设。Air800模块将GPS/北斗定位模块和GPRS模块集成在一个模块上，可以同时满足定位和GPRS远程通讯功能，开机上电即与服务器连接。
作为一可选实施方式，所述定位模块130还包括WiFi模块，用于在GPS/北斗信号不好而无法提供位置信息时，提供人体的位置信息。
在具体实施中，在室内或者信号相对复杂的场合，GPS和北斗定位系统信号不好时，通过WiFi和基站定位，在具体应用中，WiFi模块使用ATK-ESP8266串口-无线模块，串口和WiFi的转化采用TCP/IP协议，与传统使用串口配置然后通过WiFi传输数据相比，该模块兼容多种单片机系统，所以很方便与其他设备相连接。
作为一可选实施方式，所述安全防护子系统200包括触发装置210和防护装置220；所述触发装置210在接收到摔倒预警装置发送的预警信号时，触发所述防护装置220对人体进行安全防护。触发装置可分为两大类，一类为化学爆破式或热熔式放气装置，另一类为机械触发装置。化学爆破式或热熔式放气装置，具有放气速度快的特点，但其更换气瓶需要返厂，重复使用费用很高，且在安全性和可靠性方面难以保证；机械触发装置相对于前者，放气速度略微延长，但其拥有安全可靠，更换气瓶方便，用户使用成本低等特点。
作为一可选实施方式，所述触发装置210包括电动舵机、双向凸轮、刺针和气瓶，双向凸轮与电动舵机齿轮内啮合；所述防护装置220包括可折叠气囊，可折叠气囊的气管通过气道与气瓶的气瓶口连通。
在具体实施中，在接收到预警信号时，触发所述电动舵机转动，带动所述双向凸轮转动，双向凸轮将电动舵机的转动转化为刺针的直线运动，刺破气瓶的气瓶口，压缩气体通过气道输送到接口，可折叠囊体两端的气管连接到接口，压缩气体迅速充入可折叠囊体中。其中，触发装置可以采用腰带的形式，提高监测数据准确率，根据人体工程学，腰部是人体重心所在，系在腰上又稳定，跟手环手表等设备外观相比，有天然独到的优势。
囊体的长度、宽度增加，可以增加老年人跌倒时防护的面积；充满气厚度增加可以吸收跌倒后地面对人体的冲击；两端同时充气，可以快速将气囊充满，且减少充气过程的噪声。在充满气体后囊体内压力相同时，可以对跌倒后的老年人提供全面的髋部防护。
实施例二
请参阅图3，图3是本发明实施例所提供的防摔倒检测与防护方法流程图，如图3中所示，本发明实施例还提供一种防摔倒检测与防护方法，包括以下步骤：
S101：获取人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角。
S102：根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，在判定所述幅度大于第二预设阈值的情况下，根据三轴角速度确定出合角速度，如果所述合角速度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为。
S103：向所述安全防护子系统发送预警信号，触发所述安全防护子系统对人体进行安全防护。
作为一可选实施方式，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
作为一可选实施方式，在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
在具体实施中，基于上述的防摔倒检测与防护系统，在系统开始工作之后，用户穿戴好防摔倒装置，传感器开始采集加速度、角速度、姿态角，然后启动摔倒预警子系统，摔倒预警检测算法可分为以下步骤：通过比较人体的合加速度与静止状态时的合加速度阈值，来判断当前状态是否为静止。当检测出人体为非静止状态时，将合加速度与运动状态阈值进行对比，当超过设定的阈值时可认为人体当前处于剧烈运动状态，反之属于正常行为。当检测出人体当前处于剧烈运动状态时，通过检测到的合角速度与正常活动时合角速度对比，若出现较大差异则可以判断为疑似摔倒行为，最后若检测到的姿态角发生剧烈变化时，可判断人体发生摔倒。然后向安全防护子系统发送预警信号，启动摔倒保护，软件设计流程图如图4中所示。
本申请提供一种防摔倒检测与防护方法，通过三层检测，即根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，在判定所述幅度大于第二预设阈值的情况下，根据三轴角速度确定出合角速度，如果所述合角速度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为，能够将人体真实摔倒与剧烈运动行为准确地区分开，提高摔倒动作检测的准确率，并且计算过程简单，检测速度快。
实施例三
请参阅图5，图5是本发明实施例的一种计算机设备的示意图。如图5中所示，所述计算机设备500包括处理器510、存储器520和总线530。
所述存储器520存储有所述处理器510可执行的机器可读指令，当计算机设备500运行时，所述处理器510与所述存储器520之间通过总线530通信，所述机器可读指令被所述处理器510执行时，可以执行如上述图3和图4所示方法实施例中的防摔倒检测与防护方法的步骤，具体实现方式可参见方法实施例，在此不再赘述。
实施例四
基于同一申请构思，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中所述的一种用户缴费行为分类方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防摔倒检测与防护系统，其特征在于，包括摔倒预警子系统和安全防护子系统；所述摔倒预警子系统包括相互通信连接的传感器和处理器；
所述传感器用于采集人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；
所述处理器用于接收所述传感器采集的人体运动信息，根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在所述合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果所述幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；向所述安全防护子系统发送预警信号，触发所述安全防护子系统对人体进行安全防护。
2.如权利要求1所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
3.如权利要求1所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述处理器还连接有定位模块，用于在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
4.如权利要求3所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述定位模块包括GPS模块和GPRS模块，所述GPS模块用于提供人体在室外活动时的位置信息，所述GPRS模块用于提供人体所佩戴装置的编号、跌倒时的位置和跌倒时间。
5.如权利要求4所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述定位模块还包括WiFi模块，用于在GPS/北斗信号不好而无法提供位置信息时，提供人体的位置信息。
6.如权利要求1所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述安全防护子系统包括触发装置和防护装置；所述触发装置在接收到摔倒预警装置发送的预警信号时，触发所述防护装置对人体进行安全防护。
7.如权利要求6所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述触发装置包括电动舵机、双向凸轮、刺针和气瓶，双向凸轮与电动舵机齿轮内啮合；所述防护装置包括可折叠气囊，可折叠气囊的气管通过气道与气瓶的气瓶口连通。
8.一种防摔倒检测与防护方法，其特征在于，包括：
获取人体运动信息，所述人体运动信息包括三轴加速度、三轴角速度和姿态角；
根据三轴加速度确定出合加速度，若所述合加速度大于第一预设阈值，则根据三轴角速度确定出合角速度，在所述合角速度大于第二预设阈值的情况下，获取姿态角在预设时间段内变化的幅度，如果所述幅度大于第三预设阈值，判定人体发生摔倒行为；
向所述安全防护子系统发送预警信号，触发所述安全防护子系统对人体进行安全防护。
9.如权利要求8所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，所述合加速度是由三轴加速度的平方和，并对其开平方根得到的；或者，所述合角速度是求取三轴角速度向量的合向量，将所述合向量的模确定为合角速度。
10.如权利要求8所述的防摔倒检测与防护系统，其特征在于，在判定人体发生摔倒行为之后，获取人体的位置信息，生成包括所述位置信息的告警信息，并将所述告警信息发送至远程终端。
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