基于STM32的跌倒防護裝置研究
加入技術(shù)交流群
2．2 加速度計
加速度計屬于慣性感測元件，可測量物體的加速度。本系統選用亞德諾半導體公司的一款小而薄的超低功耗三軸加速度傳感器ADXL345本設計中加速度傳感器與單片機STM32F103RBT6采用I2C總線(xiàn)連接方式，測量范圍+16 g，使用最大分辨率(13位)，數據輸出速率100 Hz。初始化主要對ADXL345的數據輸出速率、測量范圍、分辨率、數據的對齊模式以及中斷觸發(fā)方式進(jìn)行設置。
2．3 陀螺儀
陀螺儀，是一種用來(lái)感測與維持方向的裝置。本系統中選用意法半導體公司可以讓用戶(hù)自主設定量程，提供一個(gè)16位數據輸出的三軸陀螺儀L3G4200D。本設計中L3G4200D使用I2C數字接口與單片機STM32F103RBT6相連，量程使用±250 dps，數據速率100 Hz，初始化主要對L304 200D的量程、數據速率的進(jìn)行設置。
2．4 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊
系統加入無(wú)線(xiàn)通信模塊，在驗證算法時(shí)開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)通信，系統實(shí)時(shí)處理采集到的傳感器數據，并將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送至上位機進(jìn)行處理。本系統中使用Nordic公司電流消耗極低的RF24L01模塊。模塊與STM32單片機采用SPI方式連接，初始化主要對通信通道，通信頻率，數據寬度和收發(fā)模式進(jìn)行設置。
3 軟件設計
本系統中是選擇穿戴式傳感器的方法設計跌倒探測器。由于腰部活動(dòng)范圍和頻率都較小，一般都保持豎直位置，有利于檢測且舒適度高，因此將裝置佩戴在腰部。下面我們應用三軸加速度和角速度信號對人體的跌倒檢測技術(shù)進(jìn)行研究，并詳細論述跌倒檢測算法。
3．1 算法設計
人體加速度向量幅值SVM判斷法是研究人體跌倒的常見(jiàn)方法。SVM通過(guò)計算加速度幅度反應人體運動(dòng)的劇烈程度，其值越大說(shuō)明運動(dòng)越劇烈，其定義如式(1)。
式中，αx、αy、αz分別為加速度傳感器的X、Y、Z三軸輸出，單位為g。
采用該特征值的優(yōu)點(diǎn)在于其將空間的加速度合為一矢量，在跌倒判斷中忽略跌倒的方向。因為發(fā)生跌倒時(shí)，無(wú)論朝哪個(gè)方向，SVM都會(huì )超過(guò)某一闞值。而本系統使用的加速度閾值判斷法的的核心就是檢測人體的SVM的大小，從而判斷加速度是否超過(guò)正常范圍。下面對加速度閥值確定進(jìn)行研究。
圖2是經(jīng)過(guò)試驗得到的人體跌倒過(guò)程中的合加速度曲線(xiàn)。在跌倒過(guò)程中產(chǎn)生2個(gè)極值分別是圖2中第75個(gè)采樣點(diǎn)和第85個(gè)采樣點(diǎn)。第85個(gè)采樣點(diǎn)合加速度約為5．3g，這是由于人體跌倒時(shí)與地面碰撞產(chǎn)生的加速度，其幅值要比絕大多數日?；顒?dòng)產(chǎn)生的加速度幅值都要大，因此，許多人體跌倒檢測的算法都是根據這個(gè)幅值來(lái)判斷。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/192863.htm
但是此幅值來(lái)判斷的跌倒檢測算法人體已經(jīng)著(zhù)地，跌倒傷害已經(jīng)產(chǎn)生了，而本系統需要對人體進(jìn)行保護，即必須在人體跌倒著(zhù)地之前進(jìn)行檢測，因此不符合本系統的設計要求。經(jīng)過(guò)多次試驗找到符合本系統要求的過(guò)程(圖2中從第50到第75個(gè)采樣點(diǎn)左右)，該過(guò)程一直呈下降趨勢直到合加速約為零，且該過(guò)程也明顯區別于日常動(dòng)作。本系統中把合加速度的閾值設為0．88 g，當合加速度小于0．88 g時(shí)，系統進(jìn)入預警狀態(tài)，初步判定有可能發(fā)生跌倒，但是也有可能是突然站起或轉身等正常動(dòng)作引起的。由于該過(guò)程一直呈下降趨勢，因此設計中將本次加速度的值與上一次的加速度值做差如果差值小于零計數，當計數值達到一定值的時(shí)候就可以判斷人體發(fā)生跌倒。
圖3是經(jīng)過(guò)試驗得到的人體跌倒過(guò)程中的合角速度曲線(xiàn)(與圖2同一時(shí)刻)。通過(guò)試驗得到當合加速度值小于0．88 g至剛好著(zhù)地的這段過(guò)程時(shí)(圖2中第55至第75個(gè)采樣點(diǎn))，陀螺儀檢測的角速度卻是增大的。但是實(shí)際觀(guān)察多次跌倒的角速度波形，發(fā)現跌倒時(shí)角速度并不是線(xiàn)性增加的，它有時(shí)候也會(huì )減小，但是總體是增加的。根據M．N．Nyan，Francis E．H．Tay，E．Murugasu等人的研究，在這一時(shí)段角速度的變化很小只有10°／s。于是在算法判斷加速度減少并計數的同時(shí)加入角速度做差值且是否變化在10°／s內。實(shí)驗中我們發(fā)現通過(guò)同時(shí)滿(mǎn)足加速度減小和角速度增加并計數能明顯減少單一運用加速度計的誤判。
評論