基于STM32的跌倒防護(hù)裝置研究
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2．2 加速度計(jì)
加速度計(jì)屬于慣性感測(cè)元件，可測(cè)量物體的加速度。本系統(tǒng)選用亞德諾半導(dǎo)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(shè)計(jì)中加速度傳感器與單片機(jī)STM32F103RBT6采用I2C總線連接方式，測(cè)量范圍+16 g，使用最大分辨率(13位)，數(shù)據(jù)輸出速率100 Hz。初始化主要對(duì)ADXL345的數(shù)據(jù)輸出速率、測(cè)量范圍、分辨率、數(shù)據(jù)的對(duì)齊模式以及中斷觸發(fā)方式進(jìn)行設(shè)置。
2．3 陀螺儀
陀螺儀，是一種用來(lái)感測(cè)與維持方向的裝置。本系統(tǒng)中選用意法半導(dǎo)體公司可以讓用戶自主設(shè)定量程，提供一個(gè)16位數(shù)據(jù)輸出的三軸陀螺儀L3G4200D。本設(shè)計(jì)中L3G4200D使用I2C數(shù)字接口與單片機(jī)STM32F103RBT6相連，量程使用±250 dps，數(shù)據(jù)速率100 Hz，初始化主要對(duì)L304 200D的量程、數(shù)據(jù)速率的進(jìn)行設(shè)置。
2．4 無(wú)線傳輸模塊
系統(tǒng)加入無(wú)線通信模塊，在驗(yàn)證算法時(shí)開(kāi)啟無(wú)線通信，系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中使用Nordic公司電流消耗極低的RF24L01模塊。模塊與STM32單片機(jī)采用SPI方式連接，初始化主要對(duì)通信通道，通信頻率，數(shù)據(jù)寬度和收發(fā)模式進(jìn)行設(shè)置。
3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中是選擇穿戴式傳感器的方法設(shè)計(jì)跌倒探測(cè)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(cè)且舒適度高，因此將裝置佩戴在腰部。下面我們應(yīng)用三軸加速度和角速度信號(hào)對(duì)人體的跌倒檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，并詳細(xì)論述跌倒檢測(cè)算法。
3．1 算法設(shè)計(jì)
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(jì)算加速度幅度反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其值越大說(shuō)明運(yùn)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?yàn)榘l(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(tǒng)使用的加速度閾值判斷法的的核心就是檢測(cè)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(duì)加速度閥值確定進(jìn)行研究。
圖2是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到的人體跌倒過(guò)程中的合加速度曲線。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(shù)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(cè)的算法都是根據(jù)這個(gè)幅值來(lái)判斷。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/192863.htm
但是此幅值來(lái)判斷的跌倒檢測(cè)算法人體已經(jīng)著地，跌倒傷害已經(jīng)產(chǎn)生了，而本系統(tǒng)需要對(duì)人體進(jìn)行保護(hù)，即必須在人體跌倒著地之前進(jìn)行檢測(cè)，因此不符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)找到符合本系統(tǒng)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(shì)直到合加速約為零，且該過(guò)程也明顯區(qū)別于日常動(dòng)作。本系統(tǒng)中把合加速度的閾值設(shè)為0．88 g，當(dāng)合加速度小于0．88 g時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)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(zhuǎn)身等正常動(dòng)作引起的。由于該過(guò)程一直呈下降趨勢(shì)，因此設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)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(yàn)得到的人體跌倒過(guò)程中的合角速度曲線(與圖2同一時(shí)刻)。通過(guò)試驗(yàn)得到當(dāng)合加速度值小于0．88 g至剛好著地的這段過(guò)程時(shí)(圖2中第55至第75個(gè)采樣點(diǎn))，陀螺儀檢測(cè)的角速度卻是增大的。但是實(shí)際觀察多次跌倒的角速度波形，發(fā)現(xiàn)跌倒時(shí)角速度并不是線性增加的，它有時(shí)候也會(huì)減小，但是總體是增加的。根據(jù)M．N．Nyan，F(xiàn)rancis 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(jì)數(shù)的同時(shí)加入角速度做差值且是否變化在10°／s內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)同時(shí)滿足加速度減小和角速度增加并計(jì)數(shù)能明顯減少單一運(yùn)用加速度計(jì)的誤判。
評(píng)論