基于惯性传感器的跌倒防护气囊系统的研究

摘要

随着我国进入人口结构老龄化阶段，老年人的身体健康已成为影响社会发展的一大因素。据卫生部统计，跌倒已经成为导致我国居民伤害死亡的第四大因素，其中最严重的是由跌倒引起的髋关节的损伤，并且老年人跌倒死亡率也随年龄的增加而急剧上升。跌倒严重时可直接导致老年人死亡，轻者也可能导致其身体残疾，同时也会影响其身心健康。在这种背景下，研究和开发出一种可以有效保护老年人身体不受跌倒损伤的安全气囊系统是很有必要的。本文的主要工作如下所示：
　　1．对现有的跌倒检测算法进行研究，确定了使用惯性传感器来进行老人跌倒防护气囊系统的跌倒检测部分的设计，并对惯性传感器进行了研究，确定了适合安全气囊的跌倒检测算法。
　　2．使用一款商用的惯性传感组件Xsens进行了跌倒实验设计，分别采集了人体右小腿，右大腿，腰部和胸部四个部位8个不同动作的惯性数据，并通过Matlab进行处理和分析，找出了惯性传感器的人体最佳穿戴部位是腰部，并找出了可以区分跌倒和人体正常动作的相关参数为合成加速度、合成角速度和人体姿态角。最后确定其合成加速度的阈值是5m/s/s、合成角速度的阈值为30deg/s,人体的角度阈值为20deg。
　　3．本系统采用集成了三轴加速度计，三轴陀螺仪和三轴磁强计的惯性传感芯片MPU9150作为人体惯性数据采集的核心芯片；采用MSP430F2418PM单片机作为数据处理和舵机驱动的主控芯片；采用TR213舵机控制气瓶对气囊进行充气。使用Altium Designer进行了硬件电路图和PCB的设计和绘制，使用IAR软件进行了单片机程序的设计。
　　4．印制电路板，搭建系统，首先对各个模块进行测试，保证各个模块的正常工作。之后利用假人进行了跌倒实验，证明了此跌倒防护气囊系统的可行性。
　　5．最后给出了本文的总结，并展望了未来基于惯性传感器的穿戴式跌倒防护气囊系统的发展。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 项目研究背景和意义

1.3 国内外研究现状

1.4 主要工作及论文各章节的安排

1.5 本章小结

第2章 基于惯性传感器的跌倒检测方法研究

2.1 人体活动模式

2.2 MEMS惯性传感器及其组合定姿的研究

2.3 现有跌倒检测方法的比较分析

2.4 本系统采用跌倒检测方法设计

2.5 本章小结

第3章 跌倒实验设计及相关数据分析

3.1 跌倒实验设计

3.2 实验数据分析

3.3 跌倒判断阈值的选择

3.4 本章小结

第4章 安全气囊系统的设计

4.1 系统整体设计方案

4.2 系统各部分硬件电路设计

4.3 程序总体结构

4. 4 安全气囊其他部分的设计

4.5 本章小结

第5章 系统的测试

5.1 传感器测试

5.2 整体测试

5.3 本章小结

第6章 总结

6.1 总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献