基于MEMS惯性传感器的跌倒检测及其防护系统

摘要

针对我国老龄化社会未富先老的特点，作为社会重要构成人群老年人的健康也将对国家产生巨大影响，而跌倒会严重威胁老年人的身体健康。老年人一旦发生跌倒，将直接危害到生命安全以及加重家庭和社会的负担。因此，研究开发人体跌倒预警及其防护设备对于减少由跌倒带来的损害具有重要意义。
　　系统采用STM32F405RG为主控芯片，MPU9150九轴传感器为MEMS惯性传感器，SIM900A作为GSM/GPRS通讯模块，UM220作为GPS/BD定位模块，通过这几个模块的组合构成了一个跌倒检测下位机节点。我们通过MEMS惯性传感器来采集人体运动数据，结合由多次人体跌倒实验得出的跌倒时加速度、姿态角等特征，经过充分分析比对后得出合理的姿态角和合加速度的阈值。从而系统能够在跌倒发生后人体着地前发出跌倒预警，MCU把GPS模块采集到的跌倒时的地理位置信息提取后加入到短信格式中，在跌倒时通过GSM/GPRS模块发送出去，告知其监护人已经检测到跌倒的发生。此外，在PC端还有能够对下位机传感器传来的运动数据进行显示、分析、处理的上位机人体惯性数据采集监测系统，该监测系统能够实时显示9轴数据的波形曲线，同时具有运动数据的存储和回放功能。
　　在完成了跌倒检测节点的设计后，把节点接上控制舵机部分驱动一个髋关节安全气囊，组成跌到检测及其防护系统。当系统的跌倒检测算法检测到跌倒即将发生时，MCU给舵机发送信号驱动舵机上的刺针刺破气瓶,使得系在人体腰间的气囊快速充气，在人体着地时保护人体髋关节，减少跌倒时地面对人体的冲击。
　　跌倒检测装置的核心在于摔倒的检测算法，摔倒检测算法是需要以大量跌倒实验为基础，通过人体惯性传感器采集跌倒实验中的跌倒数据特征，再对加速度计、陀螺仪原始数据进行原始数据处理，然后使用数字滤波融合算法来举行人体姿态解算。最后，将姿态解算得出的人体合加速度、姿态角数据与分析得出跌倒的合加速度、姿态角的阈值进行对比，从而实现跌倒行为的检测。我们把系统佩戴在腰部进行模拟摔倒实验，在摔倒过程中系统正常工作，摔倒检测的准确度达到98％以上，并且气囊能够在跌倒前充分打开，在跌倒时能够保护人体。

目录

第一章 绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本课题研究目标和结构安排

第二章 系统总体方案设计

2.1系统总体目的

2.2跌倒预警系统框架及各部分功能

2.3设计原则

2.4相关技术背景

第三章 跌倒检测系统硬件电路设计

3.1硬件系统整体设计

3.2 MCU模块硬件设计

3.3惯性传感器硬件设计

3.4 GSM/GPRS模块硬件设计

3.5 GPS/BD定位模块硬件设计

3.6 TF卡存储模块硬件设计

3.7 语音模块硬件设计

3.8 串口转USB模块硬件设计

3.9 充电及稳压模块设计

3.10 本章小结

第四章 跌倒检测系统软件部分设计

4.1 基于九轴惯性传感器人体姿态解算算法研究

4.2 GSM/GPRS模块软件设计

4.3 GPS/BD模块软件设计

4.4 本章小结

第五章 实验分析

5.1 惯性传感器运动数据测试

5.2 跌倒检测实验分析

5.3 本章小结

第六章 总结展望

6.1 本文总结

6.2 研究展望

参考文献

攻读硕士期间的主要研究成果

致谢

声明