可穿戴实时跌倒检测与保护系统的开发

摘要

跌倒研究受限于实验室精密设备，而现有简单穿戴手环或者手表只能获取简单且低精度的跌倒信息，因此研发可穿戴实时跌倒检测算法，并为老年人提供有效的保护，从而减小老年人因跌倒造成的损害，具有重要的意义和应用价值。 提出了两种跌倒检测算法，卷积神经网络算法和阈值算法，并比较了两种算法的优缺点，在单片机上实现了阈值算法。由于通过加速度积分得到的值存在较大的误差，使用光学捕捉系统对得到的速度和位移进行验证。保护系统原理是通过单片机控制触发机构，打开高压气瓶，使压缩的CO2在极短的时间内充满气囊。考虑到安全性和环保等，设计一个机械式触发机构。创新性地参考秦弩的自锁结构原理，通过舵机的运动来控制悬刀的转动，释放弹性势能，用物理击穿的方式打开气瓶。之后通过对结构的受力分析，从理论上验证该机械结构的可行性。进一步开发可穿戴实时跌倒检测与保护系统以落地算法。系统采用模块化设计，实现人体运动数据的采集、传输、计算，并实时输出控制信号。 使用一个惯性传感器，放置在腰间，在光学捕捉系统和室外进行实验验证，系统的跌倒检测性能和气囊及时触发的性能是良好的，日常行为的误判概率低。该算法的敏感性和特异性分别为96.7％和91.5％，并能在跌倒着地前363±174ms触发，机械式触发结构的平均触发时间为0.27s，满足应用要求。本文创新点:通过滞后滤波拟合趋势，得到速度和位移特征，极大地消除了加速度积分的误差。并在阈值算法中引入位移特征，消除了对慢跑和跳跃等日常行为的误判;设计的机械式触发机构尺寸小，力放大倍数大，易于控制，适合用于保护系统。

目录

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致谢

摘要

1绪论

1．1课题研究背景

1．2国内外研究现状

1．2．1 跌倒检测算法

1．2．2 跌倒保护触发装置

1．2．3 跌倒检测和保护系统

1．3课题研究内容和文章组织结构

2跌倒检测算法开发

2．1引言

2．2跌倒检测算法

2．2．1 数据采集

2．2．2 数据预处理

2．2．3 特征提取

2．3二分类算法

2．3．1 卷积神经网络算法

2．3．2 阈值算法

2．4本章小结

3机械式触发机构开发

3．1引言

3．2触发机构比较

3．2．1 放大机构

3．2．2 电磁阀控制

3．2．3 自锁机构

3．3触发机构结构

3．4触发机构受力分析

3．5触发机构创新点

3．6本章小结

4跌倒保护控制器以及用户接口设计

4．1引言

4．2跌倒保护控制器

4．2．1 跌倒保护控制器总体结构设计

4．2．2 硬件选型

4．3用户接口设计

4．3．1 软件系统功能

4．3．2 下位机程序介绍

4．3．3 上位机程序介绍

4．3．4 安卓Apk

4．4本章小结

5跌倒检测和保护系统实验研究

5．1引言

5．2跌倒算法检测实验

5．2．1 实验方法与流程

5．2．2实验数据分析

5．3保护系统测试

5．4本章小结

6总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

攻读硕士期间参与项目与科研成果