一种智能跌倒监护T恤及其跌倒检测算法制造技术

本发明专利技术公开了一种智能跌倒监护T恤及其跌倒检测算法，其属于智能可穿戴设备领域，智能跌倒监护T恤包括T恤本体、设置在T恤本体上的气囊、用于给气囊充气的充气泵、设置在T恤本体上的倾倒监测传感器、微处理器和驱动单元；充气泵的充气口接入气囊，倾倒监测传感器的输出端接入微处理器的输入端，微处理器的输出端接入驱动单元的输入端，驱动单元的输出端接充气泵的电源控制端；本智能跌倒监护T恤穿戴方便轻便、监测及时准确、能提供全面应急保护；跌倒检测算法能准确判断出用户的倾斜程度是否达到跌倒状态，利用倾倒监测传感器实现对倾斜时加速度数据和转动角度数据的采集，通过计算和对比，能够有效排除正常倾斜和移动的情况，避免误操作。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种智能跌倒监护T恤及其跌倒检测算法，属于智能可穿戴设备领域。
技术介绍
目前市场上流行的主要是摔倒检测设备及摔倒报警系统，只是用于摔倒后的报警及紧急救助功能，远远不能预防或阻止摔倒带来的严重伤害。现有的智能手环、手表等穿戴设备主要用于健康管理，如监测睡眠、运动和心率变化等，也不能用于摔倒监测及防护。因此，对于行走困难的病人或老年人，急需一种可预见跌倒的可能性并及时提供有效保护的装置。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供了一种穿戴方便、穿着轻便、监测及时准确、能提供全面应急保护的智能跌倒监护T恤及其跌倒检测算法。本专利技术采用如下技术方案：一种智能跌倒监护T恤，其包括T恤本体、设置在T恤本体上的气囊、设置在T恤本体上用于给气囊充气的充气泵、设置在T恤本体上的倾倒监测传感器、微处理器和驱动单元；所述充气泵的充气口接入气囊，所述倾倒监测传感器的输出端接入微处理器的输入端，所述微处理器的输出端接入驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端接充气泵的电源控制端。进一步的，所述充气泵设置在T恤本体的腹部或腰两侧，以便穿着者坐卧休息时不被硌到，确保穿着者的舒适和充气泵的安全。进一步的，所述充气泵通过导气管接入所述气囊，所述导气管设置在穿着者身体两侧，避免坐卧时被压迫影响充气。进一步的，所述气囊包括头部气囊、颈部气囊、肩部气囊、臂部气囊、腰部气囊和臀部气囊中的一种或多种。所述头部气囊、颈部气囊、肩部气囊、臂部气囊、腰部气囊和臀部气囊之间相互独立或任意几种之间相互连通。进一步的，所述倾倒监测传感器包括三轴加速度传感器和陀螺仪传感器，所述三轴加速度传感器和陀螺仪传感器的输出端接入所述微处理器的输入端，所述三轴加速度传感器和陀螺仪传感器均设置在T恤本体上。进一步的，本智能跌倒监护T恤还包括设置在T恤本体上的心率传感器，所述心率传感器的输出端接入所述微处理器的输入端；所述心率传感器设置在T恤本体的前胸处心脏部位。进一步的，本智能跌倒监护T恤还包括设置在T恤本体上的摄像头，所述摄像头的输出端接入所述驱动单元的视频接口，所述摄像头设置在T恤本体的前胸处。进一步的，本智能跌倒监护T恤还包括设置在T恤本体上的通话装置，所述通话装置和所述驱动单元的音频接口双向连接，所述通话装置设置在T恤本体的衣领处。进一步的，本智能跌倒监护T恤还包括设置在T恤本体上的GPS定位和GSM通信模块，所述GPS定位和GSM通信模块和所述微处理器的信号端双向连接，所述GPS定位和GSM通信模块可以设置在T恤本体的前面或后面，优选将GPS定位和GSM通信模块放置在T恤本体的前面。进一步的，所述GPS定位和GSM通信模块的型号为SIM908。进一步的，所述心率传感器为蓝牙心率传感器，其型号为HKX-08L。进一步的，所述通话装置包括耳机与话筒。进一步的，所述三轴加速度传感器的型号为ADXL345，所述陀螺仪传感器的型号为ENC-03RD。进一步的，所述驱动单元包括用于充气泵的驱动芯片、用于通话装置的音频驱动芯片和用于摄像头的驱动芯片；所述用于充气泵的驱动芯片的型号为LV8731，所述用于通话装置的音频驱动芯片的型号为CS42L52，所述用于摄像头的驱动芯片的型号为ANX7150ANX7150L/F。一种用于所述智能跌倒监护T恤的跌倒检测算法，其包括如下步骤：步骤一：采集三轴加速度传感器数据(t,Ax,Ay,Az)和陀螺仪传感器的数据(t,θx,θy,θz)；其中t是从微处理器中读取的当前日期和时间；Ax、Ay、Az分别是加速度传感器测量的沿三轴X、Y、Z方向的加速度值；θx、θy、θz分别是陀螺仪传感器测量的沿三轴X、Y、Z方向的转动角度；步骤二：提取步骤一中的特征值，即(t、△A、△θ)；其中△A是三维加速度值的改变量，计算方法如公式(1)所示；所述△θ是三维倾斜角度的改变量，计算方法如公式(2)所示：步骤三：利用预先训练好的加速度改变摔倒模型Ma和角速度改变摔倒模型Mθ实时预测当前观察样本的特征值△A和△θ是否有摔倒的倾向；其中，所述加速度改变摔倒模型Ma包括向前跌倒△aF、向后跌倒△aB、向左跌倒△aL和向右跌倒△aR的学习样本，其公式(3)如下：公式(3)中，ωi是一组加权系数；k是一个反应每一时刻的加速度变化△aF(i)，△aB(i)，△aL(i)，△aR(i)与身体姿势posture(i)之间关系的函数；所述角速度改变摔倒模型Mθ包括向前跌倒△θF、向后跌倒△θB、向左跌倒△θL和向右跌倒△θR的学习样本，其公式(4)如下：公式(4)中，ωi是一组加权系数；k是一个反应每一时刻的角速度变化△θF(i)，△θB(i)，△θL(i)，△θR(i)与身体姿势posture(i)之间关系的函数；其中，加权系数ωi和函数k需要在模型训练阶段用机器学习算法自动学习出相应的确定值；训练好的所述加速度改变摔倒模型Ma和角速度改变摔倒模型Mθ，分别预测与当前时刻的特征值△A(t)和△θ(t)对应的身体姿势，如公式(5)和公式(6)所示：所述身体姿势包括前跌、后跌、左跌、右跌、站立、坐姿、走和跑；步骤四：若当前观察样本的特征值△A(t)和△θ(t)被加速度改变摔倒模型Ma或角速度改变摔倒模型Mθ预测的身体姿势为前跌、后跌、左跌或右跌当中的任意一个姿势，则此时所述气囊瞬间充气防止摔倒或防止摔伤；若当前观察样本的特征值△A(t)和△θ(t)被加速度改变摔倒模型Ma或角速度改变摔倒模型Mθ预测的身体姿势为站立、坐姿、走或跑，则此时所述气囊不打开。进一步的，还有步骤五：经过步骤三～步骤四的判断，若用户身体姿势没有前跌、后跌、左跌、或右跌状态，通过所述心率传感器判断用户的心率是否正常，若不正常说明用户身体状况不好，通过该T恤本体上的通话装置立即求助或通过T恤本体上的GPS定位和GSM通信模块发送心率不正常的求助信息，GSM通信模块能发送报警地址及类别的短信息。本专利技术的有益效果如下：本专利技术通过设置在T恤本体上的气囊可以自由充气或排气，且气囊包括头部气囊、颈部气囊、肩部气囊、臂部气囊、腰部气囊和/或臀部气囊中的一种或多种，能够为用户全方位的安全保护；各个气囊可自由排气，排出空气后可以折叠，方便携带且重量轻；各个气囊之间相互独立的设计，可以将空气泄漏造成的影响限制在最小限度；通过倾倒监测传感器及时发现倾斜状态并判断，及时触发充气泵使气囊充气保护用户不受损伤，并能激发相应的配套救护装置，例如通话装置、摄像头、定位模块辅助救助；本专利技术中的跌倒检测算法能准确判断出用户的倾斜程度是否达到跌倒状态，利用三轴加速度传感器和陀螺仪传感器分别实现对倾斜时加速度数据和转动角度数据的采集，通过计算和对比，能够有效排除正常倾斜和移动的情况，避免误操作。附图说明图1为本专利技术中智能跌倒监护T恤在充气时正面结构示意图。图2为本专利技术中智能跌倒监护T恤在充气时背面结构示意图。图3为本专利技术中智能跌倒监护T恤的控制原理图。图4为本专利技术中跌倒检测算法的工作流程图。图5为本专利技术中智能跌倒监护T恤在未充气时正面结构示意图。其中，1气囊、1-1头部气囊、1-2颈部气囊、1-3肩部气囊、1-4臂部气囊、1-5腰部气囊、1-6臀部气囊、2T恤本体、3心率传感器、4三轴加速度传感器、5摄像头、6陀螺仪传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其包括T恤本体(2)、设置在T恤本体(2)上的气囊(1)、设置在T恤本体(2)上用于给气囊(1)充气的充气泵(9)、设置在T恤本体(2)上的倾倒监测传感器、微处理器和驱动单元；所述充气泵(9)的充气口接入气囊(1)，所述倾倒监测传感器的输出端接入微处理器的输入端，所述微处理器的输出端接入驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端接充气泵(9)的电源控制端。

【技术特征摘要】
1.一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其包括T恤本体(2)、设置在T恤本体(2)上的气囊(1)、设置在T恤本体(2)上用于给气囊(1)充气的充气泵(9)、设置在T恤本体(2)上的倾倒监测传感器、微处理器和驱动单元；所述充气泵(9)的充气口接入气囊(1)，所述倾倒监测传感器的输出端接入微处理器的输入端，所述微处理器的输出端接入驱动单元的输入端，所述驱动单元的输出端接充气泵(9)的电源控制端。2.根据权利要求1所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：所述气囊(1)包括头部气囊(1-1)、颈部气囊(1-2)、肩部气囊(1-3)、臂部气囊(1-4)、腰部气囊(1-5)和臀部气囊(1-6)中的一种或多种。3.根据权利要求2所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：所述头部气囊(1-1)、颈部气囊(1-2)、肩部气囊(1-3)、臂部气囊(1-4)、腰部气囊(1-5)和臀部气囊(1-6)之间相互独立或任意几种之间相互连通。4.根据权利要求1所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：所述倾倒监测传感器包括三轴加速度传感器(4)和陀螺仪传感器(6)，所述三轴加速度传感器(4)和陀螺仪传感器(6)的输出端接入所述微处理器的输入端。5.根据权利要求1或4所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其还包括设置在T恤本体(2)上的心率传感器(3)，所述心率传感器(3)的输出端接入所述微处理器的输入端，所述心率传感器(3)设置在T恤本体(2)的前胸处。6.根据权利要求5所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其还包括设置在T恤本体(2)上的摄像头(5)，所述摄像头(5)的输出端接入所述驱动单元的视频接口。7.根据权利要求5所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其还包括设置在T恤本体(2)上的通话装置(8)，所述通话装置(8)和所述驱动单元的音频接口双向连接。8.根据权利要求5所述的一种智能跌倒监护T恤，其特征在于：其还包括设置在T恤本体(2)上的GPS定位和GSM通信模块(7)，所述GPS定位和GSM通信模块(7)和所述微处理器的信号端双向连接。9.一种根据权利要求4所述的智能跌倒监护T恤的跌倒检测算法，其特征在于：其包括如下步骤：步骤一：采集三轴加速度传感器(4)数据(t,Ax,Ay,Az)和陀螺仪传感器(6)的数据(t,θx,θy,θz)；其中t是从微处理器中读取的当前日期和时间；Ax、Ay、Az分别是加速度传感器(4)测量的沿三轴X、Y、Z方向的加速度值；θx、θy、θz分别是陀螺仪传感器(6)测量的沿三轴X、Y、Z方向的转动角度；步骤二：提取步骤一中的特征值，即(t、△A、△θ)；其中△A是三维加速度值的改变量，计算方法如公式(1)所示；所述△θ是三维倾斜角度的改变量，计算方法如公式(2)所示：A=Ax2+Ay2+Az2ΔA=|A(ti+1)-A(ti)|---(1)]]>θ=θx2+θy2+θz2Δθ=θ(ti+1)-θ(ti)---(2)]]>步骤三：利用预先训练好的加速度改变摔倒模型Ma和角速度改变摔倒模型Mθ实时预测当前观察样本的特征值△A和△θ是否有摔倒的倾向；其中，所述加速度改变摔倒模型Ma包括向前跌倒△aF、向后跌倒△aB、向左跌倒△aL和向右跌倒△aR的学习样本，其公式(3)如下：Ma(ΔA,fall)=Σi=1nωik(ΔaF(i),ΔaB(i),ΔaL(i),ΔaR(i),posture(i))---(3)]]>公式(3)中，ωi是一组加权系数；k是一个反应每一时刻的加速度变化△aF(i)，△aB(i)，△aL(i)，△aR(i)与身体姿势posture(i)之间关系的函数；所述角速度改变摔倒模型Mθ包括向前跌倒△θF、向后跌倒△θB、向左跌倒△θL和向右跌倒△θR的学习样本，其公式(4)如下：Mθ(Δθ,fall)=Σi=1nωik(ΔθF(i),ΔθB(i),ΔθL(i),ΔθR(i),posture(i))---(4)]]>公式(4)中，ωi是一组加权系数；k是一个反应每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张书梅，许征程，李莉，李立，董倩，
申请(专利权)人：石家庄学院，
类型：发明
国别省市：河北;13