一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法，该系统包括电源模块、距离传感器模块、微控制器模块和蓝牙传输模块。电源模块用于为系统各模块提供电压；距离传感器模块用于采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端面的垂直距离；微控制器模块用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定等预处理，以及将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度等步态参数。蓝牙传输模块用于将微处理器模块的最终输出结果，无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。该检测系统功能完整，实时可靠，模块紧凑，穿戴方便，控制简单，与姿态角和其他步态参数的检测系统有着广泛的结合应用范围。

Wearable human tripping detection system and detection method

The invention discloses a wearable human tripping detection system and a detection method thereof, wherein the system comprises a power supply module, a distance sensor module, a microcontroller module and a Bluetooth transmission module. The power module is used to provide voltage for each module of the system; the distance sensor module is used to collect the signal of the original distance, the ground vertical distance to the sensor of the infrared emitting end; micro controller module is used for the original distance measured signal calibration, filtering, sampling pretreatment, and the signals were pre processed into geometric model for data analysis, obtained from the heel to toe off height, height of gait parameters. The Bluetooth transmission module is used to transmit the final output of the microprocessor module wirelessly to the host computer to detect the possibility of tripping. The detection system has complete functions, real-time and reliable, compact module, easy to wear and simple control. It has a wide range of applications in combination with attitude angle and other gait parameters detection system.

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法
本专利技术涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种可穿戴人体绊倒检测系统及检测方法。
技术介绍
可穿戴人体绊倒检测系统一直是生物医学工程领域的研究热点，直至目前，仍没有一种可穿戴式的绊倒检测系统能够只通过两个距离传感器，实时准确地测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并实时检测绊倒的发生。研究人员一直希望能够使绊倒检测系统能够做到尺寸小、功耗低、重量轻，不影响人体行动的灵活性，同时满足实时准确测得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数，并检测绊倒发生的要求。早期的绊倒检测及抬脚高度的步态参数测量，使用最多的是基于照相机拍摄的运动捕捉系统，通过多台照相机的拍摄，能够完整准确地记录各标记点的三维运动轨迹，进而分析得到脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数和检测绊倒的发生。直至目前，三维运动捕捉系统已经发展得十分完备，其中使用较多的光学运动捕捉系统采用红外摄像技术，配备有专门的数据分析软件，操作趋于简单，测量精度较高。但是三维运动捕捉系统的使用范围有限，不具备可穿戴性，而且价格高达几十万到上百万，现在讲此系统测得的数据视为黄金标准，用于验证可穿戴绊倒检测系统的准确度和精确度。目前可穿戴绊倒检测系统使用最多的传感器是惯性传感器。由于惯性传感器具有尺寸小、耗能低、价格低廉的优势，很多研究人员都相继提出了各种基于惯性传感器的可穿戴人体绊倒检测系统。但是由于惯性传感器只能输出三轴加速度和三轴角速度，要得到抬脚高度，必须将加速度计测得的三轴加速度分别对时间进行两次积分，将陀螺仪测得的角速度分别对时间进行一次积分，这样会导致原始误差随时间不断积累，造成测量的准确度降低。虽然不少研究人员提出了基于距离传感器测量的修正算法，但这些算法不能完全消除原始误差在一个步态周期内随时间的积累，并且有的修正算法还要增加使用其他种类的传感器，增大了系统的尺寸、功耗和重量。因此越来越多的研究者开始考虑使用距离传感器，寻求一种新的测量算法。因为距离传感器可直接获取距离信号，初始误差不会随时间积累，通过信号调理进行校正补偿，可消除初始偏移量，提高测量结果的准确度。目前采用较多的距离传感器为超声波传感器，但完整的超声波测距模块包含发射端和接收端，尺寸较大，可穿戴性差。有研究人员为提高基于超声波传感器的绊倒检测系统的可穿戴性，将超声波测距模块的发射端和接收端分离开来，仅将发射端固定在人体足部，而将多个接收端固定在人体行动的环境中。虽然这个方法使基于超声波传感器的绊倒检测系统的尺寸降低了一半，但因为超声波传感器的量程有限，发射端和接收端之间的距离一般不能超过4m，使用范围有限。
技术实现思路
针对现有技术精确度、经济性、便携性和使用范围的矛盾，本专利技术提供了一种可穿戴的绊倒检测系统，该系统准确性高，具有便携性，集成度高，操作简单，使用范围广。为了实现上述功能，本专利技术所采用的技术方案是：一种可穿戴绊倒检测系统，该系统可安装人体所穿鞋子上，所述系统包括：电源模块，用于为整个系统提供能源；距离传感器模块，用于采集原始的距离信号；微控制器模块，用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，并将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数；蓝牙传输模块，用于将微处理器模块的最终输出结果无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。进一步的，所述电源模块包括一节9V的锂电池和一块稳压模块，直接输出9V的电压给微控制器模块供电，并通过稳压模块输出2.8V的电压，给距离传感器模块供电。进一步的，所述距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块中的ArduinoNano主板的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连，在接收到微控制器发出的使能信号和触发信号后，开始采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端的垂直距离，并实时将距离信号传送给ArduinoNano主板；进一步的，所述微控制器模块包括一块ArduinoNano主板和一个开关模块。开关模块的VCC端连接至ArduinoNano主板的3.3V输出端，GND端连接至ArduinoNano主板的GND端，OUT端连接至ArduinoNano主板的数字端口D2端，用于控制整个系统的开始与结束。将编写的算法烧录至ArduinoNano主板，能够对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，以及将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数。进一步的，所述蓝牙传输模块包括两个主从一体蓝牙模块，将它们分别设置为主机和从机，并设置相同的波特率进行配对，配对成功后，将主机与ArduinoNano主板相连，从机和上位机相连，用于将微处理器模块的最终输出结果，无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。本申请还提供一种可穿戴人体绊倒检测系统的检测方法，包括以下步骤：(1)将两个距离传感器固定在人体所穿鞋子上，保证两个距离传感器的连线平行于脚跟和脚尖的连线，则可根据两个距离传感器、脚跟和脚尖在鞋子纵剖面上的投影确定一个四边形，可以测量得到两个距离传感器的距离a、一个距离传感器到脚跟的距离b、脚跟到脚尖的距离f以及b和f的夹角α；(2)距离传感器模块经红外发射器发射垂直于传感器表面的红外线，利用TOF技术，即通过测量红外线的飞行时间，计算光线发射和反射时间差或相位差，换算得到红外线在地面入射点到传感器表面的垂直距离dA、dB；(3)根据垂直距离dA、dB与抬脚高度hheel、htoe的三角几何关系，确定当前的实时脚跟和脚尖离地高度：hheel＝hA-b·sin(θ+α)，htoe＝hheel+f·sinθ；其中hA＝dA·cosθ，hB＝dB·cosθ；(4)蓝牙传输模块通过蓝牙转串口的方式，将微控制器模块最后计算得到的脚跟和脚尖的离地高度hA、hB无线传输到上位机。进一步的，所述距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块中的ArduinoNano主板的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连，在接收到微控制器发出的使能信号和触发信号后，开始采集原始的距离信号，即地面到传感器红外发射端的垂直距离，并实时将距离信号传送给ArduinoNano主板。与现有技术相比，本专利技术具有的有益结果有：1)本专利技术中的距离传感器具有尺寸小、能耗低、重量轻和可穿戴的优点，且相比于惯性传感器两次积分得到的距离，其测量结果更加准确；2)通过无线通信模块和微控制器的集成，相比于现有的有线通信，使用者的活动范围得到了扩大，本专利技术对使用者的行动限制也大大降低；3)借助数据的实时传输，上位机可以实时记录并分析处理原始距离数据，计算得到使用者的重要步态参数，进一步评估使用者的绊倒风险；4)由于本专利技术的绊倒检测装置可穿戴、能耗低，可记录大量的步态原始数据，进一步分析处理可用于足部疾病的诊断和康复治疗效果的评定；5)本专利技术中的上位机可以是电脑或手机，若是手机，可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可穿戴人体绊倒检测系统，所述绊倒检测系统安装在人体鞋子上，其特征在于：包括电源模块，用于为整个系统提供能源；距离传感器模块，用于采集原始的距离信号；微控制器模块，用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，并将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数；蓝牙传输模块，用于将微处理器模块的最终输出结果无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴人体绊倒检测系统，所述绊倒检测系统安装在人体鞋子上，其特征在于：包括电源模块，用于为整个系统提供能源；距离传感器模块，用于采集原始的距离信号；微控制器模块，用于对测得的原始距离信号进行标定、滤波、采样频率设定的预处理，并将预处理后的信号带入几何模型进行数据分析，获得脚跟离地高度、脚尖离地高度和摆荡期脚尖最小离地高度等步态参数；蓝牙传输模块，用于将微处理器模块的最终输出结果无线传输到上位机，以检测绊倒发生的可能性。2.根据权利要求1所述的可穿戴人体绊倒检测系统，其特征在于，所述的电源模块包括一节9V的锂电池和一块稳压模块，直接输出9V的电压给微控制器模块供电，并通过稳压模块输出2.8V的电压，给距离传感器模块供电。3.根据权利要求1所述的可穿戴人体绊倒检测系统，其特征在于，所述的距离传感器模块包括两个VL6180模块，即近距离感测器和环境光线传感器，它们的通信端口分别与微控制器模块的时钟线和数据线端口相连，使能端分别与微控制器的两个数据端口相连。4.根据权利要求1所述的可穿戴人体绊倒检测系统，其特征在于，所述的微控制器模块包括一块ArduinoNano主板和一个开关模块。开关模块的VCC端连接至ArduinoNano主板的3.3V输出端，GND端连接至ArduinoNano主板的GND端，OUT端连接至ArduinoNano主板的数字端口D2端，用于控制整个系统的开始与结束。5.根据权利要求1所述的可穿戴人体绊倒检测系统，其特征在于，所述的蓝牙传输模块，包括两个主从一体蓝牙模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，唐梓星，李庆国，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33