張文龍 屈 純 付文斌 陳 樊 姚 俊

(湖北航天化學(xué)技術(shù)研究所，湖北 襄陽(yáng) 441003)

跌倒已經(jīng)成為影響人類特別是老年人生命健康的重要誘因〔1〕，在中國(guó)每年約有4 000萬(wàn)65歲以上的老年人意外跌倒，而跌倒會(huì)造成嚴(yán)重的肢體和心理傷害，若傷及髖骨，有可能喪命〔2〕。

在現(xiàn)有的跌倒檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大部分為跌倒后的檢測(cè)，然后通過(guò)聲光報(bào)警、通話與定位通知外界進(jìn)行協(xié)助與救護(hù)，并沒(méi)有從根本上對(duì)老年人的跌倒進(jìn)行防護(hù)。本文屬于撞擊前跌倒識(shí)別與防護(hù)的研究，提出一種針對(duì)老年人的跌倒防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以電子技術(shù)為核心，并運(yùn)用汽車安全氣囊的防護(hù)原理和技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種老年人跌倒防護(hù)氣囊，在跌倒落地之前充氣展開，可在人體與地面撞擊時(shí)起到緩沖作用，避免或減輕傷害〔3〕。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前，針對(duì)老年人跌倒的自動(dòng)檢測(cè)方法主要有三大類：一是基于視頻圖形的檢測(cè)系統(tǒng)，主要通過(guò)相機(jī)捕捉視頻圖像信號(hào)，通過(guò)跌倒動(dòng)作的圖像特征進(jìn)行判斷；二是基于音頻、震動(dòng)、移動(dòng)軌跡的檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)獲取某個(gè)或多個(gè)與跌倒密切相關(guān)的特征信號(hào)的有無(wú)判定跌倒動(dòng)作的發(fā)生；三是基于各類運(yùn)動(dòng)傳感器的人體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)身體的加速度、角速度等信號(hào)特征，通過(guò)識(shí)別算法判定跌倒動(dòng)作〔4〕。

跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成易穿戴形式，輕便、美觀、實(shí)用，不能影響人體的正常活動(dòng)；由于是主要為老年人跌倒防護(hù)設(shè)計(jì)，更不能因?yàn)樵撓到y(tǒng)對(duì)老年人的日?；顒?dòng)產(chǎn)生不利影響〔5〕，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1處理器 處理器選用德州儀器公司的16位低功耗MSP430F149單片機(jī)，其架構(gòu)先進(jìn)，片上外圍資源豐富，包含16位ADC和各種高速總線接口，可滿足數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的要求。

1.2傳感器 人體活動(dòng)時(shí)，會(huì)有加速度、角速度、沖擊、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)信息的變化，而在發(fā)生跌倒時(shí)，這些姿態(tài)信息通常會(huì)反映出不同于正常活動(dòng)時(shí)的劇烈變化，加速度的變化可以反映出人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化。慣性傳感器是測(cè)量物體加速度、角速度、沖擊、振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和多自由度運(yùn)動(dòng)的傳感器。目前的慣性傳感器通常基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，利用MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)和加工的傳感器一般都具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)、電子、軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也為人體跌倒檢測(cè)系統(tǒng)提供更為小巧、更為精確的傳感器，使得易穿戴跌倒氣囊系統(tǒng)的控制檢測(cè)模塊的小巧性、精細(xì)性、易穿戴性都有了質(zhì)的提升〔6〕。

在本文設(shè)計(jì)的易穿戴老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)中，采用MPU6050整合性六軸運(yùn)動(dòng)組件，可以測(cè)量三軸加速度和三軸角速度，并且傳感器的測(cè)量范圍都可控可調(diào)整。在該系統(tǒng)中使用陀螺儀的測(cè)量范圍為±2 000°/s(dps)，加速度測(cè)量范圍設(shè)置為±2 g。傳感器使用自有的I2C將測(cè)量信號(hào)數(shù)字化輸出，與處理器相互通信。

1.3電源與脈沖點(diǎn)火模塊 穿戴式老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)采用3.7 V可充電鋰離子電池供電，鋰離子電池重量輕、容量大、安全可靠，被廣泛應(yīng)用在目前大多數(shù)的消費(fèi)電子產(chǎn)品中。3.7 V的直流電源經(jīng)過(guò)升降壓處理后給傳感器和處理器等電子元器件供電，保證跌倒檢測(cè)電路的正常運(yùn)行。

在保證跌倒檢測(cè)電路日常運(yùn)行正常供電的同時(shí)，3.7 V的電源還要提供一個(gè)跌倒時(shí)的脈沖點(diǎn)火信號(hào)，該點(diǎn)火信號(hào)不但需要有足夠的能量激發(fā)點(diǎn)火器，還需要保證在觸發(fā)瞬間其他電路的正常工作。

由于電池的放電能力有限，在激發(fā)點(diǎn)火器瞬間，若直接將電源的供電供給點(diǎn)火器，其瞬間放電電流無(wú)法絕對(duì)保證點(diǎn)火器觸發(fā)和其他電路的正常工作。因此設(shè)計(jì)了脈沖點(diǎn)火模塊〔7〕，使用1 000 μF電容。該設(shè)計(jì)可以保證在日常情況下點(diǎn)火電容處于滿電荷狀態(tài)，也同時(shí)保證電源給系統(tǒng)其他電路的正常供電；且在跌倒瞬間，收到點(diǎn)火信號(hào)后，直接將點(diǎn)火電容里的能量由MOS場(chǎng)效應(yīng)管電子開關(guān)控制，釋放給點(diǎn)火器，該過(guò)程不對(duì)其他電路的運(yùn)行有任何干擾和影響。

1.4充氣模塊與氣囊 充氣模塊采用筒狀煙火式氣體發(fā)生器，如圖2所示，發(fā)生器內(nèi)部裝有化學(xué)產(chǎn)氣藥粒，用電點(diǎn)火器引燃后，產(chǎn)氣藥粒迅速分解反應(yīng)，可瞬間產(chǎn)生大量氣體，氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾冷卻消聲裝置后釋放出來(lái)，通過(guò)導(dǎo)氣管進(jìn)入氣囊，將預(yù)先折疊好的氣囊展開，氣囊的展開示意圖如圖3所示，充氣模塊和氣囊的整個(gè)充氣過(guò)程可在極短時(shí)間內(nèi)完成〔8〕。

圖2 充氣模塊結(jié)構(gòu)圖

2 跌倒特征提取與識(shí)別算法

依據(jù)該系統(tǒng)的使用范圍和防護(hù)功能，特別提出了適用于此系統(tǒng)的跌倒識(shí)別算法。該易穿戴老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)主要用于防止70歲以上老年人意外跌倒可能造成的尾骨和髖骨粉碎而帶來(lái)永久性傷害〔9〕，作出以下假設(shè)和范圍限定：(1)考慮到使用人群的范圍限定，70歲以上老年人的日常活動(dòng)緩慢，且不包括劇烈的彈跳；(2)考慮到氣囊保護(hù)范圍限定，跌倒檢測(cè)和識(shí)別主要為人體向后跌倒和側(cè)傾。

基于以上的假設(shè)和范圍限定，提出一種適用于老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的跌倒檢測(cè)識(shí)別算法，其涉及的特征值有如下幾個(gè)：

2.1加速度向量幅值 人體加速度向量幅值(SVM)判斷法是研究人體跌倒的常見(jiàn)方法〔10,11〕。SVM通過(guò)計(jì)算加速度幅度反映人體運(yùn)動(dòng)的劇烈程度，其值越大說(shuō)明運(yùn)動(dòng)越劇烈。定義公式如下：

圖3 氣囊展開示意圖

在本文提出的跌倒識(shí)別算法里，SVM值只用來(lái)區(qū)分老年人跌倒動(dòng)作與日常活動(dòng)動(dòng)作，且將設(shè)定的SVM值作為跌倒動(dòng)作的預(yù)警，是真正的跌倒識(shí)別算法開始運(yùn)算的一個(gè)前提。

2.2角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口值 滑動(dòng)窗口(sliding window)方法，就是采用一個(gè)滑動(dòng)的窗口提取時(shí)間序列。首先需要定義一個(gè)窗口長(zhǎng)度n，該跌倒識(shí)別方法里，將該窗口長(zhǎng)度里的所有值作為時(shí)間序列〔12〕，系統(tǒng)采樣頻率為f，且在t1時(shí)刻，采集系統(tǒng)采集的即時(shí)值為ωt1，則t1時(shí)刻的即時(shí)滑動(dòng)窗口為：

{ωt1-(n-1),…,ωt1-2,ωt1-1,ωt1}

其中，t1-1代表t1的上一時(shí)刻，t1-2代表t1-1的上一時(shí)刻，以此類推。

對(duì)于滑動(dòng)窗口里的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)特征抽取的方法提取其特征，用一種或多種表征方法表示該滑動(dòng)窗口的信息。

(1)角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口單調(diào)性:表示在一個(gè)即時(shí)滑動(dòng)窗口里的所有角速度檢測(cè)值的時(shí)間序列的單調(diào)性。有關(guān)跌倒的行為研究數(shù)據(jù)表明，大部分的跌倒時(shí)間為1～6 s〔13〕。而在人體傾斜到一定角度后，達(dá)到無(wú)法控制的程度時(shí)，跌倒落地，人體軀干處于一個(gè)角速度逐漸變大的過(guò)程。按照此原理，陀螺儀檢測(cè)到的人體某軸的角速度是單調(diào)的。

對(duì)于上述的即時(shí)滑動(dòng)窗口，定義角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口單調(diào)性D：D=k0·k1·…·kn-3，若D=1則角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口單調(diào)，若D=0則角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口不單調(diào)。其中，

(2)角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口變化率：表示在一個(gè)即時(shí)滑動(dòng)窗口里角速度變化的快慢，該特征可以將跌倒動(dòng)作和其他角姿態(tài)變化引起的正常活動(dòng)區(qū)分開來(lái)，比如彎腰、坐下和臥倒時(shí)，陀螺儀所能檢測(cè)到的人體某軸的角速度在某個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)也會(huì)是單調(diào)變化的，但是這種緩慢的動(dòng)作行為產(chǎn)生的角速度變化率通常也是很緩慢的，而人體在不受控跌倒的時(shí)候，角速度的變化是很劇烈的。

對(duì)于上述的即時(shí)滑動(dòng)窗口，定義角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口變化率K=|ωt1-ωt1-(n-1)|·f。

(3)角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口和值：顧名思義就是即時(shí)滑動(dòng)窗口中所有角速度檢測(cè)值的時(shí)間序列的和，可以認(rèn)為是在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)角速度的積分，也可以認(rèn)為在該時(shí)間段內(nèi)角度的變化。因?yàn)槿梭w跌倒必然帶來(lái)軀干角度的變化，該信息可反映出人體的角姿態(tài)信息。

2.3跌倒識(shí)別算法 根據(jù)上文中分析得到的SVM、角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口單調(diào)性、角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口變化率和角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口和值等跌倒特征，提出的閾值判別跌倒的識(shí)別算法〔14〕，其判別流程如圖4所示。

圖4 跌倒識(shí)別的流程圖

依據(jù)上述流程圖，跌倒識(shí)別首先判定SVM，即首先判斷身體加速度；人體正?；顒?dòng)的SVM處于一個(gè)較平穩(wěn)且較低的水平，一旦有跌倒發(fā)生，SVM會(huì)發(fā)生劇烈變化，當(dāng)然老年人的一些正常的劇烈運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成SVM值的波動(dòng)。因此，在本文提出的跌倒識(shí)別算法里，設(shè)定的SVM閾值作為跌倒動(dòng)作的預(yù)警，是真正的跌倒識(shí)別的前提。如果上述閾值滿足，則繼續(xù)判定角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口是否單調(diào)，若單調(diào)變化初步判定人體在跌倒過(guò)程中，繼續(xù)下一個(gè)閾值的判斷，判定角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口變化率，依次將跌到動(dòng)作和其他角姿態(tài)變化引起的正常活動(dòng)區(qū)分開，若該閾值滿足則進(jìn)行最后一步的判斷，即角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口和值，若該閾值達(dá)到，可以認(rèn)為在該時(shí)間段內(nèi)人體軀干的角度已經(jīng)發(fā)生了較大傾斜，綜合之前的判斷，識(shí)別為跌倒動(dòng)作已經(jīng)產(chǎn)生。若其中的任意一個(gè)閾值沒(méi)有達(dá)到，跌倒識(shí)別的流程重新開始。

3 結(jié)果與討論

將跌倒檢測(cè)控制電路，氣體發(fā)生器模塊和氣囊燈部件組裝，并按照文中所述的跌倒識(shí)別算法，進(jìn)行了假人跌倒試驗(yàn)，并用高速攝像機(jī)拍攝了人體傾斜、發(fā)生器充氣和氣囊展開的聯(lián)合工作效果。其中，跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的人體佩戴如圖5所示，圖中同樣展示了人體跌倒時(shí)氣囊展開的示意圖。整套跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的工作流程如圖 6所示。試驗(yàn)中將整套跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)按照?qǐng)D 5所示的形態(tài)穿戴在假人身上，并實(shí)際模擬人體的跌倒，驗(yàn)證氣囊系統(tǒng)的實(shí)際防護(hù)能力。

圖5 跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的佩戴與展開示意圖

在假人模擬人體跌倒的試驗(yàn)中，采用的模特身高約為175 cm，其重心處于腰部(距離腳部80 cm)，氣囊系統(tǒng)圍繞系在腰部，跌倒檢測(cè)控制電路部分固定在假人的腹部，由其引出的觸發(fā)信號(hào)線與充氣模塊連接，充氣模塊與氣囊連接。假人首先處于站立狀態(tài)，然后開啟跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)，使用外力將假人輕輕后推，以此來(lái)模擬人體的向后跌倒行為，整個(gè)過(guò)程用高速攝像機(jī)記錄下來(lái)，其中高速攝像速度為2 000 fps。跌倒檢測(cè)數(shù)據(jù)采集頻率為500 Hz，經(jīng)過(guò)跌倒檢測(cè)系統(tǒng)與假人的匹配；設(shè)定跌倒檢測(cè)閾值SVM=0.8 g，滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度n=10；角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口變化率K=0.25；角速度即時(shí)滑動(dòng)窗口和值θ=2.3°。實(shí)驗(yàn)的高速攝像如圖 7所示，其中圖(a)是實(shí)驗(yàn)開始前，人體處于站立狀態(tài)，此時(shí)開啟跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)電源，并可推動(dòng)假人，圖(b)是假人在向后跌倒的某一個(gè)瞬間狀態(tài)，圖(c)是充氣裝置啟動(dòng)的一瞬間，此時(shí)是跌倒檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)檢測(cè)到人體的跌倒動(dòng)作，并將觸發(fā)信號(hào)輸出到了充氣裝置，圖中可以看見(jiàn)電點(diǎn)火裝置在引爆的一瞬間有火光出現(xiàn)，圖(d)是氣囊已經(jīng)完全打開的瞬間。從圖(c)充氣裝置啟動(dòng)到圖(d)氣囊充氣完全展開的全過(guò)程是跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的核心之一，要求該過(guò)程必須出現(xiàn)在人體跌倒落地之前，否則防護(hù)系統(tǒng)就失去了防護(hù)效果。

圖6 跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)的工作流程圖

圖7 跌倒實(shí)驗(yàn)高速攝像圖

從多次假人試驗(yàn)的高速攝像中可以得到跌倒防護(hù)系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，跌倒防護(hù)系統(tǒng)中檢測(cè)到跌倒并啟動(dòng)充氣裝置的人體角度約在50°，氣囊完全打開時(shí)人體的角度約在30°，整個(gè)氣囊系統(tǒng)的充氣時(shí)間穩(wěn)定在約200 ms，而每次試驗(yàn)氣囊都會(huì)在跌倒落地前190 ms左右打開，提供人體與地面撞擊的緩沖，可大大避免或減輕硬著地帶來(lái)的傷害。

總之，本文設(shè)計(jì)了一種穿戴式老年人跌倒防護(hù)系統(tǒng)，使用MSP430單片機(jī)和MPU6050構(gòu)成的跌倒檢測(cè)模塊，并特別針對(duì)老年人設(shè)計(jì)了可穿戴的充氣模塊與氣囊。經(jīng)過(guò)模擬跌倒實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)保證了跌倒檢測(cè)模塊的高識(shí)別率，且預(yù)先識(shí)別時(shí)間早，配以能夠快速充氣并展開的充氣模塊和氣囊，整個(gè)老年人跌倒防護(hù)氣囊系統(tǒng)可以保證在人體落地前完全充氣展開，在人體落地瞬間起到緩沖防護(hù)作用，避免或減輕由于跌倒沖擊給老年人帶來(lái)的傷害，具有很好的跌倒防護(hù)作用，對(duì)老年人的健康有著極其重要的意義。