张文龙 屈 纯 付文斌 陈 樊 姚 俊

(湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003)

跌倒已经成为影响人类特别是老年人生命健康的重要诱因〔1〕，在中国每年约有4 000万65岁以上的老年人意外跌倒，而跌倒会造成严重的肢体和心理伤害，若伤及髋骨，有可能丧命〔2〕。

在现有的跌倒检测系统中，绝大部分为跌倒后的检测，然后通过声光报警、通话与定位通知外界进行协助与救护，并没有从根本上对老年人的跌倒进行防护。本文属于撞击前跌倒识别与防护的研究，提出一种针对老年人的跌倒防护系统设计，以电子技术为核心，并运用汽车安全气囊的防护原理和技术，设计出一种老年人跌倒防护气囊，在跌倒落地之前充气展开，可在人体与地面撞击时起到缓冲作用，避免或减轻伤害〔3〕。

1 系统硬件设计

目前，针对老年人跌倒的自动检测方法主要有三大类：一是基于视频图形的检测系统，主要通过相机捕捉视频图像信号，通过跌倒动作的图像特征进行判断；二是基于音频、震动、移动轨迹的检测系统，通过获取某个或多个与跌倒密切相关的特征信号的有无判定跌倒动作的发生；三是基于各类运动传感器的人体姿态检测系统，实时检测身体的加速度、角速度等信号特征，通过识别算法判定跌倒动作〔4〕。

跌倒防护气囊系统应设计成易穿戴形式，轻便、美观、实用，不能影响人体的正常活动；由于是主要为老年人跌倒防护设计，更不能因为该系统对老年人的日常活动产生不利影响〔5〕，整个系统的结构如图1所示。

图1 穿戴式老年人跌倒防护气囊系统结构框图

1.1处理器 处理器选用德州仪器公司的16位低功耗MSP430F149单片机，其架构先进，片上外围资源丰富，包含16位ADC和各种高速总线接口，可满足数据采集和数据处理的要求。

1.2传感器 人体活动时，会有加速度、角速度、冲击、振动和旋转姿态信息的变化，而在发生跌倒时，这些姿态信息通常会反映出不同于正常活动时的剧烈变化，加速度的变化可以反映出人体运动状态的变化。惯性传感器是测量物体加速度、角速度、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器。目前的惯性传感器通常基于微机电系统(MEMS)，利用MEMS技术设计和加工的传感器一般都具有尺寸小、质量轻、功耗低、性能稳定等优点，在医学、电子、军事等领域得到广泛应用，也为人体跌倒检测系统提供更为小巧、更为精确的传感器，使得易穿戴跌倒气囊系统的控制检测模块的小巧性、精细性、易穿戴性都有了质的提升〔6〕。

在本文设计的易穿戴老年人跌倒防护气囊系统中，采用MPU6050整合性六轴运动组件，可以测量三轴加速度和三轴角速度，并且传感器的测量范围都可控可调整。在该系统中使用陀螺仪的测量范围为±2 000°/s(dps)，加速度测量范围设置为±2 g。传感器使用自有的I2C将测量信号数字化输出，与处理器相互通信。

1.3电源与脉冲点火模块 穿戴式老年人跌倒防护气囊系统采用3.7 V可充电锂离子电池供电，锂离子电池重量轻、容量大、安全可靠，被广泛应用在目前大多数的消费电子产品中。3.7 V的直流电源经过升降压处理后给传感器和处理器等电子元器件供电，保证跌倒检测电路的正常运行。

在保证跌倒检测电路日常运行正常供电的同时，3.7 V的电源还要提供一个跌倒时的脉冲点火信号，该点火信号不但需要有足够的能量激发点火器，还需要保证在触发瞬间其他电路的正常工作。

由于电池的放电能力有限，在激发点火器瞬间，若直接将电源的供电供给点火器，其瞬间放电电流无法绝对保证点火器触发和其他电路的正常工作。因此设计了脉冲点火模块〔7〕，使用1 000 μF电容。该设计可以保证在日常情况下点火电容处于满电荷状态，也同时保证电源给系统其他电路的正常供电；且在跌倒瞬间，收到点火信号后，直接将点火电容里的能量由MOS场效应管电子开关控制，释放给点火器，该过程不对其他电路的运行有任何干扰和影响。

1.4充气模块与气囊 充气模块采用筒状烟火式气体发生器，如图2所示，发生器内部装有化学产气药粒，用电点火器引燃后，产气药粒迅速分解反应，可瞬间产生大量气体，气体经过过滤冷却消声装置后释放出来，通过导气管进入气囊，将预先折叠好的气囊展开，气囊的展开示意图如图3所示，充气模块和气囊的整个充气过程可在极短时间内完成〔8〕。

图2 充气模块结构图

2 跌倒特征提取与识别算法

依据该系统的使用范围和防护功能，特别提出了适用于此系统的跌倒识别算法。该易穿戴老年人跌倒防护气囊系统主要用于防止70岁以上老年人意外跌倒可能造成的尾骨和髋骨粉碎而带来永久性伤害〔9〕，作出以下假设和范围限定：(1)考虑到使用人群的范围限定，70岁以上老年人的日常活动缓慢，且不包括剧烈的弹跳；(2)考虑到气囊保护范围限定，跌倒检测和识别主要为人体向后跌倒和侧倾。

基于以上的假设和范围限定，提出一种适用于老年人跌倒防护气囊系统的跌倒检测识别算法，其涉及的特征值有如下几个：

2.1加速度向量幅值 人体加速度向量幅值(SVM)判断法是研究人体跌倒的常见方法〔10,11〕。SVM通过计算加速度幅度反映人体运动的剧烈程度，其值越大说明运动越剧烈。定义公式如下：

图3 气囊展开示意图

在本文提出的跌倒识别算法里，SVM值只用来区分老年人跌倒动作与日常活动动作，且将设定的SVM值作为跌倒动作的预警，是真正的跌倒识别算法开始运算的一个前提。

2.2角速度即时滑动窗口值 滑动窗口(sliding window)方法，就是采用一个滑动的窗口提取时间序列。首先需要定义一个窗口长度n，该跌倒识别方法里，将该窗口长度里的所有值作为时间序列〔12〕，系统采样频率为f，且在t1时刻，采集系统采集的即时值为ωt1，则t1时刻的即时滑动窗口为：

{ωt1-(n-1),…,ωt1-2,ωt1-1,ωt1}

其中，t1-1代表t1的上一时刻，t1-2代表t1-1的上一时刻，以此类推。

对于滑动窗口里的数据，可以通过特征抽取的方法提取其特征，用一种或多种表征方法表示该滑动窗口的信息。

(1)角速度即时滑动窗口单调性:表示在一个即时滑动窗口里的所有角速度检测值的时间序列的单调性。有关跌倒的行为研究数据表明，大部分的跌倒时间为1～6 s〔13〕。而在人体倾斜到一定角度后，达到无法控制的程度时，跌倒落地，人体躯干处于一个角速度逐渐变大的过程。按照此原理，陀螺仪检测到的人体某轴的角速度是单调的。

对于上述的即时滑动窗口，定义角速度即时滑动窗口单调性D：D=k0·k1·…·kn-3，若D=1则角速度即时滑动窗口单调，若D=0则角速度即时滑动窗口不单调。其中，

(2)角速度即时滑动窗口变化率：表示在一个即时滑动窗口里角速度变化的快慢，该特征可以将跌倒动作和其他角姿态变化引起的正常活动区分开来，比如弯腰、坐下和卧倒时，陀螺仪所能检测到的人体某轴的角速度在某个滑动窗口内也会是单调变化的，但是这种缓慢的动作行为产生的角速度变化率通常也是很缓慢的，而人体在不受控跌倒的时候，角速度的变化是很剧烈的。

对于上述的即时滑动窗口，定义角速度即时滑动窗口变化率K=|ωt1-ωt1-(n-1)|·f。

(3)角速度即时滑动窗口和值：顾名思义就是即时滑动窗口中所有角速度检测值的时间序列的和，可以认为是在某个时间段内角速度的积分，也可以认为在该时间段内角度的变化。因为人体跌倒必然带来躯干角度的变化，该信息可反映出人体的角姿态信息。

2.3跌倒识别算法 根据上文中分析得到的SVM、角速度即时滑动窗口单调性、角速度即时滑动窗口变化率和角速度即时滑动窗口和值等跌倒特征，提出的阈值判别跌倒的识别算法〔14〕，其判别流程如图4所示。

图4 跌倒识别的流程图

依据上述流程图，跌倒识别首先判定SVM，即首先判断身体加速度；人体正常活动的SVM处于一个较平稳且较低的水平，一旦有跌倒发生，SVM会发生剧烈变化，当然老年人的一些正常的剧烈运动也会造成SVM值的波动。因此，在本文提出的跌倒识别算法里，设定的SVM阈值作为跌倒动作的预警，是真正的跌倒识别的前提。如果上述阈值满足，则继续判定角速度即时滑动窗口是否单调，若单调变化初步判定人体在跌倒过程中，继续下一个阈值的判断，判定角速度即时滑动窗口变化率，依次将跌到动作和其他角姿态变化引起的正常活动区分开，若该阈值满足则进行最后一步的判断，即角速度即时滑动窗口和值，若该阈值达到，可以认为在该时间段内人体躯干的角度已经发生了较大倾斜，综合之前的判断，识别为跌倒动作已经产生。若其中的任意一个阈值没有达到，跌倒识别的流程重新开始。

3 结果与讨论

将跌倒检测控制电路，气体发生器模块和气囊灯部件组装，并按照文中所述的跌倒识别算法，进行了假人跌倒试验，并用高速摄像机拍摄了人体倾斜、发生器充气和气囊展开的联合工作效果。其中，跌倒防护气囊系统的人体佩戴如图5所示，图中同样展示了人体跌倒时气囊展开的示意图。整套跌倒防护气囊系统的工作流程如图 6所示。试验中将整套跌倒防护气囊系统按照图 5所示的形态穿戴在假人身上，并实际模拟人体的跌倒，验证气囊系统的实际防护能力。

图5 跌倒防护气囊系统的佩戴与展开示意图

在假人模拟人体跌倒的试验中，采用的模特身高约为175 cm，其重心处于腰部(距离脚部80 cm)，气囊系统围绕系在腰部，跌倒检测控制电路部分固定在假人的腹部，由其引出的触发信号线与充气模块连接，充气模块与气囊连接。假人首先处于站立状态，然后开启跌倒防护气囊系统，使用外力将假人轻轻后推，以此来模拟人体的向后跌倒行为，整个过程用高速摄像机记录下来，其中高速摄像速度为2 000 fps。跌倒检测数据采集频率为500 Hz，经过跌倒检测系统与假人的匹配；设定跌倒检测阈值SVM=0.8 g，滑动窗口长度n=10；角速度即时滑动窗口变化率K=0.25；角速度即时滑动窗口和值θ=2.3°。实验的高速摄像如图 7所示，其中图(a)是实验开始前，人体处于站立状态，此时开启跌倒防护气囊系统电源，并可推动假人，图(b)是假人在向后跌倒的某一个瞬间状态，图(c)是充气装置启动的一瞬间，此时是跌倒检测系统已经检测到人体的跌倒动作，并将触发信号输出到了充气装置，图中可以看见电点火装置在引爆的一瞬间有火光出现，图(d)是气囊已经完全打开的瞬间。从图(c)充气装置启动到图(d)气囊充气完全展开的全过程是跌倒防护气囊系统的核心之一，要求该过程必须出现在人体跌倒落地之前，否则防护系统就失去了防护效果。

图6 跌倒防护气囊系统的工作流程图

图7 跌倒实验高速摄像图

从多次假人试验的高速摄像中可以得到跌倒防护系统的性能数据，见表1。

表1 实验结果

从实验数据中可以看出，跌倒防护系统中检测到跌倒并启动充气装置的人体角度约在50°，气囊完全打开时人体的角度约在30°，整个气囊系统的充气时间稳定在约200 ms，而每次试验气囊都会在跌倒落地前190 ms左右打开，提供人体与地面撞击的缓冲，可大大避免或减轻硬着地带来的伤害。

总之，本文设计了一种穿戴式老年人跌倒防护系统，使用MSP430单片机和MPU6050构成的跌倒检测模块，并特别针对老年人设计了可穿戴的充气模块与气囊。经过模拟跌倒实验，验证系统的硬件设计和算法设计保证了跌倒检测模块的高识别率，且预先识别时间早，配以能够快速充气并展开的充气模块和气囊，整个老年人跌倒防护气囊系统可以保证在人体落地前完全充气展开，在人体落地瞬间起到缓冲防护作用，避免或减轻由于跌倒冲击给老年人带来的伤害，具有很好的跌倒防护作用，对老年人的健康有着极其重要的意义。