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《山东大学》 2019年
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基于惯性传感器的老年人姿态监测系统设计

吴聪  
【摘要】:当今社会正饱受人口老龄化问题的困扰,老年群体由于身体机能的衰退,易受跌倒、久坐不起等异常状态的伤害,此类报导早已屡见不鲜。随着计算机技术及网络通讯技术的发展,个性化的医疗服务得到了长足的进步,居家养老及社区养老成为了更多人的选择。为此,设计和开发一种具有远程姿态监测、异常状态及时报警和定位等功能的姿态监测系统,具有重要的社会意义和应用价值。根据应用的特征参数不同,姿态监测系统可分为基于视频图像的姿态监测系统和基于穿戴式传感器的姿态监测系统。基于视频图像的姿态监测系统通过摄像头采集原始图像,采用机器学习、深度学习等方法完成人体关节点定位,进而实现人体姿态识别,此类方法识别率高且相对成熟,缺陷在于容易暴露用户隐私、成本高且计算量大、应用场景多局限于室内。基于穿戴式传感器的姿态监测系统将微型传感器嵌入穿戴式设备中,通过采集人体运动过程中产生的加速度、角速度等信息完成姿态解算并结合预设阈值判别人体姿态,此类方法不会暴露个人隐私、成本低且计算量较小、应用场景也不受限制。惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动的传感器,被广泛应用于导航定位、人机交互、姿态测量等领域。其中,基于加速度计、陀螺仪、磁力计构成的航姿参考系统不仅可以为飞行器提供准确可靠的姿态与航向信息,还被广泛应用到穿戴式智能设备中,对体感交互、姿态监测等领域的发展和进步有重要作用。基于上述背景,本研究设计并实现了基于惯性传感器的老年人姿态监测系统。该系统主要由姿态监测终端、服务器、监护终端三部分构成,不仅可以检测人体跌倒状态并及时报警,还能对人体姿态及位置信息进行远程连续监测并完成步数统计。另外,本研究实现了双向语音交互功能,姿态监测终端可从服务器端下载语音留言到本地并播放,也可录音并上传录音到服务器,为老年人与看护者的交流提供了便捷的途径。本文的主要工作如下:(1)在传统的C/S结构模型基础上,提出“姿态监测终端-服务器-监护终端”三层结构模型。该方案通过系统任务的合理分配,降低了通讯开销,能有效提高系统的稳定性和可扩展性。(2)设计并实现了姿态监测终端,该终端佩戴于使用者腰部,采用锂电池供电,小巧轻便且功耗较低。姿态监测终端搭载加速度计、陀螺仪和磁力计构成的惯性测量单元,不仅能够实现人体姿态识别和计步,还能实现定位及语音交互等功能。姿态监测终端与服务器之间通过GPRS网络完成数据交互,并采用HTTP协议进行通讯。(3)基于老年人运动特点,实现了一种简便灵活的人体姿态识别算法。该算法通过融合惯性传感器数据,基于四元数法实现姿态解算并得到人体姿态角,结合多种运动学特征完成人体姿态判别。经测试,该算法可准确且快速识别人体姿态,平均识别率达到90%。(4)设计并实现了一种基于动态阈值的计步算法,该算法基于人体运动过程中产生的加速度信息,结合预设的时间窗提取特征并计算阈值,具有较高的准确率和较好的鲁棒性。(5)基于QT完成了HTTP服务器的搭建,随后采用黑盒测试的思路测试了服务器各项功能模块。测试结果表明,服务器端能够在GUI界面下及时更新用户的姿态信息、位置信息及步数,并可将数据记录到数据库中以备查询,满足本课题的预期需求。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TH789

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