人體運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析

鄭煊宇 許有熊 楊驍 張宇良 徐冉

摘 要：文章設(shè)計一種基于加速度傳感器的人體運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)采集與分析裝置。文章通過三軸加速度傳感器采集X、Y、Z軸加速度，預(yù)處理為合加速度并分析閾值。文章采集了樣本為100的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫，保證了采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，減小了誤差。該裝置能夠采集人體運(yùn)動時的三軸加速度并預(yù)處理為合加速度、確定閾值，經(jīng)過算法的改良后，可投入健身類APP進(jìn)行使用，在老年人健康監(jiān)測等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：三軸加速度傳感器;合加速度;閾值

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1674-1064（2021）03-042-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.03.019

近年來，越來越多的科技成果走向生活，科技逐漸成為人們生活中不可或缺的一部分。同時，隨著中國逐漸進(jìn)入老齡化社會，老年人的健康問題受到社會的廣泛關(guān)注。此項目研究的意義在于幫助老人在獨(dú)處時監(jiān)測他們的健康狀況，基于三軸加速度傳感器的人體運(yùn)動數(shù)據(jù)采集與分析研究，廣泛應(yīng)用于老年人健康監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與研究。本研究在前期建立的X、Y、Z三軸加速度的基礎(chǔ)上，利用合加速度分析各個運(yùn)動狀態(tài)的閾值，根據(jù)閾值初步判別各個運(yùn)動狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本項目采用JY901九軸加速度傳感器采集人體運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)，將采集到的多組人體在起跳、下蹲、跑步、跌倒不同狀態(tài)下，X、Y、Z軸三個不同方向上的加速度數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送給匿名上位機(jī)。通過上位機(jī)顯示出的各個狀態(tài)下的波形，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。通過求得多組數(shù)據(jù)中三個方向的合加速度值a[1]，從中進(jìn)行對比計算，取得各個不同狀態(tài)下的合理閾值，作為判斷人體運(yùn)動狀態(tài)的重要條件之一。通過采集多組在四種不同狀態(tài)下，人體與X、Y軸的夾角數(shù)據(jù)，進(jìn)行篩選與計算，以確定人體在跌倒?fàn)顟B(tài)下與X、Y軸之間的夾角閾值，作為判斷是否發(fā)生跌倒情況的主要條件。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

JY901加速度傳感器如圖1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行加速度傳感器的定標(biāo)，調(diào)零。

避開衣物的誤動影響[2]，將JY901傳感器固定在受試者身體上。本研究分別試驗(yàn)并分析了固定于手腕、胸口等部位的數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)度與偏差值，最終決定固定于胸口以便避免運(yùn)動中的身體動作影響加速度數(shù)據(jù)采集，并且需要多次試驗(yàn)傳感器的固定位置，使得加速度傳感器的X、Y、Z三軸平行于受試者的X、Y、Z三軸以取得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

確定受試者沒有任何不良狀況（如感覺極度乏力、宿醉、身體疾病等），讓受試者提前戴上加速度傳感器豎直站立并準(zhǔn)備測量[3]。

啟動加速度傳感器，讓受試者分別作出走路、跑步、下蹲與跌倒動作并記錄下各個運(yùn)動狀態(tài)下的三軸加速度數(shù)據(jù)。受試者運(yùn)動過程中不同運(yùn)動狀態(tài)的切換間隙時間應(yīng)盡量拉長，避免下一采集數(shù)據(jù)受到上一采集數(shù)據(jù)的干擾。

多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)以防止偶然數(shù)據(jù)對結(jié)果的干擾。最后確認(rèn)受試者無不良反應(yīng)狀況結(jié)束實(shí)驗(yàn)，讓其離開。

3 數(shù)據(jù)的提取與分析

基于三軸加速度傳感器的人體運(yùn)動狀態(tài)的采集與分析，是通過陀螺儀的三軸加速度傳感器，采集樣本的跑步、走路、下蹲和跌倒四種運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)據(jù)，對比不同狀態(tài)下的合加速度值[4]，選取判斷四種運(yùn)動狀態(tài)的閾值。合理的閾值是判別運(yùn)動狀態(tài)的關(guān)鍵步驟，無論選取過大還是過小，都會導(dǎo)致漏判或誤判等情況。

由于合加速度只有幅值大小，沒有具體的方向，導(dǎo)致跌倒?fàn)顟B(tài)在一定程度上與快速的下蹲或者跳躍很難判別，所以合理的閾值選取顯得尤為重要。

3.1 加速度數(shù)據(jù)采集

該研究選取JY901九軸加速度傳感器檢測出樣本的運(yùn)動加速度數(shù)據(jù)ax，ay，az，分別是X、Y、Z軸在正交軸上的投影[5]，數(shù)據(jù)利用高通濾波器去除直流分量的影響，低通濾波器去除中高頻信號的影響，最終整合得到合加速度a為：

a =? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：a為和加速度。

3.2 特征值的選擇與提取

人體運(yùn)動狀態(tài)的變化會引起相對位移和角的變化，但由于人體的旋轉(zhuǎn)也會導(dǎo)致角的變化，所以該研究選擇代表相對位移的合加速度作為人體運(yùn)動狀態(tài)檢測的主要特征[6]。其中，合加速度的峰值代表了人體運(yùn)動狀態(tài)的變化劇烈程度。因此，合加速度的峰值會作為該研究的重要參考指標(biāo)。

加速度傳感器需要實(shí)時采集人體運(yùn)動狀態(tài)的加速度數(shù)據(jù)，并且其中含有大量無效數(shù)據(jù)，不僅增加了存儲負(fù)擔(dān)，也為后期的判別算法處理帶來大量工作。因此，該研究只需選取一些加速度數(shù)據(jù)作為特征值來表示樣本，比如將傳感器采集時間間隙拉長至每一秒保存一次數(shù)據(jù)，用這樣的特征值來模擬原始信號。

3.3 數(shù)據(jù)庫的建立與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

將加速度傳感器檢測到的每個樣本數(shù)據(jù)記錄在Excel文件中建立數(shù)據(jù)庫，并對各種運(yùn)動狀態(tài)下的加速度值進(jìn)行擬合分析，表1數(shù)據(jù)為四種運(yùn)動狀態(tài)合加速度a的原始數(shù)據(jù)：

將以上四種運(yùn)動狀態(tài)信號分別作成折線圖以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖2所示。

由圖2可知a的均值在0.5～6之間，說明人體運(yùn)動狀態(tài)和合加速度具有線性相關(guān)性。根據(jù)合加速度幅值大小能夠區(qū)分出走路、跑步、下蹲和跌倒?fàn)顟B(tài)。其中，走路和跑步狀態(tài)的合加速度數(shù)據(jù)變化處于0.5～1.5之間，下蹲和跌倒的峰值合加速度數(shù)據(jù)變化處于4～6之間。

4 結(jié)語

該技術(shù)具有智能化程度高、準(zhǔn)確性好、易于穿戴、操作便利等優(yōu)點(diǎn)，可以遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控人體運(yùn)動狀態(tài)，避免意外發(fā)生，減少人工必要勞動。運(yùn)用三軸加速度傳感器保證了運(yùn)動人群和老年人的身體健康，提升了科學(xué)準(zhǔn)確性。通過對跌倒檢測系統(tǒng)的研究與分析，文章設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了老年人跌倒檢測系統(tǒng)的總體框架與結(jié)構(gòu)。通過實(shí)時監(jiān)測人體活動的特征數(shù)據(jù)信號，結(jié)合加速度與傾斜角信號的閾值檢測算法來判斷老年人的運(yùn)動狀態(tài)，并發(fā)出實(shí)時信號，降低了老年人的健康風(fēng)險。同時，在后期的研究中，筆者致力于將其運(yùn)用到健身房的安全監(jiān)測系統(tǒng)中，為運(yùn)動人群提供安全保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳功.基于三軸加速度傳感器的跌倒檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[2] 常曉軍.老年人群意外跌倒過程中的身體姿態(tài)感知技術(shù)研究[D].西安：西北大學(xué)，2011.

[3] 閆俊澤.基于三軸加速度傳感器的老年人跌倒監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[4] 王維念，胡兆燕，陳正龍.可穿戴式跌倒檢測及防護(hù)裝置的研究現(xiàn)狀[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2017，36（3）：323-329.

[5] 李爽，羅志增，孟明.基于加速度傳感器的下肢運(yùn)動信息獲取方法[J].機(jī)電工程，2009，26（1）：5-7.

[6] 崔英輝，詹林.基于三軸加速度傳感器的老人摔倒檢測[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（3）：32-33.