一种基于IMU的智能防摔衣帽系统的制作方法

【技术领域】

本实用新型涉及涉及人身安全把控技术领域，具体涉及一种基于imu的智能防摔衣帽系统。

背景技术：

人身安全与每个人都有切身关系，因而一直是十分受重视的领域。随着基础设施的大力建设以及路面上坑坑洼洼的增多，增加了人体摔倒而受伤的可能性；另外，在很多场景下，人体容易失衡，紧接着就会发生摔倒进而受伤，尤其像户外运动、游戏体验等场景，难免会出现意外；再例如，在使用瓷砖铺设地面的房屋中，一旦瓷砖地面沾上水，则瓷砖地面会变得较滑，极易造成屋内的人尤其是老年人摔倒在地；而且大部分老年人较易被碰倒，尤其是在室外如公园、商场等人流较密集的场所更容易发生老年人被碰倒的情况。再加上现在医疗费用高的问题，对于人摔倒后防护的问题就日益凸显，如何减少人摔倒后所受的伤害，从而把风险减少到最小越来越受到大众的关注。

目前人们对摔倒后的预防往往都是通过护具完成的，例如内部装填泡沫护垫等物理防护的护腕、护膝、护肘、头盔等，但现有的护具往往存在以下问题：护具只能保护身体特定的部分部位，保护范围过小，难以有效保护身体落地部位；护具保护身体落地部位的保护力度往往不够，而且不适合长时间穿戴；护具只能起到被动防护的作用，防护效果并不好。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型需要解决的技术问题是：

针对人体容易摔倒受伤的问题，目前主要通过佩戴护具来进行防护，但护具保护范围过小，难以有效保护身体落地部位，保护力度不够且不适合长时间穿戴，只能起到被动防护的作用，防护效果并不好。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：

本实用新型提供了一种基于imu的智能防摔衣帽系统，包括衣帽本体、采集子系统、控制子系统和保护子系统；

所述采集子系统包括定位传感器和多个imu传感器，所述定位传感器用于实时采集人体的位置信息并传输至所述控制子系统；所述多个imu传感器分别设置于人体的不同部位，用于实时采集人体各部位的imu数据并传输至所述控制子系统；

所述控制子系统用于对人体各部位的imu数据进行联合分析，判断人体各部位的当前状态，并根据判断结果控制所述保护子系统；

所述保护子系统包括充气泵和气体承载体，当所述控制子系统判断出人体即将处于摔倒的状态时，向即将与地面接触的身体部位的充气泵发送控制信号，使该部位的充气泵为相应的气体承载体充气，同时所述控制子系统将人体位置信息发送至指定的智能终端。

优选的，所述imu传感器包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，所述imu数据相应地包括加速度和角速度；

其中，所述三个单轴的加速度计用于实时检测人体相应部位独立三轴的加速度信号，所述三个单轴的陀螺仪用于实时检测人体相应部位独立三轴的角速度信号。

优选的，所述控制子系统包括相互连接的微控制器和驱动电路，所述驱动电路与所述保护子系统中的充气泵连接；

所述微控制器用于根据角速度和加速度解算出人体各部位的姿态，判断人体是否有摔倒倾向以及有摔倒倾向时即将与地面接触的身体部位；

其中，当判断出人体有摔倒倾向时，所述微控制器通过控制所述驱动电路驱动对应部位的充气泵开始工作。

优选的，所述采集子系统还包括无线通信模块，所述无线通信模块分别与所述多个imu传感器以及所述定位传感器连接，以便将所述多个imu传感器采集的imu数据以及所述定位传感器采集的位置信息传输至所述控制子系统。

优选的，所述无线通信模块具体通过蓝牙、局域网、zigbee网络或mesh网络，将所述imu数据以及所述位置信息传输至所述控制子系统。

优选的，所述定位传感器安装设置在所述衣帽本体的任一位置处；所述多个imu传感器通过魔术贴的方式分别安装在人体的不同部位，所述不同部位包括手腕、脚腕、衣领、腰部和头部中的一处或多处。

优选的，所述衣帽本体包括上衣、裤子和帽子；所述控制子系统和所述保护子系统均设置在所述衣帽本体上，并通过上衣、裤子和帽子间的卡扣进行有线连接。

优选的，所述智能防摔衣帽系统还包括设置在衣帽本体上的电源和电源开关，所述电源分别为所述采集子系统、控制子系统和保护子系统供电，所述电源开关与所述电源连接。

优选的，所述气体承载体为气囊、气垫或气管。

优选的，所述衣帽本体的外部设置有一个或多个荧光标志。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型在人体的不同部位分别设置imu传感器，通过身体各部位imu数据的实时检测和联动分析，可智能分析出人体各部位的状态并判断是否有摔倒倾向，大大提高了预判的准确性和可靠性；当有摔倒倾向时，可及时控制对应部位的充气泵工作，快速填充衣帽，在短时间内有效对身体落地部位提供整体保护，提高保护等级和保护范围，可起到主动防护的作用，减少受伤后的伤害；并能够及时将用户的位置信息传送出去，有利于摔倒用户被及时发现并救治。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于imu的智能防摔衣帽系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种基于imu的智能防摔衣帽系统的组成框图；

图3为本实用新型实施例提供的一种采集子系统的组成框图；

图4为本实用新型实施例提供的一种控制子系统的组成框图；

图5为本实用新型实施例提供的一种保护子系统的组成框图；

图6为本实用新型实施例提供的另一种采集子系统的组成框图；

图7为本实用新型实施例提供的另一种保护子系统的组成框图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“a和/或b”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“a”、“b”、“a和b”三种情况。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

本实用新型例提供了一种基于imu的智能防摔衣帽系统，可有效预防人体的摔伤。如图1和图2所示，所述智能防摔衣帽系统主要包括衣帽本体、采集子系统、控制子系统和保护子系统。所述衣帽本体直接穿戴在人体身上，通常包括上衣、裤子和帽子；所述控制子系统和所述保护子系统通常直接设置在衣帽本体上，所述采集子系统可设置在所述衣帽本体上，也可直接设置在人体身上。所述采集子系统用于进行数据采集并将数据发送给所述控制子系统，所述控制子系统接收来自所述采集子系统的数据并对数据进行分析判断，所述保护子系统在所述控制子系统的控制下及时对人体进行保护。具体结构如下：

参考图3，所述采集子系统包括定位传感器和多个惯性测量单元(inertialmeasurementunit，简写为imu，也可称为imu传感器)，用于实时采集人体的位置信息并传输至所述控制子系统；具体可通过gps定位或网络定位等，在此不做具体限定。所述多个imu传感器分别设置于人体的不同部位，例如手腕、脚腕、衣领、腰部和头部等，以便用于实时采集人体各部位的imu数据并传输至所述控制子系统；其中，所述多个imu传感器可通过魔术贴的方式分别安装在手腕、脚腕、衣领、腰部和头部等人体的不同部位处，以解决长时间穿戴不舒适的问题。

所述控制子系统用于接收来自身体各部位的imu数据，进而通过对人体各部位的imu数据进行联合分析，判断出人体各部位的当前状态，主要是判断人体是否有摔倒倾向以及有摔倒倾向时即将与地面接触的身体部位，即身体着地点，并根据判断结果控制所述保护子系统。

参考图5，所述保护子系统包括相互连接的充气泵和气体承载体，当所述控制子系统判断出人体即将处于摔倒的状态时，向即将与地面接触的身体部位的充气泵发送控制信号，使该部位的充气泵为相应的气体承载体充气，充气泵填充可快速响应，从而可在短时间内快速填充衣帽系统，对人体落地部位提供保护，减少伤害；其中，所述气体承载体具体可以是气囊、气垫或气管。

同时，当所述控制子系统判断出人体即将处于摔倒的状态时，所述控制子系统还可将所述定位传感器采集的人体位置信息发送至指定的智能终端。其中，若将当前使用智能防摔衣帽系统的用户记为用户a，则所述指定的智能终端通常是由与用户a密切相关的其他用户携带，例如用户a的家人、朋友等。这是考虑到，如果用户a发生摔倒而无人及时发现，可能会导致用户a无法及时救治而耽误其伤情；通过设置定位传感器，并及时向其家人的智能终端(例如手机)发送位置信息，可使其家人快速锁定用户a的位置，家人便能很轻松地找到摔倒的用户a，为其救治赢得时间。

本实用新型实施例提供的上述智能防摔衣帽系统中，通过在人体的不同部位分别设置imu传感器，可根据人体各部位的imu数据智能分析出人体各部位的状态，当有摔倒倾向时可及时控制对应部位的充气泵工作，短时间内快速填充衣帽，预防摔伤；而通过设置定位传感器，可及时帮助摔倒者的家人锁定其位置，为其救助赢得时间。上述系统大大提高了预判的准确性和可靠性，通过充气填充在短时间内有效对身体落地部位提供整体保护，提高保护等级和保护范围，减少受伤后的伤害。

进一步地，所述imu传感器包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，所述imu数据相应地包括加速度和角速度。人体在摔倒的过程中，身体会朝向地面方向产生一定的加速度，所述三个单轴的加速度计用于实时检测人体相应部位独立三轴的加速度信号，所述三个单轴的陀螺仪用于实时检测人体相应部位独立三轴的角速度信号，即身体的运动方向信息。

参考图3，所述采集子系统还包括无线通信模块，所述无线通信模块分别与所述多个imu传感器以及所述定位传感器相连接，以便将所述多个imu传感器采集的imu数据以及所述定位传感器采集的位置信息传输至所述控制子系统；其中，所述无线通信模块具体可通过蓝牙、局域网、zigbee网络或mesh网络，将所述imu数据以及所述位置信息传输至所述控制子系统，在此不做具体限定。另外，所述无线通信模块可设置一个，由所述多个imu传感器以及所述定位传感器共用，如图3所示；也可以设置多个，分别对应与各imu传感器以及所述定位传感器连接，用于将相应身体部位的imu数据以及位置信息分别传输至所述控制子系统。

参考图4，所述控制子系统包括相互连接的微控制器和驱动电路，所述驱动电路与所述保护子系统中的充气泵连接。所述微控制器通过所述无线通信模块接收各imu传感器发送来的角速度和加速度数据，进而根据角速度和加速度解算出人体各部位的姿态，判断人体是否有摔倒倾向以及有摔倒倾向时即将与地面接触的身体部位；其中，当判断出人体有摔倒倾向时，所述微控制器通过控制所述驱动电路驱动对应部位的充气泵开始工作。

同时，所述微控制器还通过所述无线通信模块接收所述定位传感器发送来的位置信息，当判断出人体有摔倒倾向时，所述微控制器可通过蓝牙、局域网、zigbee网络或mesh网络等方式，将人体位置信息直接发送至指定的智能终端，以便摔倒用户的家人、朋友等及时获取其位置信息。

其中，在所述保护子系统中，所述充气泵可设置多个，每个充气泵通过管道与对应的气体承载体连接，即充气泵与气体承载体是“一对一”设置的；当人体即将处于摔倒的状态，且某一部位即将与地面接触时，该部位的充气泵为相应部位的气体承载体充气。当然，所述充气泵也可仅设置一个，通过多个管道分别与身体各部位的气体承载体连接，即充气泵与气体承载体是“一对多”设置的，且每个管道上设有相应的阀门，正常状态下各阀门均呈关闭状态；当人体即将处于摔倒的状态，且某一部位即将与地面接触时，充气泵与该部位对应气体承载体之间的管道上的阀门打开，其余阀门仍保持关闭，使得充气泵可通过相应管道为该部位的气体承载体充气。

另外，当人体摔倒时，通常不仅只有一个部位与地面接触；例如，可能肩部和背部均着地，此时需控制两个部位的气体承载体均完成充气填充，对人体起到最大的保护作用。在一个以上的身体部位着地时，不同身体部位着地的先后顺序可能也不同，假设仅设置一个充气泵来共同为各气体承载体充气，则所述充气泵与着地各部位对应的气体承载体间的通道同时打开(即对应通道上的阀门同时打开)，使得所述充气泵可同时为着地各部位对应的气体承载体充气；另一方面，也可控制所述充气泵与先着地身体部位对应的气体承载体间的通道打开，预设时间(该预设时间较短，例如0.5s，需保证后着地身体部位对应的气体承载体也能有足够时间充气，对后着地身体部位也能形成有效保护)后再控制所述充气泵与后着地身体部位对应的气体承载体间的通道打开，使得所述充气泵可先为先着地身体部位对应的气体承载体充气，预设时间后再为后着地身体部位对应的气体承载体充气。当仅设置一个充气泵时，如果所述充气泵同时为着地各部位对应的气体承载体充气，可能会使得充气效率不够高；而通过设置先后充气顺序，可在保证充气效率的同时，又能使各着地部位的气体承载体得到及时充气，对各着地身体部位形成保护。

进一步地，所述智能防摔衣帽系统通常还包括设置在衣帽本体上的电源和电源开关，所述电源用于分别为所述采集子系统、控制子系统和保护子系统供电；所述电源开关与所述电源连接，进而控制所述电源的通断，当操作所述电源开关使所述电源接通时，方可为各子系统供电。

进一步地，所述控制子系统和所述保护子系统均设置在所述衣帽本体上，并通过上衣、裤子和帽子间的卡扣进行有线连接，进而保证所述智能防摔衣帽系统的反应及执行的时间及时性。另外，考虑到用户在夜间活动时，由于周围光亮度不足，可能会使周围的人难以发现正在活动的用户，考虑到上述问题，可在所述衣帽本体的外部设置有一个或多个荧光标志，保证用户穿戴所述智能防摔衣帽系统在夜间活动时的安全性。

在一个具体的实施例中，所述智能防摔衣帽系统的安装示意图如图1所示，图中1、2、3、4、5、6、13对应于所述采集子系统，1-6分别表示设置在人体不同部位的imu传感器，用于实时采集人体各部位的imu数据，并通过所述无线通信模块传输至所述微控制器；13表示设置在所述衣帽本体的上衣处的定位传感器。其中，imu传感器1和imu传感器2分别设置在人体的胸部和腹部，imu传感器3和imu传感器4分别设置在人体的两个手腕处，imu传感器5和imu传感器6分别设置在人体的两个脚腕处，且各imu传感器均通过魔术贴的方式安装在人体相应部位，拆卸方便，并可长时间舒适穿戴。

图中7、8、9对应于所述控制子系统，8表示微控制器，7和9表示两个驱动电路，分别设置在所述衣帽本体的上衣和裤子位置处，进而分别用于驱动上衣和裤子处的充气泵工作。图中10、11、12分别表示设置在人体不同部位处的保护子系统，每个保护子系统由充气泵和气体承载体组成，负责对人体不同部位产生保护。所述控制子系统和所述保护子系统通过上衣、裤子和帽子间的卡扣进行有线连接，保证所述智能防摔衣帽系统的反应及执行的时间及时性。

进一步地，为便于用户及时注意周围路段情况，进而减少用户摔倒的可能性，所述采集子系统还可进一步包括摄像头，如图6所示；所述摄像头可设置一个或多个，安装在所述衣帽本体的外部并分别朝向不同的方向，用于采集人体周围不同方向上的图像或视频，并通过所述无线通信模块将图像或视频传输至所述控制子系统中的微控制器。相应地，所述保护子系统还包括语音提示模块和/或灯光提示模块，如图7所示。所述微控制器通过所述无线通信模块接收人体周围的图像或视频数据后，通过对所述图像或视频数据进行分析，判断周围路段情况；当发现周围路段情况出现异常时，例如前方有障碍物、前方路面坑洼严重时，所述微控制器可通过蓝牙、局域网、zigbee网络或mesh网络等方式，将路段异常信息发送至所述语音提示模块和/或所述灯光提示模块，由所述语音提示模块和/或所述灯光提示模块向用户发出提醒，以便用户及时减速，注意周围情况，进一步减少摔倒的可能性。其中，所述语音提示模块用于向使用智能防摔衣帽系统的用户发出语音提醒，所述灯光提示模块用于向使用智能防摔衣帽系统的用户发出灯光预警。

进一步地，考虑到用户在夜间活动时，如果周围的照明不足，会直接影响用户对周围环境的判断，从而更容易发生摔倒。为解决上述问题，所述采集子系统还可进一步包括设置在衣帽本体上的亮度传感器，如图6所示；所述亮度传感器用于实时采集人体周围的光亮度信息，并通过所述无线通信模块将光亮度信息传输至所述控制子系统中的微控制器。相应地，所述保护子系统还包括设置在衣帽本体上的照明设备，如图7所示。所述亮度传感器采集的光亮度信息传输至所述控制子系统中的微控制器后，所述微控制器可将采集的光亮度与预设阈值进行比较，当发现人体周围的光亮度低于预设阈值时，所述微控制器可通过控制相应的驱动电路来驱动所述照明设备工作，从而为用户照亮前方路段，更有利于用户的活动，减少其摔倒的可能性。

综上所述，本实用新型实施例提供的上述智能防摔衣帽系统主要有以下几方面的优势：

在人体不同部位分别设置imu传感器，通过身体各部位的imu数据联合分析判断人体状态以及身体着地点，可大大提高判断的准确性和可靠性；而且各imu传感器采用魔术贴的穿戴方式，适合长时间舒适地穿戴；

可局部触发其充气泵，短时间内快速填充衣帽系统，对身体落地部位提供整体保护，提高保护等级和保护范围，并大大减少后期的维护费用；

通过设置定位传感器，可在人体有摔倒倾向时及时将位置信息传送至指定的智能终端，有利于摔伤用户被及时发现并救治。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。