跌倒检测系统中的位移测量 发明领域 本发明涉及物体位移的测量，并且具体涉及一种使用加速计来测量下落中的物 体的位移的方法和系统。
技术背景 可以将三维加速计附着到物体上，并且该三维加速计可以测量物体在三个维度 中的加速度。 作为这些测量的一部分，加速计对作用于物体上的由重力引起的加速度进 行测量。
通常，人体跌倒检测系统包括用户佩戴的传感器模块，其用于在检测到紧急事 件的情况下将报警信号无线发送给系统的其余部分。 这种传感器模块包括报警按钮，用 户可以按下该报警按钮来使得该模块发出报警信号，或者包括检测器，其检测用户是否 已经跌倒，由此传感器模块自动发出报警信号。
许多现有的自动跌倒检测解决方案基于 ：利用通常在腰部附着在身体上的跌倒 检测器来测量日常活动的加速度以及用户跌倒的加速度。 这些跌倒检测解决方案的基本 原理是检测在跌倒过程中由身体撞击地面引起的较大或重大冲击。 一些解决方案还可以 检测由跌倒引起的身体的方向变化，这提高了跌倒检测的成功率。
然而，现有解决方案仍然具有无法接受的高误报警率。 原因在于 ：测量身体的 方向变化并结合检测出现的较大冲击常常不足以将用户的所有日常活动与跌倒相区分。
跌倒检测系统可以提供额外的功能，以产生更多关于用户活动的信息，这可以 提高性能。 具体而言，将位移测量传感器添加到传感器模块可以提高性能。 原因在于 ： 如果传感器模块附着在腰部，那么从站立姿势到跌倒到地面上会导致传感器模块的高度 降低大约从腰部到地面的高度。 这个位移信息有助于将一些日常活动与跌倒相区分，并 且提高了跌倒检测性能。
将气压计集成到基于加速计的跌倒检测系统中实现了上述需求，该基于加速计 的跌倒检测系统能够根据气压测量出绝对高度。 然而，在传感器模块中包括这种类型的 附加部件会导致系统能耗和尺寸增加。 另外，诸如外界气压变化或者温度变化等环境变 化可以负面影响气压计的测量。
因此，需要一种可替代的方法来对包括加速计的传感器模块的位移进行测量。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种人体跌倒检测系统，该人体跌倒检测系统 包括 ：适于附着到用户的传感器模块，所述传感器模块包括用于对作用于传感器模块上 的加速度进行测量的加速计 ；以及处理器，其用于分析所测量的加速度，以判断所述传 感器模块是否已经遭受了冲击，并且用于估计所述传感器模块在紧挨着该冲击之前的时 间段期间的垂直位移 ；其中所述处理器通过对加速计的测量值进行二次积分，来估计所 述传感器模块的垂直位移。优选地，如果所测量的加速度符合与固体碰撞的特征，那么所述处理器确定所 述传感器模块已经遭受了冲击。
优选地，如果所测量的加速度的幅值超过了预定阈值，那么所述处理器确定所 述传感器模块已经遭受了冲击。
可选地，如果在特定方向上所测量的加速度的幅值超过了预定阈值，那么所述 处理器确定所述传感器模块已经遭受了冲击。
可选地，如果所述加速计的测量值的变化超过了预定阈值，那么所述处理器确 定所述传感器模块已经遭受了冲击。
优选地，所述处理器还用于识别冲击时间，该时间为所述传感器模块遭受冲击 的时间。
优选地，所述处理器通过检查所测量的加速度的时间戳来识别所述冲击时间。
优选地，所述处理器还用于识别开始时间，该时间为冲击之前所述传感器模块 开始移动的时间。
优选地，所述处理器通过检查在所述冲击前所测量的加速度来识别所述开始时 间，以识别稳定时间段，在所述稳定时间段内，所测量的加速度的变化小于预定阈值， 并且所述处理器将所述开始时间识别为所述稳定时间段结束的时间。
可选地，或者另外，所述处理器通过检查在所述冲击前所测量的加速度来识别 所述开始时间，以识别高于预定阈值的所测量的加速度的方向变化，并且所述处理器将 所述开始时间识别为所述方向变化首次超过所述阈值的时间。
优选地，所述处理器通过在所述开始时间和冲击时间之间对所述加速计的测量 值进行二次积分，来估计所述传感器模块的所述垂直位移。
优选地，所述处理器通过识别所测量的加速度在所述开始时间作用于垂直方向 的分量，来估计在所述开始时间的重力加速度。
优选地，所述处理器从所述处理器所使用的测量值中减去所估计的重力加速 度，来估计所述传感器模块的垂直位移。
优选地，所述人体跌倒检测系统包括装置，其使用所估计的所述传感器模块的 垂直位移来判断是否已经发生了跌倒。
优选地，如果确定已经发生了跌倒，那么所述装置还用于触发报警。
在一些实施例中，所述处理器是所述传感器模块的一部分。 然而，在其它实施 例中，所述处理器是与所述传感器模块分开的基础单元的一部分。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，该方法包括 ：测量作用于物体上的 加速度 ；分析所测量的加速度，以判断所述物体是否已经遭受了冲击 ；通过对所述加速 计的测量值进行二次积分，来估计在紧挨着所述冲击前的时间段期间所述物体的垂直位 移。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机程序，当在计算机上执行时，该计 算机程序实现上述方法。 附图说明
现在，参照下列附图来描述本发明，这仅仅是示例性的，在附图中 ：图 1 示出了根据本发明的跌倒检测系统 ； 图 2 的方框图更加具体地示出了跌倒检测系统的传感器模块 ； 图 3 的流程图说明了根据本发明的方法 ； 图 4 是传感器模块和用户跌倒的示意图 ；以及 图 5 的曲线示出了加速计的一些示例性测量值。具体实施方式
图 1 示出了由用户 2 使用的跌倒检测系统。 该跌倒检测系统包括由用户 2 佩戴 的传感器模块 4 和基础单元 6。 传感器模块 4 可以佩戴在用户身体的任何部位上，但是优 选地，将它佩戴在用户腰部或胸部周围，以便改善对任何跌倒的检测。
传感器模块 4 至少包括用于测量所述传感器模块 4 所遭受的加速度的加速计、以 及用于与基础单元 6 进行通信的一些装置。 如果传感器模块 4 检测到跌倒或其它报警条 件，那么传感器模块 4 与基础单元 6 进行通信，并且基础单元 6 可以发出或触发报警。
在可选实施例中，可以将传感器模块 4 和基础单元 6 的功能组合到单个设备中。
图 2 更加具体地示出了传感器模块 4。 在这个实施例中，传感器模块 4 包括 ：加 速计 8，其在三个维度上测量传感器模块 4 所遭受的加速度 ；以及处理器 10，其用于根据 加速计 8 的测量值来判断是否已经发生了跌倒。 加速计 8 可以连续地测量加速度或者以 离散的间隔测量加速度，并且加速计 8 可以为每个测量值加上时间戳 ( 尽管处理器 10 可 以在将测量值写入存储器 18 中时为测量值加上时间戳 )。 传感器模块 4 还包括天线 12 和 相关的用于与基础单元 6 通信的收发器电路 14、在检测到报警条件的情况下发出报警信 号或音调的报警单元 16、以及用于存储加速计 8 的一组测量值的存储器 18。 在优选实施例中，存储器 18 是循环缓冲器或者相似类型的设备，其连续地或者 周期性地存储在特定时间段内加速计 8 的测量值，以便后续由处理器 10 检索。 因此，当 存储器 18 已满时，此后的测量值将覆盖存储器 18 中存储的最早的测量值，以至于存储器 18 包含了在从当前算起的过去特定时间间隔 T 内的 n 个最近的加速计测量值。 显然，存 储器 18 必须具有足够的容量来存储至少在跌倒发生的时间范围内的加速计测量值。 例 如，能够存储等于 5 秒的时间段内的加速计测量值的存储器 18 就足以实施本发明。
根据本发明，通过对加速计 8 的测量值进行二次积分来估计传感器模块 4 的位 移。 通过使该位移估计可用于在处理器 10 中执行的跌倒检测算法，可以改善跌倒检测系 统的误报警率的性能。
图 3 说明了根据本发明实施例的传感器模块 4 的估计位移的方法。 该方法开始 于步骤 101，这时冲击发生。 将 “冲击” 定义为加速计 8 的一个或一组测量值，其符合 与诸如地面等固体碰撞的特征。 具体而言，冲击可以是其幅值超过预定阈值的测量值， 或者冲击可以是其沿特定轴或者特定方向的幅值超过预定阈值的测量值。 可选地，由于 冲击将导致加速计 8 的输出发生大的变化，因此可以通过将测量值的变化与预定阈值进 行比较来识别冲击。 当加速计 8 的测量值被存储在存储器 18 中时，处理器 10 可以通过 检查这些测量值来识别冲击。
如上所述，加速计 8 连续地或周期地向存储器 18 提供加速度的测量值，以便存 储。 因此，在处理器 10 确定冲击已经发生的时刻 ( 由于处理延迟或者需要通过检查后续
的加速计测量值来确认跌倒，因此该时刻可能稍晚于冲击的发生时刻 )，存储器 18 将包 含在时间间隔 T 内的加速度的测量值。
在步骤 103 中，处理器 10 确定冲击发生的时间。 为此，处理器 10 检查存储器 18 中所存储的加速计测量值，以识别与该冲击相关的最大加速度测量值或峰值加速度测 量值。 如果加速计 8 提供了加速度沿三维轴的每个轴的单独测量值，那么处理器 10 可以 检查加速度向量的幅值，以确定最大加速度或峰值加速度。
一旦找到了测量值的峰值，利用相关的时间戳就能确定该测量值的时间，并且 将该时间记录为 timpact。
一旦已经确定了冲击时间，该方法识别出跌倒开始的时间 tonset( 步骤 105)。
优选地，该方法利用存储在存储器 18 中的加速计测量值来确定 tonset。 为此，处 理器对存储器 18 中的在时间 timpact 处的测量值之前的加速计测量值进行检查，以识别测量 值是否呈现了一个稳定的时间段，在该稳定的时间段内，加速计 8 所测量的加速度的幅 值和 / 或方向没有显著改变。
具体而言，已经注意到 ：在跌倒开始之前，加速计 8 的测量值通常是稳定的， 这是因为测量值的变化低于预定阈值。 因此，处理器 10 可以对存储器 18 中所存储的在 timpact 处的冲击之前的稳定时间段内的测量值进行检查，并且可以将跌倒开始的时间确定 为与该稳定时间段结束时刻的加速计测量值相关联的时间。
除上述内容之外或者可选地，在跌倒开始时，加速计 8 所测量的加速度方向也 开始变化，因此处理器 10 可以检查所存储的测量值，以便识别冲击时间 timpact 之前的时间 段，在该时间段中，方向开始以高于预定阈值的速率变化。 可以将跌倒开始时间 tonset 确 定为与该方向变化的时间段的开始时刻的加速计测量值相关联的时间。
如果处理器 10 使用这两种方法来识别开始时间，那么处理器 10 可以取这些时间 的平均值作为 tonset。
如果处理器 10 利用所存储的测量值无法识别出稳定时间段，或者加速度方向开 始变化的时间段 ( 或者如果处理器 10 想要验证这些测量值中一个或两个的可靠性 )，那么 处理器 10 可以使用下面的等式来估计开始时间 ：根据
在该等式中， H 为高度位移， g 为重力加速度，以及 tfall_duration 为跌倒的持续时 间，我们可以得到 ：
因此，如果假定高度位移为 0.8 到 1 米左右 ( 基于传感器模块被佩戴在用户腰部 的周围 )，则可以利用下面的等式来确定跌倒开始的时间 ：
tonset ＝ timpact-tfall_duration (3)
应该意识到，该 tonset 值仅严格适用于物体或人体自由跌倒的情况，但是这里将 它作为正常 ( 非自由 ) 跌倒的近似值。
在步骤 107 中，当跌倒开始时 ( 即，在时间 tonset)，处理器 10 对作用于加速计 8 的重力加速度进行估计。 这是通过识别加速计 8 在 tonset 时 ( 或刚好在 tonset 之前 ) 的测量
值的与重力对应的分量来完成的。 如果假定加速计 8 的 y 轴与地面垂直 ( 见图 4)，那么 处理器 10 可以通过取 tonset 测量值的 y 轴分量来估计在 tonset 时作用于加速计 8 的重力加速 度。
在步骤 109 中，处理器 10 计算在跌倒过程中已经发生的位移。
如图 4 中所示，假定传感器模块 4 附着在用户的腰部，并且当传感器模块 4 处于 正常取向时，传感器模块 4 中的加速计 8 的 y 轴指向下方，即重力作用的方向。
加速计 8 的测量值所表示的加速度是重力加速度和外力引起的加速度的叠加。 由于在跌倒开始时间 tonset 作用于传感器模块 4 的外力是未知的，因此在该步骤所计算的位 移是近似值。
应该意识到，仅需要计算重力方向上的位移。 因此，必须根据传感器模块 4 的 取向，将 x、y 和 z 轴上的加速度映射到重力方向上。 然而，在图 4 中，可以看到，传感 器模块 4 的取向在跌倒过程中会发生变化，原因在于传感器模块 4 沿弧线落地，而不是沿 向下的直线落地。
在近似计算中，假定重力 (y 轴 ) 方向上的初始作用力为零。 因此，可以使用等 式 (3) 来估计跌倒开始时间 tonset。 在向前 / 向后 ( 即，沿 z 轴 ) 或向左 / 向右侧 ( 即，沿 x 轴 ) 跌倒的大多数情况 下，一个轴将总是与重力作用的方向垂直，并且可以从计算中省略，这是因为在跌倒过 程中重力不会具有沿该轴的分量。 例如，在图 1 所示的向前跌倒中，不需考虑 x 轴。
在向前 / 向后跌倒中，角度为 Φ 的沿 y 轴和 z 轴的加速度有助于垂直位移 ( 假 定 ：在跌倒过程中， x 轴始终与重力作用的方向垂直 )。 角度 Φ 可以通过下式来估计 ：
Φ ＝ arccos(y/r) (4)
在式中，
由于加速计 8 的测量值包括两个部分，即作用于传感器模块 4 的重力加速度和其 它加速度，因此通过减去在步骤 107 中得到的初始 y 轴测量值 yinitial 来对重力加速度进行 补偿。
因而，通过求下面等式 (6) 的值，可以利用在时间段 tfall_duration 内的测量值的 y 轴 分量和 z 轴分量来得到在跌倒过程中传感器模块 4 的位移。
图 5 示出了示例性曲线，用于说明根据本发明的位移计算。 三条线表示在向前 跌倒的时间间隔 T 内的加速计 8 的 x 轴测量值、 y 轴测量值和 z 轴测量值。 该位移计算 在跌倒开始时间点和 “撞击地面” 时间点之间对加速度测量值进行二次积分，并且得出 105.54 厘米的垂直位移。
应该意识到，上述算法计算了在跌倒是向前跌倒或向后跌倒时的位移。 基于相 同原理，如果跌倒是向左侧跌倒或向右侧跌倒时，在计算中使用 x 轴读数和 y 轴读数。
在更普遍的情况下，在位移计算中使用加速度的所有分量。 在这种情况下，通 过求下面等式的值来计算位移
在式中，Φx 和 Φz 分别是 Φ 在 X-Y 和 Y-Z 平面上的分量，而 Ω 是由重力引起 的加速度 (9.8ms-2)。
可以将上面提供的位移估计算法集成到其中还包括取向和冲击检测的跌倒检测 系统中。 当传感器模块检测到取向变化和大的冲击时，它将确定冲击的时间 timpact，并且 计算位移。 如果位移值合理 ( 大约 0.5 到 1.5 米 )，那么处理器 10 可以将该冲击归类为跌 倒，否则，处理器 10 可以忽略该冲击。
例如，用户可能突然在他们的手中将传感器模块旋转 90 度并产生大的冲击，但 是计算出的位移接近于零，因此处理器 10 判定没有发生跌倒。
根据本发明的位移计算的优点在于 ：可以改善检测跌倒的误报警率、不需要高 度传感器 ( 高度传感器会增加传感器模块 4 的能耗和体积 )、以及由于二次积分计算的复 杂度低，因此易于被跌倒检测系统的传感器模块所采用。
尽管已经将本发明描述为完全在传感器模块中实现，但是应该意识到，该方法 的一部分可以由人体跌倒检测系统的基础单元 6 中的处理器来实现。 例如，传感器模块 4 可以将所有的加速计测量值传送到基础单元 6，以便由该单元 6 中的处理器来分析。
另外，尽管本发明提供了一种仅基于由加速计进行的测量来近似确定由跌倒引 起的传感器模块的高度变化的方法和仪器，但是应该意识到，本发明可以用于确定其它 事件过程中的位移，其中所述其它事件具有加速计测量中所表现的典型开始点和结束 点，并且其中加速计的取向可能发生变化。
尽管已经在附图和前面的说明书中具体地说明和描述了本发明，但是该说明和 描述被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的 ；本发明不局限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附的权利要求，本领域技术人员在实施所要求保 护的发明时可以理解和实现所公开实施例的各种变形。 在权利要求书，词语 “包括” 不 排除其它元件或步骤，并且不定冠词 “一个” 不排除多个。 单个处理器或其它单元可以
实现权利要求中所列举的几项的功能。 相互不同的从属权利要求中所列举的某些方法的 纯粹事实不表示 ：不可以利用这些方法的组合。 不应该将权利要求中的任何附图标记理 解成是对保护范围的限制。 计算机程序可以存储 / 分布在适当的介质上，例如与其它硬 件一起或作为硬件的一部分所提供的光存储介质或固态介质，但是计算机程序也可以以 其它形式分布，例如经由互联网或者其它有线或无线电信系统。