适用于跌倒检测的并联式六维加速度传感器基础理论研究

With the outstanding issues of aging and empty-nest, the incidence of falls in older people is high, which is the social focus. Now researches on fall detection systems are still at principle exploratory stage, and the technical bottleneck of which is the mismatch between front sensing unit and the latter two modules. According to the above present situation, three aspects around the parallel type six-axis accelerometer including dynamics decoupling algorithm, configuration and axis drift of compound flexure spherical hinges, error compensation and fault-tolerant processing are studied and discussed deeply. This work is useful for making six-axis accelerometer suitable for fall detection..The proposed integration elastomers unit has advantages of low installation accuracy and without influence on the normal activities of the aged, which provides the guarantee of decoupling characteristic quantities accurately, efficiently and absolutely. By integrating two dynamic models in configuration-space and phase-space and constructing hybrid symplectic algorithm, problems including zero drift, anisotropy and initial perturbation can be solved, and damage degree of fall detection can be quantitated. By constructing the pseudo-rigid-body model of compound flexure spherical hinges, parasitic motion of the nested structure can be offseted, which ensures the system steadily. By the aid of double redundant attributes, filtering algorithm can be designed, and two main types of errors and the temporary failure can be restored, which ensures the system robustly.

随着老龄化、空巢化趋势愈加突出，老年人跌倒发生率高、后果严重，已成为社会关注的焦点。目前跌倒检测系统尚处于原理探索阶段，主要技术瓶颈为前端传感单元与其后两个模块不匹配。针对该现状，拟在申请者硕士、博士学位论文的基础上，从动力学解耦算法、复合弹性球铰链构型及轴漂、误差补偿及容错处理三个方面对并联式六维加速度传感器展开深入研究，旨在使其适用于跌倒检测。.提出的一体化弹性拓扑单元具有安装精度要求低且不影响人体正常活动的优点，从构型上为跌倒特征量的精确、高效、完全解耦提供保证。通过融合位形空间、相空间内的动力学模型，构建杂交型辛算法，能够解决传统算法中零点漂移、各向异性、初始摄动的问题，以量化跌倒伤害程度。通过建立复合弹性球铰链的伪刚体轴漂模型，能够弥补嵌套式结构的寄生运动，以保证系统的稳健性。借助于特有的二元冗余属性设计滤波算法，能够实现两类主要误差的补偿及临时故障的修复，以保证系统的鲁棒性。

目前跌倒检测系统的误判率、漏判率高，根本原因是缺少与之完全匹配的前端传感单元。针对此现状，提出Stewart台体冗余构型的并联式六维加速度传感器，并从解耦算法、误差补偿、故障诊断三个方面进行了理论、仿真和试验研究。通过引入前置、后置矩阵以及“辅助角速度”的概念，将位形空间内的动力学方程转换成两组形式简单的一阶线性常微分方程，并运用梯形方法推导出关键特征量的显式递推公式；进一步地，通过融合位形空间、相空间内的解耦算法，并基于共轭变量的正交关系，推导出关于8个Hamilton转动参量的常微分方程组以及广义加速度关于转动参量的一次多项式，构建了一种混合解耦算法，解耦误差为0.62%。通过剖析解耦机理，找到了影响解耦精度的三类误差源，包括轴向力误差、初始对准误差、参数误差，且三者满足叠加效应。通过构建辅助角速度误差与源误差、加速度误差之间的映射，推导出三组基本误差方程的解析式，并据此揭示了各误差因素的影响规律。剖析混合算法的基本结构和中间参量的影响因素后发现，广义加速度的误差累积效应可以用相轨迹的扩散趋势来表达，进而找到了产生误差累积效应的根本原因，即中间转动参量的数值递推结构中缺少反馈信息。选取角运动的方向交替点为状态特征点，推导出特征点与Hamilton变量的映射关系，并据此定义了两个状态观测量。基于观测量的局部小值和特征阈值，给出了特征点的判据，进而构建了一种半闭环结构的误差自补偿算法。样机试验结果显示，自补偿算法并未破坏解耦系统的实时性，且实验室条件下在1分钟内的综合误差仅为3.05%。从尺度约束的角度挖掘出弹性体拓扑构型中的变形协调条件，推导出三个力协调方程，由此给出了一种可解决93个组合故障问题的容错处理方案，并进行了试验验证。上述研究结果表明，所提出的并联式六维加速度传感器在原理精度、解算实时性和鲁棒性方面均能够满足跌倒检测系统的前端传感要求，同时也为后续的结构优化等工作提供了理论指导。