Детектор падений на основе трехосного цифрового акселерометра

В статье рассмотрены особенности построения таких индивидуальных приборов, как детекторы падения, выполненных на основе трехосного акселерометра ADXL345.

Н. Джиа

Часто людям, получившим травмы в результате падения, медицинская помощь оказывается не сразу, а через определенное (иногда достаточно длительное) время. Это, прежде всего, относится к пожилым людям, ослабленным тяжелыми заболеваниями и страдающим головокружением, которые получают травмы из-за внезапных падений. Несвоевременное оказание помощи таким пациентам может привести к фатальному исходу. Чем быстрее будет оказана помощь, тем выше вероятность предотвращения негативных последствий, вызванных внезапным падением. Кроме пожилых пациентов это относится к специалистам таких профессий, как кровельщики, художники, монтажники, мойщики окон, альпинисты и т.п. Поэтому создание индивидуальных приборов, сигнализирующих о падении человека и фиксирующих особенности такого падения, является важной задачей. Такие детекторы могут быть созданы на основе новых 3-осных акселерометров компании Analog Devices, выполненных с использованием iMEMS-технологии. Они фиксируют данные о положении тела и его ускорении в процессе падения. Благодаря такому прибору легко определить, было ли падение и есть ли необходимость в оказании срочной медицинской помощи. Детектор падения может содержать навигационную систему, фиксирующую координаты нахождения пострадавшего, и передатчик, сигнализирующий о необходимости оказания срочной медицинской помощи.

Рекомендуемый к использованию в детекторах падения трехосный iMEMS-акселерометр ADXL345 имеет цифровой выход, обеспечивает измерение ускорения в диапазонах: ±2, ±4, ±8 и ±16 g с разрешением 13 бит. Чувствительность ADXL345 4 Mg/ЕМР, ток потребления не более 130 мкА, последовательный интерфейс — I2C, размеры корпуса 3x5x1 мм. Акселерометр имеет встроенную FIFO-память на 32 слова. Структурные особенности этого акселерометра и гибкая система прерываний позволяют легко алгоритмизировать процесс падения человека и произвести фиксацию основных параметров такого падения.

На рис. 1 приведена функциональная схема акселерометра ADXL345 (а) и структурная схема назначения выводов (б). Акселерометр имеет две линии прерывания INT1 и INT2, обеспечивающие формирование восьми признаков падения. Каждая линия прерывания имеет автономное управление. Ниже приведены перечень и назначение этих признаков:

• DATA_READY устанавливается на выходах INT1 и INT2, когда ИМС готова к съему данных

• SINGLE_TAP свидетельствует о том, что одно из ускорений превысило заданное (предварительно записанное в регистр THRESH_TAP) значение

• DOUPLE_TAP свидетельствует о том, что ускорения по двум осям превысили заданные в регистре THRESH_TAP значения

• ACTIVITY свидетельствует о том, что ускорение превысило значение, записанное в регистре THRESH_ACT

НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ²

Микросхемы i MEMS-акселерометров уже сейчас широко используются в различных системах и приборах. Однако эти замечательные устройства могут найти еще более широкое применение, если будут реализованы рассмотренные ниже приложения.

Разбалансированные стиральные машины в процессе работы начинают раскачиваться и даже двигаться по полу. С помощью акселерометра может быть измерен крутящий момент и восстановлена балансировка стиральной машины. Чем лучше выполнена балансировка стиральной машины, тем больше может быть скорость вращения ротора и, как следствие, лучше будет отжиматься одежда. Кроме того, в этом случае потребуется меньше демпфирующих компонентов, поэтому стиральная машина будет легче и дешевле, повысится срок ее службы.

Для того, чтобы балансировка стиральной машины выполнялась наилучшим образом, во вращающиеся узлы встраивают ИМС акселерометров, которые обеспечивают измерение вибраций, биений и других параметров движения этих узлов и, если результаты измерений выходят за установленные допуски, происходит аварийный останов стиральной машины с идентификацией неисправности. Лучшим акселерометром для этих целей является ИМС ADXL001, которая позволяет измерять вибрации в полосе частот до 22 кГц.

Современные акселерометры позволяют определить наклон любого изделия — от громоздкой и тяжелой машины до миниатюрного и легкого мобильного телефона. Встроенный микроконтроллер по измеренному углу наклона обеспечивает выравнивание изделия относительно любой оси. ИМС акселерометра ADXL203 позволяет измерять наклон с погрешностью не более ±5° в диапазоне рабочих температур. При использовании температурной компенсации погрешность может быть снижена до ±0.5°. Встроенные в мобильный телефон акселерометры позволяют обеспечить функции навигатора, а также упростить управление телефоном. Так, например, без использования кнопок можно перемещать содержимое экрана, контролировать определенные звонки и т.п.

Акселерометры используются для включения сигнала тревоги, если происходит несанкционированная буксировка автомобиля или подъем его домкратом при хищении колес. Наиболее распространенным способом хищения автомобиля является его буксировка с места стоянки. В этом случае обычные средства защиты (блокировка зажигания, рулевого управления и т.п.) не срабатывают. Применение в автомобилях акселерометра ADXL213, который позволяет фиксировать каждую минуту отклонения корпуса автомобиля c разрешением 0.5°, решает эту задачу.

Акселерометры могут быть использованы для определения состояния лыжных креплений в процессе эксплуатации. Известно, что при большой нагрузке лыжные крепления могут расстегнуться, что приводит к падению лыжника и его травмированию. Своевременный сигнал о состоянии таких креплений позволяет уберечь лыжника от травм. Отметим, что подобные изделия в настоящее время не выпускаются.

Акселерометры могут успешно дополнять индивидуальные навигационные системы. Пешеходы, использующие индивидуальные навигаторы, иногда попадают в зоны, в которых отсутствует прием сигналов спутника или ретранслятора. В этом случае акселерометр может выполнять функцию педометра, измеряя с погрешностью не более ±1% дистанцию, которую прошел пешеход до появления навигационного сигнала.

Установленный на высококачественном динамике акселерометр позволяет обеспечить его оптимальное положение для минимизации искажений. В качестве такого акселерометра может быть использована ИМС ADXL193, которая отличается малыми размерами и массой и практически не ухудшает акустические свойства динамика.

Акселерометры используются в мышечных электростимуляторах. Во время ходьбы мышцы могут испытывать недостаток в кислороде. Акселерометр позволяет определить, какая из мышц недостаточно сокращается, после чего включается электростимулятор. Ранее в таких системах использовались жидкостные или шариковые сенсоры, которые при необходимости включали/вык-лючали электромеханические ключи стимуляторов. Электростимуляторы с акселерометрами более надежны, меньше потребляют и имеют малые габариты.

С помощью акселерометра можно попытаться ослабить шум в салоне автомобиля. Для этого нужно измерить частоту и уровень вибрации источника шума и сформировать встречный шумовой сигнал с такими же характеристиками. Однако, в связи с тем, что в автомобилях достаточно много источников шума с разными параметрами, такой способ ослабления шума на практике пока не используется.

Рис. 1. Функциональная схема акселерометра ADXL345 (а) и схема назначения выводов (б)

• INACTIVITY свидетельствует о том, что ускорение находится в пределах записанного в регистре THRESH_INACT значения

• FREE_FALL свидетельствует о том, что ускорение, характеризующее падение, меньше заданного уровня

• WATERMARK свидетельствует о том, что FIFO-память полностью заполнена и ее необходимо очистить

• OVERRUN свидетельствует о том, что новые данные сменили ранее записанные в FIFO-памяти, причем последние не были прочитаны.

На рис. 2 приведены диаграммы работы акселерометра при прерываниях SINGLE_TAP и DOUBLE_TAP.

Рис. 2. Диаграмма работы акселерометра ADXL345 при прерываниях SINGLE_TAP и DOUBLE_TAP

Ниже покажем, как должен работать акселерометр в детекторе падений. На рис. 3 приведены графики изменения ускорений для случаев, когда человек поднимается (а) или спускается (б) по ступенькам лестницы и когда садится (в) или встает со стула (г). Такой прибор, как детектор падений, крепится на поясе пациента, причем оси прибора ориентируются следующим образом: ось Y — вертикально и уравновешивается ускорением g, а оси Х и Z -горизонтально и расположены под углом 90°. Горизонтальные оси уравновешены друг относительно друга.

Пожилые люди передвигаются относительно медленно с небольшими изменениями ускорений по трем осям. Самое большое ускорение по оси Y достигает 3g в случае, когда они садятся. Если же эти люди падают, ускорения, фиксируемые в детекторе падения, изменяются в более широком диапазоне. Изменения ускорений по трем осям в процессе падения человека приведены на рис. 4. Ключевые отличительные признаки падения отмечены на рис. 4 красным цветом. Все этапы падения человека фиксируются детектором. Их описание приведено ниже:

1. Начало падения. На этом этапе человек находится как бы в состоянии свободного падения. Ускорение по оси Y уменьшается до 0, тогда как в нормальном состоянии это ускорение составляет не менее 1g. Таким образом, резкое уменьшение ускорения соответствует о падении человека и на линии прерывания ADXL345 появится признак FREE_FALL.

2. После этапа свободного падения происходит удар тела человека о землю или другой объект. Кривая в окне 2 (рис. 4) свидетельствует об ударе. На линии прерывания появляется признак ACTIVITY, что также свидетельствует о падении.

3. После падения и удара человек некоторое время находится в неподвижном состоянии. Поэтому признак ACTIVITY на линии прерывания сменяется признаком INACTIVITY, что тоже свидетельствует о произвольном падении.

4. После падения тело человека существенно меняет ориентацию в пространстве вдоль осей Y, X, Z, что также фиксируется акселерометром.

Как показано на рис. 4, статическое ускорение изменялось от -g по оси Y до 3g по оси Z, причем значения ускорений по трем осям превысили допустимые пределы (в нашем случае 0.7g).

Все рассмотренные стадии падения легко алгоритмизируются. Встроенный в детектор микроконтроллер производит необходимые вычисления в соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 5, и в случае фиксации падения формирует сигнал тревоги.

Рис. 4. Графики изменения ускорений в процессе падения человека

Рис. 5. Алгоритм вычисления параметров падения человека

Отметим, что детектор определяет длительность каждого этапа падения, что позволяет вычислить примерную высоту, с которой произошло это падение. Если падение произошло с высоты более 0.45 м, вырабатывается сигнал тревоги. Кроме того, в микроконтроллере вычисляется направление падения: назад или вперед, вправо или влево. В качестве микроконтроллера в детекторе падения может быть использована ИМС ADuC7026, которая легко сопрягается с акселерометром ADXL345, как показано на рис. 6.