Inertialsensoren fungieren als primäre Datenerfassungsmaschine für die fortgeschrittene sturzbedingte Sturzerkennung in Schuhen. Insbesondere messen Beschleunigungsmesser lineare Beschleunigung, um Geschwindigkeit und Aufprall zu messen, während Gyroskope Winkelgeschwindigkeit aufzeichnen, um die Rotation zu verfolgen. Zusammen erzeugen sie die hochfrequenten Rohdaten, die erforderlich sind, um zwischen normalen Gangmustern und kritischen Ereignissen wie Stürzen, Ausrutschen oder Stolpern zu unterscheiden.
Kernbotschaft Während einfache Sensoren erkennen können, wann ein Fuß den Boden berührt, erfassen Inertialsensoren die Physik dieser Interaktion. Durch kontinuierliche Überwachung der Geschwindigkeit und Drehung der Gliedmaße in drei Dimensionen liefern diese Komponenten die Detailgenauigkeit, die erforderlich ist, um die plötzliche, intensive Dynamik zu identifizieren, die für einen Sturz charakteristisch ist.
Die Mechanik der Bewegungserfassung
Messung der linearen Beschleunigung
Der Beschleunigungsmesser ist für die Erfassung von Geschwindigkeitsänderungen entlang linearer Achsen zuständig. Im Kontext eines Sturzes erfasst dieser Sensor die schnelle Geschwindigkeitszunahme gefolgt von der plötzlichen Verzögerung des Aufpralls.
Diese Daten sind entscheidend für die Messung der Intensität der Bewegung. Sie ermöglichen es dem System, zwischen einem sanften Schritt und dem Aufprall mit hoher Kraft zu unterscheiden, der auftritt, wenn ein Benutzer bei einem Sturz auf den Boden trifft.
Verfolgung der Winkelgeschwindigkeit
Das Gyroskop ergänzt den Beschleunigungsmesser durch die Messung der Winkelgeschwindigkeit, d. h. wie schnell sich der Sensor dreht. Dies ist entscheidend für das Verständnis der Ausrichtung des Fußes und des Beins im Raum.
Bei einem Ausrutscher oder Stolpern verdreht oder dreht sich der Fuß oft auf unnatürliche Weise. Das Gyroskop zeichnet diese Rotationsverschiebungen auf und liefert Kontext zu den linearen Daten, die vom Beschleunigungsmesser gesammelt werden.
Integration in Inertialmesseinheiten (IMUs)
Moderne Systeme kombinieren diese Sensoren oft zu einer einzigen hochpräzisen Inertialmesseinheit (IMU). Diese Integration ermöglicht die Erfassung von dreidimensionalen räumlichen Bewegungsdaten.
Durch die Synthese von Daten aus mehreren Achsen erstellt die IMU ein umfassendes digitales Modell der Flugbahn des Fußes. Diese Daten mit hoher Abtastrate sind das "Rohmaterial", das von Algorithmen zur Erkennung komplexer Aktionen verwendet wird.
Der Vorteil der Platzierung in Schuhen
Erfassung von hochdynamischen Aufprällen
Im Gegensatz zu Drucksensoren, die hauptsächlich die Gewichtsverteilung messen, sind Inertialsensoren hervorragend darin, dynamische kinetische Daten zu erfassen.
Sie sind speziell in der Lage, die intensiven Aufprälle bei hochdynamischen Aktivitäten aufzuzeichnen. Dies macht sie entscheidend für die Erhöhung der Empfindlichkeit des Systems und stellt sicher, dass schwere Stürze nicht übersehen werden.
Unterscheidung komplexer Gänge
Die Platzierung von IMUs an den unteren Gliedmaßen ermöglicht es dem System, relative Bewegungseigenschaften zu erfassen.
Diese Daten ermöglichen es dem System, spezifische Gangmuster in Echtzeit zu identifizieren. Es kann zwischen Gehen auf ebenem Boden, Treppensteigen und Treppenabsteigen unterscheiden, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms beim Navigieren auf unebenem Gelände reduziert wird.
Verständnis der Kompromisse
Empfindlichkeit vs. Fehlalarme
Da Inertialsensoren sehr empfindlich auf hochdynamische Aktivitäten reagieren, besteht die Gefahr, dass beabsichtigte Bewegungen fälschlicherweise als Stürze interpretiert werden.
Kraftvolle Aktionen wie Springen oder Laufen erzeugen Beschleunigungs- und Winkelgeschwindigkeitsdaten, die einem Sturz ähneln. Das System muss ausgeklügelt genug sein, um die Daten kontextbezogen zu analysieren, um Alarme während des Trainings zu vermeiden.
Datenverarbeitungsanforderungen
Inertialsensoren erzeugen riesige Mengen an hochfrequenten Rohdaten.
Die Verarbeitung dieses Datenstroms erfordert robuste Algorithmen, um Rauschen zu filtern und Muster sofort zu identifizieren. Dies erhöht die Komplexität der Software und des Strombedarfs des Systems im Vergleich zu einfacheren, passiven Sensoren.
Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen
Das Verständnis der Rolle dieser Sensoren hilft bei der Auswahl oder Entwicklung der richtigen Sicherheitslösung.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf maximaler Sicherheit liegt (ältere Menschen/Gebrechliche): Priorisieren Sie Systeme mit hochpräzisen IMUs, da die Kombination von Beschleunigungs- und Gyroskopdaten die höchste Empfindlichkeit für die Erkennung von Ausrutschern und Stolperern vor dem Aufprall bietet.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf Aktivitätsüberwachung liegt (Sport/Fitness): Stellen Sie sicher, dass die Algorithmen des Systems so abgestimmt sind, dass sie zwischen den hochdynamischen Aufprällen des Laufens und tatsächlichen Stürzen unterscheiden, um ständige Fehlalarme zu vermeiden.
Inertialsensoren verwandeln einen Standardschuh in ein hochentwickeltes Diagnosewerkzeug, das kritische Daten liefert, die erforderlich sind, um körperliche Bewegung in umsetzbare Sicherheitsinformationen umzuwandeln.
Zusammenfassungstabelle:
| Sensortyp | Messmetrik | Schlüsselfunktion bei der Sturzerkennung |
|---|---|---|
| Beschleunigungsmesser | Lineare Beschleunigung | Misst die Bewegungsintensität und die plötzliche Aufprallkraft. |
| Gyroskop | Winkelgeschwindigkeit | Verfolgt die Fußrotation und -ausrichtung zur Erkennung von Stolpern/Ausrutschen. |
| IMU (integriert) | 3D-Raumdaten | Synthetisiert komplexe Bewegungsbahnen für die Ganganalyse. |
| Datenalgorithmen | Hochfrequente Muster | Unterscheidet zwischen normaler Übung und kritischen Sturmereignissen. |
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Referenzen
- Fayez Alfayez, Surbhi Bhatia. IoT-blockchain empowered Trinet: optimized fall detection system for elderly safety. DOI: 10.3389/fbioe.2023.1257676
Dieser Artikel basiert auch auf technischen Informationen von 3515 Wissensdatenbank .
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