1課堂導入當前，很多國家都面臨人口老齡化的問題，老齡人口不斷增加。而很多老年人都有跌倒的經(jīng)歷，據(jù)統(tǒng)計跌倒是造成傷害死亡的第四大因素,在65歲以上的老年人中則為首要因素。造成死亡的主要原因是老年人在跌倒后沒有及時得到救治，耽誤了最佳搶救時間。我們可以設計一個機器人來解決這個問題：準確、快速地檢測老年人跌倒的發(fā)生并及時予以救助，以降低跌倒對老年人造成的傷害。學習目標11.掌握運動傳感器、蜂鳴器等器件的使用方法。2.能設計、搭建一個跌倒救助機器人模型，并編寫程序實現(xiàn)功能。2目錄一、項目分析，方案確定二、系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)三、功能拓展與實踐項目分析，方案確定一一、項目分析，方案確定項目分析，方案確定一1.項目分析本項目研究的問題是檢測跌倒的發(fā)生，并在人跌倒后及時發(fā)出告警信號并及時救助。那么，如何檢測到跌倒的發(fā)生呢?（1）跌倒檢測分析后發(fā)現(xiàn)，人的跌倒是一個復雜的運動過程，且速度會發(fā)生快速變化。在運動學中，描述速度改變快慢的物理量稱為加速度；重力對自由下落的物體產(chǎn)生的加速度，稱為重力加速度。人在跌倒時，在豎直方向受重力影響，其加速度會發(fā)生變化，可以通過檢測加速度的突變來檢測跌倒事件的發(fā)生。思考:請和本小組的同學們一起分析，人的跌倒是怎樣的運動過程，在跌倒過程中還有哪些物理量發(fā)生了變化?項目分析，方案確定一（2）功能分析為了監(jiān)測跌倒情況的發(fā)生，可以將跌倒檢測設備穿戴在人體上。當人體跌倒時，發(fā)出告警聲音提醒周圍人群及時救助。還可以通過無線通信方式發(fā)出求救信號，等待機器人救助。所以可以將跌倒救助機器人分成兩個部分。穿戴端跌倒檢測發(fā)出現(xiàn)場求救信號發(fā)送遠程求救信號項目分析，方案確定一2.技術選型用加速度傳感器檢測跌倒事件的發(fā)生，用蜂鳴器發(fā)出告警聲音，用藍牙模塊傳輸告警信號。遠程救援端接收遠程求救信號啟動巡邏與定位前往跌倒現(xiàn)場項目分析，方案確定一項目主要選用的器件表器件名稱描述蜂鳴器蜂鳴器是一種結構化的電子訊響器，廣泛用于計算機、打印機、復印機、告警器、電子玩具、汽車電子設備、電話、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。運動傳感器運動傳感器是一種常用的檢測器件，在多個行業(yè)中都有應用。常用的運動傳感器主要包括三軸加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器等。MPU6050模塊集成了三軸MEMS陀螺儀和三軸MEMS加速度計，能夠方便地測量三軸加速度和三軸偏轉角。藍牙模塊藍牙是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術，具有方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗等特點，因此它是無線通信的主流技術之一。藍牙設備在使用前必須進行配對連接，連接成功后設備有主從之分，主設備只有一臺，從設備可以有多臺。項目分析，方案確定一3.方案確定跌倒救助機器人設計方案項目名稱跌倒救助機器人作品功能穿戴端檢測出跌倒事件的發(fā)生，并發(fā)出求救聲音，同時發(fā)送求救信號，遠程救援端收到信號后做出救援反應。材料清單Arduino控制器、Arduino擴展板、MPU6050運動傳感器、蜂鳴器（2個)、直流電機驅動模塊2（L9110）、藍牙模塊（2塊）、USB數(shù)據(jù)線等。實現(xiàn)過程跌倒救助機器人分為兩個部分：一個部分是含有跌倒檢測和求救功能的穿戴端，使用MPU6056模塊檢測跌倒事件的發(fā)生，使用蜂鳴器發(fā)出求救聲，通過藍牙傳輸遠程求救信號；另一部分為遠程救援端的救援機器人，在接到求救信號后啟動救護告警，并啟動救護動作實施救援。項目分析，方案確定一運行流程見下圖：開始程序初始化檢測到跌倒？發(fā)出無線求救信號啟動蜂鳴器報警是否穿戴端工作流程圖開始程序初始化接收到求救信號？做出救援反應否是救援端工作流程圖系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二二、系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二1.結構搭建根據(jù)設計方案，穿戴端主要組成有Arduino控制器、MPU6050模塊、蜂鳴器、藍牙模塊和背帶。為便于封裝和穿戴，可以使用Arduino擴展板進行器件集成。Arduino擴展板藍牙模塊背帶蜂鳴器MPU6050模塊系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二2.系統(tǒng)接線基于跌倒救助機器人的基本結構和模塊的使用方法，將Arduino控制器與MPU6050模塊、藍牙模塊和蜂鳴器模塊進行系統(tǒng)接線，如下圖所示：MPU6050模塊藍牙模塊蜂鳴器系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二連接端口對應表模塊名稱模塊端口Arduino控制器端口蜂鳴器VCC5VGNDGNDI/O8MPU6050模塊VCC5VGNDGNDSCLA5SDAA4INT2藍牙模塊VCC5VGNDGNDRXDTXTXDRX器件的針腳對應表如下所示：系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二3.程序編寫(1）數(shù)據(jù)分析穿戴端的主要功能是檢測跌倒事件的發(fā)生，可以利用MPU6050模塊獲取加速度的突然變化來檢測跌倒。MPU6050模塊可以獲取三維空間版X、Y、Z三個軸向的加速度值，MPU6050的程序模塊在“傳感器”分組中可以找到。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二在Mixly中，MPU6050的使用比較簡單，可以通過串口監(jiān)視器將加速度值顯示出來，以供研究，如下圖所示：小提示：字符“\t”在ArduinoIDE中表示的是制表符，在窗口會顯示出一定的間隔。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二小提示：在串口監(jiān)視器中，可以使用Ctrl+C組合鍵，復制出監(jiān)視器中選定的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二任務一：設計一組實驗，模擬跌倒事件的發(fā)生，并且獲取跌倒過程中三軸加速度變化的數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)分析軟件進行分析，寫出你認為可行的跌倒檢測的算法。（2）跌倒檢測算法的設計我們來做一個跌倒實驗，將穿戴端設備穿戴在模特身上，模擬人類跌倒。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二下圖展示跌倒實驗中采集的數(shù)據(jù)，并使用Excel軟件將數(shù)據(jù)用折線圖表示出來。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二任務二：請你認真分析跌倒實驗數(shù)據(jù)分析折線圖，提煉出圖像的信息特征并加以解釋。從數(shù)據(jù)分析可以看出，在跌倒情況發(fā)生時，三個軸向的加速度都發(fā)生了劇烈波動。為簡化檢測，我們可以運用在單個軸向上（以Y軸為例)，在跌倒時間內（按1s計算）求極值的方式來檢測跌倒的發(fā)生。系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二開始聲明變量加速度最大值aMax和最小值aMin，并賦值為當前Y軸方向的加速度取amax與當前Y軸方向的加速度的最大值賦值給aMax跌倒報警變量i≥20

？是否取amin與當前Y軸方向的加速度的最小值賦值給aMin延時50msaMax-aMin>閾值？是否系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二思考：結合實驗數(shù)據(jù)分析，思考和探究如下問題:1.基于實驗，你們小組確定的告警閾值為多少?2.上圖所示的算法有沒有可以改進的地方？請?zhí)岢瞿愕南敕ā?.除了用極值的方式檢測跌倒事件，還有其他算法嗎?系統(tǒng)搭建，功能實現(xiàn)二(3）程序編寫基于上面的分析，首先設計告警函數(shù)alarm()，用于跌倒后使用蜂鳴器發(fā)出現(xiàn)場告警求救聲音。對于發(fā)出藍牙信