2.3跌倒救助机器人（第一课时）（课件）-九年级信息技术下册课堂（川教2019版）

1课堂导入当前，很多国家都面临人口老龄化的问题，老龄人口不断增加。而很多老年人都有跌倒的经历，据统计跌倒是造成伤害死亡的第四大因素,在65岁以上的老年人中则为首要因素。造成死亡的主要原因是老年人在跌倒后没有及时得到救治，耽误了最佳抢救时间。我们可以设计一个机器人来解决这个问题：准确、快速地检测老年人跌倒的发生并及时予以救助，以降低跌倒对老年人造成的伤害。学习目标11.掌握运动传感器、蜂鸣器等器件的使用方法。2.能设计、搭建一个跌倒救助机器人模型，并编写程序实现功能。2目录一、项目分析，方案确定二、系统搭建，功能实现三、功能拓展与实践项目分析，方案确定一一、项目分析，方案确定项目分析，方案确定一1.项目分析本项目研究的问题是检测跌倒的发生，并在人跌倒后及时发出告警信号并及时救助。那么，如何检测到跌倒的发生呢?（1）跌倒检测分析后发现，人的跌倒是一个复杂的运动过程，且速度会发生快速变化。在运动学中，描述速度改变快慢的物理量称为加速度；重力对自由下落的物体产生的加速度，称为重力加速度。人在跌倒时，在竖直方向受重力影响，其加速度会发生变化，可以通过检测加速度的突变来检测跌倒事件的发生。思考:请和本小组的同学们一起分析，人的跌倒是怎样的运动过程，在跌倒过程中还有哪些物理量发生了变化?项目分析，方案确定一（2）功能分析为了监测跌倒情况的发生，可以将跌倒检测设备穿戴在人体上。当人体跌倒时，发出告警声音提醒周围人群及时救助。还可以通过无线通信方式发出求救信号，等待机器人救助。所以可以将跌倒救助机器人分成两个部分。穿戴端跌倒检测发出现场求救信号发送远程求救信号项目分析，方案确定一2.技术选型用加速度传感器检测跌倒事件的发生，用蜂鸣器发出告警声音，用蓝牙模块传输告警信号。远程救援端接收远程求救信号启动巡逻与定位前往跌倒现场项目分析，方案确定一项目主要选用的器件表器件名称描述蜂鸣器蜂鸣器是一种结构化的电子讯响器，广泛用于计算机、打印机、复印机、告警器、电子玩具、汽车电子设备、电话、定时器等电子产品中作发声器件。运动传感器运动传感器是一种常用的检测器件，在多个行业中都有应用。常用的运动传感器主要包括三轴加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器等。MPU6050模块集成了三轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计，能够方便地测量三轴加速度和三轴偏转角。蓝牙模块蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，具有方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗等特点，因此它是无线通信的主流技术之一。蓝牙设备在使用前必须进行配对连接，连接成功后设备有主从之分，主设备只有一台，从设备可以有多台。项目分析，方案确定一3.方案确定跌倒救助机器人设计方案项目名称跌倒救助机器人作品功能穿戴端检测出跌倒事件的发生，并发出求救声音，同时发送求救信号，远程救援端收到信号后做出救援反应。材料清单Arduino控制器、Arduino扩展板、MPU6050运动传感器、蜂鸣器（2个)、直流电机驱动模块2（L9110）、蓝牙模块（2块）、USB数据线等。实现过程跌倒救助机器人分为两个部分：一个部分是含有跌倒检测和求救功能的穿戴端，使用MPU6056模块检测跌倒事件的发生，使用蜂鸣器发出求救声，通过蓝牙传输远程求救信号；另一部分为远程救援端的救援机器人，在接到求救信号后启动救护告警，并启动救护动作实施救援。项目分析，方案确定一运行流程见下图：开始程序初始化检测到跌倒？发出无线求救信号启动蜂鸣器报警是否穿戴端工作流程图开始程序初始化接收到求救信号？做出救援反应否是救援端工作流程图系统搭建，功能实现二二、系统搭建，功能实现系统搭建，功能实现二1.结构搭建根据设计方案，穿戴端主要组成有Arduino控制器、MPU6050模块、蜂鸣器、蓝牙模块和背带。为便于封装和穿戴，可以使用Arduino扩展板进行器件集成。Arduino扩展板蓝牙模块背带蜂鸣器MPU6050模块系统搭建，功能实现二2.系统接线基于跌倒救助机器人的基本结构和模块的使用方法，将Arduino控制器与MPU6050模块、蓝牙模块和蜂鸣器模块进行系统接线，如下图所示：MPU6050模块蓝牙模块蜂鸣器系统搭建，功能实现二连接端口对应表模块名称模块端口Arduino控制器端口蜂鸣器VCC5VGNDGNDI/O8MPU6050模块VCC5VGNDGNDSCLA5SDAA4INT2蓝牙模块VCC5VGNDGNDRXDTXTXDRX器件的针脚对应表如下所示：系统搭建，功能实现二3.程序编写(1）数据分析穿戴端的主要功能是检测跌倒事件的发生，可以利用MPU6050模块获取加速度的突然变化来检测跌倒。MPU6050模块可以获取三维空间版X、Y、Z三个轴向的加速度值，MPU6050的程序模块在“传感器”分组中可以找到。系统搭建，功能实现二在Mixly中，MPU6050的使用比较简单，可以通过串口监视器将加速度值显示出来，以供研究，如下图所示：小提示：字符“\t”在ArduinoIDE中表示的是制表符，在窗口会显示出一定的间隔。系统搭建，功能实现二小提示：在串口监视器中，可以使用Ctrl+C组合键，复制出监视器中选定的数据。系统搭建，功能实现二任务一：设计一组实验，模拟跌倒事件的发生，并且获取跌倒过程中三轴加速度变化的数据，使用数据分析软件进行分析，写出你认为可行的跌倒检测的算法。（2）跌倒检测算法的设计我们来做一个跌倒实验，将穿戴端设备穿戴在模特身上，模拟人类跌倒。系统搭建，功能实现二下图展示跌倒实验中采集的数据，并使用Excel软件将数据用折线图表示出来。系统搭建，功能实现二任务二：请你认真分析跌倒实验数据分析折线图，提炼出图像的信息特征并加以解释。从数据分析可以看出，在跌倒情况发生时，三个轴向的加速度都发生了剧烈波动。为简化检测，我们可以运用在单个轴向上（以Y轴为例)，在跌倒时间内（按1s计算）求极值的方式来检测跌倒的发生。系统搭建，功能实现二开始声明变量加速度最大值aMax和最小值aMin，并赋值为当前Y轴方向的加速度取amax与当前Y轴方向的加速度的最大值赋值给aMax跌倒报警变量i≥20

？是否取amin与当前Y轴方向的加速度的最小值赋值给aMin延时50msaMax-aMin>阈值？是否系统搭建，功能实现二思考：结合实验数据分析，思考和探究如下问题:1.基于实验，你们小组确定的告警阈值为多少?2.上图所示的算法有没有可以改进的地方？请提出你的想法。3.除了用极值的方式检测跌倒事件，还有其他算法吗?系统搭建，功能实现二(3）程序编写基于上面的分析，首先设计告警函数alarm()，用于跌倒后使用蜂鸣器发出现场告警求救声音。对于发出蓝牙信