2.3跌倒救助機(jī)器人（第一課時(shí)）（課件）-九年級(jí)信息技術(shù)下冊(cè)課堂（川教2019版）

1課堂導(dǎo)入當(dāng)前，很多國(guó)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(jì)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(shí)得到救治，耽誤了最佳搶救時(shí)間。我們可以設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人來解決這個(gè)問題：準(zhǔn)確、快速地檢測(cè)老年人跌倒的發(fā)生并及時(shí)予以救助，以降低跌倒對(duì)老年人造成的傷害。學(xué)習(xí)目標(biāo)11.掌握運(yùn)動(dòng)傳感器、蜂鳴器等器件的使用方法。2.能設(shè)計(jì)、搭建一個(gè)跌倒救助機(jī)器人模型，并編寫程序?qū)崿F(xiàn)功能。2目錄一、項(xiàng)目分析，方案確定二、系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)三、功能拓展與實(shí)踐項(xiàng)目分析，方案確定一一、項(xiàng)目分析，方案確定項(xiàng)目分析，方案確定一1.項(xiàng)目分析本項(xiàng)目研究的問題是檢測(cè)跌倒的發(fā)生，并在人跌倒后及時(shí)發(fā)出告警信號(hào)并及時(shí)救助。那么，如何檢測(cè)到跌倒的發(fā)生呢?（1）跌倒檢測(cè)分析后發(fā)現(xiàn)，人的跌倒是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，且速度會(huì)發(fā)生快速變化。在運(yùn)動(dòng)學(xué)中，描述速度改變快慢的物理量稱為加速度；重力對(duì)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(shí)，在豎直方向受重力影響，其加速度會(huì)發(fā)生變化，可以通過檢測(cè)加速度的突變來檢測(cè)跌倒事件的發(fā)生。思考:請(qǐng)和本小組的同學(xué)們一起分析，人的跌倒是怎樣的運(yùn)動(dòng)過程，在跌倒過程中還有哪些物理量發(fā)生了變化?項(xiàng)目分析，方案確定一（2）功能分析為了監(jiān)測(cè)跌倒情況的發(fā)生，可以將跌倒檢測(cè)設(shè)備穿戴在人體上。當(dāng)人體跌倒時(shí)，發(fā)出告警聲音提醒周圍人群及時(shí)救助。還可以通過無線通信方式發(fā)出求救信號(hào)，等待機(jī)器人救助。所以可以將跌倒救助機(jī)器人分成兩個(gè)部分。穿戴端跌倒檢測(cè)發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)求救信號(hào)發(fā)送遠(yuǎn)程求救信號(hào)項(xiàng)目分析，方案確定一2.技術(shù)選型用加速度傳感器檢測(cè)跌倒事件的發(fā)生，用蜂鳴器發(fā)出告警聲音，用藍(lán)牙模塊傳輸告警信號(hào)。遠(yuǎn)程救援端接收遠(yuǎn)程求救信號(hào)啟動(dòng)巡邏與定位前往跌倒現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目分析，方案確定一項(xiàng)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(jié)構(gòu)化的電子訊響器，廣泛用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、告警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。運(yùn)動(dòng)傳感器運(yùn)動(dòng)傳感器是一種常用的檢測(cè)器件，在多個(gè)行業(yè)中都有應(yīng)用。常用的運(yùn)動(dòng)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(jì)，能夠方便地測(cè)量三軸加速度和三軸偏轉(zhuǎn)角。藍(lán)牙模塊藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)，具有方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗等特點(diǎn)，因此它是無線通信的主流技術(shù)之一。藍(lán)牙設(shè)備在使用前必須進(jìn)行配對(duì)連接，連接成功后設(shè)備有主從之分，主設(shè)備只有一臺(tái)，從設(shè)備可以有多臺(tái)。項(xiàng)目分析，方案確定一3.方案確定跌倒救助機(jī)器人設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目名稱跌倒救助機(jī)器人作品功能穿戴端檢測(cè)出跌倒事件的發(fā)生，并發(fā)出求救聲音，同時(shí)發(fā)送求救信號(hào)，遠(yuǎn)程救援端收到信號(hào)后做出救援反應(yīng)。材料清單Arduino控制器、Arduino擴(kuò)展板、MPU6050運(yùn)動(dòng)傳感器、蜂鳴器（2個(gè))、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊2（L9110）、藍(lán)牙模塊（2塊）、USB數(shù)據(jù)線等。實(shí)現(xiàn)過程跌倒救助機(jī)器人分為兩個(gè)部分：一個(gè)部分是含有跌倒檢測(cè)和求救功能的穿戴端，使用MPU6056模塊檢測(cè)跌倒事件的發(fā)生，使用蜂鳴器發(fā)出求救聲，通過藍(lán)牙傳輸遠(yuǎn)程求救信號(hào)；另一部分為遠(yuǎn)程救援端的救援機(jī)器人，在接到求救信號(hào)后啟動(dòng)救護(hù)告警，并啟動(dòng)救護(hù)動(dòng)作實(shí)施救援。項(xiàng)目分析，方案確定一運(yùn)行流程見下圖：開始程序初始化檢測(cè)到跌倒？發(fā)出無線求救信號(hào)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)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(hào)？做出救援反應(yīng)否是救援端工作流程圖系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二二、系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二1.結(jié)構(gòu)搭建根據(jù)設(shè)計(jì)方案，穿戴端主要組成有Arduino控制器、MPU6050模塊、蜂鳴器、藍(lán)牙模塊和背帶。為便于封裝和穿戴，可以使用Arduino擴(kuò)展板進(jìn)行器件集成。Arduino擴(kuò)展板藍(lán)牙模塊背帶蜂鳴器MPU6050模塊系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二2.系統(tǒng)接線基于跌倒救助機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和模塊的使用方法，將Arduino控制器與MPU6050模塊、藍(lán)牙模塊和蜂鳴器模塊進(jìn)行系統(tǒng)接線，如下圖所示：MPU6050模塊藍(lán)牙模塊蜂鳴器系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二連接端口對(duì)應(yīng)表模塊名稱模塊端口Arduino控制器端口蜂鳴器VCC5VGNDGNDI/O8MPU6050模塊VCC5VGNDGNDSCLA5SDAA4INT2藍(lán)牙模塊VCC5VGNDGNDRXDTXTXDRX器件的針腳對(duì)應(yīng)表如下所示：系統(tǒng)搭建，功能實(shí)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(cè)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(cè)跌倒。MPU6050模塊可以獲取三維空間版X、Y、Z三個(gè)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(shí)現(xiàn)二在Mixly中，MPU6050的使用比較簡(jiǎn)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(huì)顯示出一定的間隔。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二小提示：在串口監(jiān)視器中，可以使用Ctrl+C組合鍵，復(fù)制出監(jiān)視器中選定的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二任務(wù)一：設(shè)計(jì)一組實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行分析，寫出你認(rèn)為可行的跌倒檢測(cè)的算法。（2）跌倒檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)我們來做一個(gè)跌倒實(shí)驗(yàn)，將穿戴端設(shè)備穿戴在模特身上，模擬人類跌倒。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二下圖展示跌倒實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)二任務(wù)二：請(qǐng)你認(rèn)真分析跌倒實(shí)驗(yàn)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(shí)，三個(gè)軸向的加速度都發(fā)生了劇烈波動(dòng)。為簡(jiǎn)化檢測(cè)，我們可以運(yùn)用在單個(gè)軸向上（以Y軸為例)，在跌倒時(shí)間內(nèi)（按1s計(jì)算）求極值的方式來檢測(cè)跌倒的發(fā)生。系統(tǒng)搭建，功能實(shí)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(dāng)前Y軸方向的加速度取amax與當(dāng)前Y軸方向的加速度的最大值賦值給aMax跌倒報(bào)警變量i≥20

？是否取amin與當(dāng)前Y軸方向的加速度的最小值賦值給aMin延時(shí)50msaMax-aMin>閾值？是否系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二思考：結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，思考和探究如下問題:1.基于實(shí)驗(yàn)，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(jìn)的地方？請(qǐng)?zhí)岢瞿愕南敕ā?.除了用極值的方式檢測(cè)跌倒事件，還有其他算法嗎?系統(tǒng)搭建，功能實(shí)現(xiàn)二(3）程序編寫基于上面的分析，首先設(shè)計(jì)告警函數(shù)alarm()，用于跌倒后使用蜂鳴器發(fā)出現(xiàn)場(chǎng)告警求救聲音。對(duì)于發(fā)出藍(lán)牙信