一种智能化合理坐姿判定及预警方法及系统

1.本发明涉及坐姿判断技术领域，尤其涉及一种智能化合理坐姿判定及预警方法。


背景技术：

2.通过研究发现要保持合理的坐姿是保持背部的挺直和头部的抬起；学习过程中无法始终保持合理的坐姿，很容易导致学生近视或加重近视程度。不良坐姿更严重的会对骨骼发育造成伤害，儿童期正是身体发育成型的关键期，不合理的坐姿可能导致脊柱变形甚至驼背等情况。需要对学生学习时的坐姿进行一个实时的监测与评估并且同时对坐姿的合理性进行智能化的判定。
3.现有坐姿判定方法有两种；1、通过固定在桌子边缘的挡板对学生的身体活动的固定和限制可以确保坐姿的合理性，但是实际上由于身体活动受到限制学生学习时间一长会感到十分的疲劳；2、通过感应圈来监测坐姿，但需要卡戴在学生的脖子上来监测头部的姿态变化，使用过程中会感到不舒服并限制头部正常的活动；上述方法均不能在学生身体不受约束且身体放松状态下进行坐姿的监测与判定，使用体验较差。


技术实现要素：

4.针对现有算法的不足，本发明所采用的技术方案是：一种智能化合理坐姿判定及预警方法包括以下步骤：
5.步骤一、通过两个超声波测距传感器分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；
6.步骤二、计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理；
7.进一步的，头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离的公式为：
8.l＝(lz+l
x
)-(l0+l
t
)
ꢀꢀ
(3)
9.其中，l0为超声波测距传感器相对于桌边沿的安装突出距离，l
t
为超声波测距传感器到学生头部的水平距离、lz为桌面的宽度，l
x
为超声波测距传感器到学生前胸的水平距离。
10.进一步的，还包括：
11.步骤三、采集背部倾角传感器前后方向变化参数α和左右方向变化参数β；
12.进一步的，前后方向变化参数α和左右方向变化参数β的公式为：
13.α＝α
t-α0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
14.β＝β
t-β0ꢀꢀꢀꢀ
(2)
15.其中，α0和β0为背部姿态的左右和前后角度为初始位置，α
t
和β
t
为背部姿态的左右和前后角度变化值。
16.步骤四、构建前后方向变化参数α、左右方向变化参数β、头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离l的数据集，并根据参数标记数据集；标记分为坐姿合理、坐姿不合理；
17.步骤五、建立向量数据和权值系数向量；
18.步骤六、通过线型支持向量机的目标函数寻优；
19.进一步的，线型支持向量机的目标函数寻优过程如下：
[0020][0021]
s.t.yi(w
·
xi+b)≥1-ξi，i＝1，2，
…
，n
[0022]
ξi≥0，i＝1，2，
…
，n
[0023]
其中，w为权值系数，c为惩罚系数，ξi为松弛变量，b为偏置；
[0024]
构造拉格朗日函数具体如下：
[0025][0026]
其中αi和μi为构造的拉格朗日乘子，l(w，b，ξ，α，μ)经变换并使用kkt条件转化为求解公式(5)的问题，公式为：
[0027][0028][0029]
0≤αi≤c，i＝1，2，
…
，n
[0030]
其中，为公式(5)的解；
[0031]
最终可求得w
*
和b
*
的解如下：
[0032][0033][0034]
步骤七、计算坐姿合理性评估值；
[0035]
进一步的，坐姿合理性评估值的公式为：
[0036][0037][0038][0039]
其中，t
zn
为标定的不合理的坐姿的向量均值；t
zy
为标定的合理的坐姿的向量均值；k为标定的合理的坐姿的样本数目；m为标定的非常不合理的坐姿的样本数目；x
test
为当前要评估的坐姿参数。
[0040]
进一步的，智能化合理坐姿判定及预警方法的系统，包括：倾角传感器、第一超声
波测距传感器、第二超声波传感器、第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块和arm，倾角传感器通过第一无线通信模块与arm无线连接，第一超声波测距传感器、第二超声波传感器通过第一无线通信模块、第二无线通信模块与arm无线连接。
[0041]
进一步的，还包括：蜂鸣器，蜂鸣器与arm有线连接，用于学生坐姿不合理的提醒。
[0042]
进一步的，还包括云服务器和第四无线通信模块，云服务器通过第四无线通信模块与arm无线连接，云服务器用于采集arm的姿态和移动的距离数据、线型支持向量机模型训练。
[0043]
本发明的有益效果：
[0044]
1、通过头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离判断坐姿是否合理，方法简单适用性强；
[0045]
2、通过线型支持向量机模型并利用背部两个方向的姿态和移动的距离参数进行训练，并结合坐姿合理性评估方法对学生坐姿进行判断，提高判断准确性。
附图说明
[0046]
图1是本发明的智能化合理坐姿判定及预警方法的详细流程图；
[0047]
图2是本发明的智能化合理坐姿判定及预警系统模块安装位置示意图；
[0048]
图3是本发明的背部倾角传感器的左右和前后角度示意图；
[0049]
图4是本发明的智能化合理坐姿判定及预警系统模块图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
[0051]
如图1所示，一种智能化合理坐姿判定及预警方法包括以下步骤：
[0052]
坐姿的监测包括头部姿态和背部姿态两个方面的参数，背部姿态的参数通过学生背部倾角传感器采集，倾角传感器可以通过弹性背带固定在学生的背部中间位置，以保证其和学生背部做同步的移动，背部倾角传感器可以独立工作，上电后固定周期内发送学生背部姿态相对于初始位置的变化值；如图3背部倾角传感器的左右和前后角度示意图，包括：前后方向变化参数α和左右方向变化参数β，并通过无线通信模块发送给arm处理器；设学生坐定且设备校准完成时，背部姿态的左右和前后角度为初始位置：即前后方向为α0和左右方向为β0，当背部姿态的绝对角度变为α
t
和β
t
时，参数α和参数β可以由下面公式计算：
[0053]
α＝α
t-α0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0054]
β＝β
t-β0ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0055]
头部姿态的参数实际上是监测头部相对于前胸水平方向向前偏移的距离l，图2所示设置两个超声波测距传感器，其中上部的超声波测距传感器可通过滑动导轨固定在与学生额头部同一水平高度，位于学生头部的正前方，用于测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离l
t
，下部的超声波测距传感器安装与桌边沿的桌面下方，位于学生上身的正前方，用于测量超声波测距传感器到学生前胸的水平距离l
x
，考虑到上部的超声波测距传感器相对于桌边沿的安装突出距离l0和桌面的宽度lz为已知参数，则头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离l的计算公式为：
[0056]
l＝(lz+l
x
)-(l0+l
t
)
ꢀꢀ
(3)
[0057]
当l大于设定的阈值lh时，可以认为学生存在低头的现象，当l小于设定的阈值l
l
时，可以认为学生存在仰头的现象；当学生重新坐定并且在蜂鸣器的提示性下坐好时，检测到l在lh和l
l
之间，认为学生已经坐好，此时背部姿态的绝对角度α
t
和β
t
为新的初始位置α0和β0。
[0058]
构建坐姿合理性的判定模型，如果仅使用头部姿态或背部姿态的其中之一单独判断坐姿的合理性有一定可信度，但不同学生实际坐姿是复杂多变，仅使用部分参数判断容易出现误判，所以要背部两个方向的姿态和移动的距离三个特征参数共同判定，提高准确度降低误判率。
[0059]
考虑到实际采集的坐姿参数可能存在噪声的情况，使用的坐姿合理性的判别模型为线型支持向量机(soft margin svm)。
[0060]
1)建立向量数据x＝(x
(1)
，x
(2)
，x
(3)
)；其中，x
(1)
为头部相对于前胸水平方向向前偏移的距离，x
(2)
为背部向前或向后方向倾斜的角度值，x
(3)
为背部向左或向后方向倾斜的角度值，并对数据进行归一化处理变成数据向量。
[0061]
2)建立权值系数向量w＝(w
(1)
，w
(2)
，w
(3)
)；其中，w
(1)
为头部相对于前胸水平方向向前偏移的距离系数；w
(2)
为背部向前或向后方向倾斜的角度值系数；w
(3)
为背部向左或向后方向倾斜的角度值系数。
[0062]
3)xi为第i个训练数据向量，yi为xi的类标记；yi为-1时表示不合理坐姿，即对学生的近视或者骨骼发育产生影响的坐姿；yi为+1时表示合理坐姿，n为训练数据数目。
[0063]
线型支持向量机的目标函数如下：
[0064][0065]
s.t.yi(w
·
xi+b)≥1-ξi，i＝1，2，
…
，n
[0066]
ξi≥0，i＝1，2，
…
，n
[0067]
其中，w为权值系数，c为惩罚系数，ξi为松弛变量，b为偏置；惩罚系数经反复调整后，本实施例中c＝0.45时可以获得最好的效果。
[0068]
公式(4)的解w
*
和b
*
所构成的分离超平面即为最优的分离超平面，具体如下公式所示。
[0069]w*
x+b
*
＝0
[0070]
为求解公式(4)需要构造拉格朗日函数具体如下：
[0071][0072]
其中αi和μi为构造的拉格朗日乘子，上公式经变换并使用kkt条件转化为求解公式(5)的问题
[0073]
[0074][0075]
0≤αi≤c，i＝1，2，
…
，n
[0076]
其中，为公式(5)的解；
[0077]
最终可求得w
*
和b
*
的解如下：
[0078][0079][0080]
坐姿合理性评估值可以通过以下公式计算
[0081][0082][0083][0084]
其中，t
zn
为标定的不合理的坐姿的向量均值；t
zy
为标定的合理的坐姿的向量均值；k为标定的合理的坐姿的样本数目；m为标定的非常不合理的坐姿的样本数目；x
test
为当前要评估的坐姿参数；sp为坐姿合理性评估值。
[0085]
sp评估值越大表示坐姿越合理，反之评估值越小表示坐姿越不合理，将sp评估值与评估值的最大阈值sph和最小阈值sp
l
进行比较，从而触发告警提醒。
[0086]
具体流程：首先判断当前座位上是否有人，当身部的超声波测距测得l
x
的值小于设定阈值l
xs
时表示座位上有人，入座标志sit加1，否则表示无人，入座标志sit清零。
[0087]
如果有人，判断是否是刚入座，即判断入座标志是否为1；如果是刚入座，则判断是否坐好，即判断头部相对于前胸水平方向向前偏移的距离l是否在lh和l
l
之间；如果满足条件，则表示已经按照合理的坐姿坐好，否则持续通过两短声的蜂鸣提示，直至做好为止。
[0088]
进行背部姿态初值校准，此时的背部姿态的绝对角度α
t
和β
t
设为新的初始位置α0和β0，再进行新的参数l
t
和l
x
和α和β的采集，调用坐姿合理性判别模型；当坐姿合理性评估值sp大于设定的阈值sph时，坐姿判定为合理；当坐姿合理性评估值sp小于设定的阈值sp
l
时，则判断坐姿不合理，并进行一长蜂鸣提示；当坐姿合理性评估值sp在sph和sp
l
之间时，判定为存在不合理坐姿的风险，进行一短蜂鸣预警提示。
[0089]
如图2所示，通过固定装置将导轨杆安装在课桌前端，第一超声波测距传感器安装在滑动导轨上，可以通过导轨上下滑动调整第一超声波测距传感器的位置，背部安装有倾角传感器，通过弹性背带穿戴在学生身上；第二超声波测距传感器安装在课桌下面。
[0090]
如图4所示，智能化合理坐姿判定及预警系统包括：倾角传感器、第一超声波测距传感器、第二超声波传感器、蜂鸣器、第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第四无线通信模块、显示按键和云服务器；倾角传感器通过第一无线通信模块与arm
连接，第一超声波测距传感器和第二超声波测距传感器通过第二无线通信模块和第三无线通信模块与arm连接，云服务器通过第四无线通信模块与arm连接；第一、第二、第三无线通信模块采用hc-12型，用于传感器和arm的内部无线通信；第四无线通信模块采用esp8266无线wifi模块，用于云服务器与arm的外部无线通信；超声波测距传感器选用dyp-a21型，倾角传感器选用scma-800型。
[0091]
蜂鸣器用于学生坐姿不合理的提醒，显示按键用于arm的参数设置，云服务器用于获取arm采集各传感器数据，并对线型支持向量机模型进行训练，模块训练完成后，实时接收各传感器数据，并将计算结果反馈给arm，从而触发是否告警提示。
[0092]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

技术特征：
1.一种智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过两个超声波测距传感器分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；步骤二、计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理。2.根据权利要求1所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离的公式为：l＝(l
z
+l
x
)-(l0+l
t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，l0为超声波测距传感器相对于桌边沿的安装突出距离，l
t
为超声波测距传感器到学生头部的水平距离、l
z
为桌面的宽度，l
x
为超声波测距传感器到学生前胸的水平距离。3.根据权利要求1所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，还包括以下步骤：步骤三、采集背部倾角传感器前后方向变化参数α和左右方向变化参数β；步骤四、构建前后方向变化参数α、左右方向变化参数β、头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离l的数据集，并根据参数标记数据集；步骤五、建立向量数据和权值系数向量；步骤六、通过线型支持向量机的目标函数寻优；步骤七、计算坐姿合理性评估值。4.根据权利要求3所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，前后方向变化参数α和左右方向变化参数β的公式为：α＝α
t-α0ꢀꢀꢀꢀ
(1)β＝β
t-β0ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，α0和β0为背部姿态的左右和前后角度为初始位置，α
t
和β
t
为背部姿态的左右和前后角度变化值。5.根据权利要求3所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，线型支持向量机的目标函数寻优的过程如下：s.t.y
i
(w
·
x
i
+b)≥1-ξ
i
,i＝1,2,
…
,nξ
i
≥0,i＝1,2,
…
,n其中，w为权值系数，c为惩罚系数,ξ
i
为松弛变量,b为偏置；构造拉格朗日函数具体如下：其中，α
i
和μ
i
为构造的拉格朗日乘子，l(w,b,ξ,α,μ)经变换并使用kkt条件转化为求解公式(5)的问题，公式为：
0≤α
i
≤c,i＝1,2,
…
,n其中,为公式(5)的解；求得w
*
和b
*
的解如下：的解如下：6.根据权利要求3所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，坐姿合理性评估值的公式为：估值的公式为：估值的公式为：其中，t
zn
为标定的不合理的坐姿的向量均值；t
zy
为标定的合理的坐姿的向量均值；k为标定的合理的坐姿的样本数目；m为标定的非常不合理的坐姿的样本数目；x
test
为当前要评估的坐姿参数。7.采用权利要求1-6任意一项所述的智能化合理坐姿判定及预警方法的系统，其特征在于，包括：倾角传感器、第一超声波测距传感器、第二超声波传感器、第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块和arm，倾角传感器通过第一无线通信模块与arm无线连接，第一超声波测距传感器、第二超声波传感器通过第一无线通信模块、第二无线通信模块与arm无线连接。8.根据权利要求7所述的智能化合理坐姿判定及预警方法的系统，其特征在于，还包括：蜂鸣器，蜂鸣器与arm有线连接，用于学生坐姿不合理的提醒。9.根据权利要求7所述的智能化合理坐姿判定及预警方法的系统，其特征在于，还包括云服务器和第四无线通信模块，云服务器通过第四无线通信模块与arm无线连接，云服务器用于采集arm的姿态和移动的距离数据、线型支持向量机模型训练。

技术总结
本发明涉及坐姿判断技术领域，尤其涉及一种智能化合理坐姿判定及预警方法及系统，包括分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理；采集背部倾角传感器前后方向变化参数和左右方向变化参数；构建数据集，并根据参数标记数据集；标记分为坐姿合理、坐姿不合理；建立向量数据和权值系数向量；通过线型支持向量机的目标函数寻优；计算坐姿合理性评估值。本发明解决现有坐姿的监测与判定方法使用体验较差的问题。监测与判定方法使用体验较差的问题。监测与判定方法使用体验较差的问题。


技术研发人员：孙天佑 乔宏哲
受保护的技术使用者：常州机电职业技术学院
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/6/26