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煤矿井下人体姿态检测方法

王璇 吴佳奇 阳康 潘子恒 杨伟 王文清

王璇,吴佳奇,阳康,等. 煤矿井下人体姿态检测方法[J]. 工矿自动化,2022,48(5):79-84.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867
引用本文: 王璇,吴佳奇,阳康,等. 煤矿井下人体姿态检测方法[J]. 工矿自动化,2022,48(5):79-84.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867
WANG Xuan, WU Jiaqi, YANG Kang, et al. Human posture detection method in coal mine[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(5):79-84.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867
Citation: WANG Xuan, WU Jiaqi, YANG Kang, et al. Human posture detection method in coal mine[J]. Journal of Mine Automation,2022,48(5):79-84.  doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867

煤矿井下人体姿态检测方法

doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.17867
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(52074305);北京市教委双高建设技术技能创新服务平台及团队建设项目(1106022512)。
详细信息
    作者简介:

    王璇(1977—),男,辽宁朝阳人,高级工程师,博士,长期从事煤矿智能化技术研究工作,E-mail:wangxuan@chinacoal.com

  • 中图分类号: TD67

Human posture detection method in coal mine

  • 摘要: 煤矿井下作业人员姿态检测可为灾害预警和事故救援提供有效信息。井下人员姿态复杂多样,且为时间序列数据,现有人体姿态检测方法或难以处理连续相关的姿态数据,或因算法复杂需配置独立计算机而导致实时性较差。针对上述问题,提出了一种基于改进长短期记忆网络(LSTM)的煤矿井下人体姿态检测方法,通过压力传感器、角度传感器获取井下人员脚底压力、腰腿部角度等姿态数据,由人员随身携带的便携式边缘运算决策单元进行姿态判别,实现井下工作人员站立、行走、弯腰、蹲(坐)、躺卧5种姿态的实时检测。为降低人体姿态原始采样数据维度,提高运算效率,对LSTM进行改进,设计了长短期记忆稀疏自编码器(LSTMSA),先由稀疏自编码器(SA)对原始采样数据进行特征提取,实现降维,再由LSTM进行人体姿态检测。在实验室环境下采集人体姿态数据,分别对LSTMSA、LSTM、循环神经网络(RNN)进行训练和测试,结果表明:在相同的试验设置和采样数据下,LSTMSA对5种人体姿态检测的准确率均达到90%以上,与LSTM接近且大于RNN;LSTMSA运算时间较LSTM缩短50%以上,满足矿井人体姿态检测实时性要求。

     

  • 图  1  人体姿态数据采集装置布置

    Figure  1.  Distribution of human posture data collection devices

    图  2  LSTMSA网络结构

    Figure  2.  Network structure of long short term memory sparse autoencoder (LSTMSA)

    图  3  测试用人体姿态设置

    Figure  3.  Human posture setting in test

    图  4  3种算法的人体姿态检测准确率对比

    Figure  4.  Accuracy comparison of human posture detection by LSTMSA, LSTM and RNN

    图  5  3种算法检测人体姿态的运算时间对比

    Figure  5.  Computing time comparison of human posture detection by LSTMSA, LSTM and RNN

    表  1  煤矿井下人体姿态分类

    Table  1.   Human posture classification in coal mine underground

    姿态描述
    站立 默认初始状态,身体呈1条直线并直立
    行走 双腿交替前移,在1个周期内呈现比较有规律的角度、幅度
    变化,身体姿态基本直立
    弯腰 下半身肢体直立,上半身躯体弯曲,与下半身肢体呈一夹角
    蹲(坐) 双腿弯曲,臀部、双腿和上身形成3个面,臀部与双腿和上身
    呈一定角度;上半身可直立或前倾
    躺卧 身体呈1条直线并全身着地
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    表  2  人体姿态数据采样值定义

    Table  2.   Definition of sampled human posture data

    数据采集装置传感器名称采样值符号
    边缘运算决策单元 三轴角度传感器1
    (输出三轴角度)
    X1(腰部x轴角度),X2(腰部
    y轴角度),X3(腰部z轴角度)
    压力传感器(左脚,
    含4个压力应变片)
    压力应变片1
    (左脚脚尖)
    X4(左脚脚尖压力)
    压力应变片2
    (左脚内侧)
    X5(左脚内侧压力)
    压力应变片3
    (左脚外侧)
    X6(左脚外侧压力)
    压力应变片4
    (左脚脚跟)
    X7(左脚脚跟压力)
    压力传感器(右脚,
    含4个压力应变片)
    压力应变片5
    (右脚脚尖)
    X8(右脚脚尖压力)
    压力应变片6
    (右脚内侧)
    X9(右脚内侧压力)
    压力应变片7
    (右脚外侧)
    X10(右脚外侧压力)
    压力应变片8
    (右侧脚跟)
    X11(右脚脚跟压力)
    角度传感器
    (左大腿)
    三轴角度传感器2
    (输出三轴角度)
    X12(左腿x轴角度),X13(左腿
    y轴角度),X14(左腿z轴角度)
    角度传感器
    (右大腿)
    三轴角度传感器3
    (输出三轴角度)
    X15(右腿x轴角度),X16(右腿
    y轴角度),X17(右腿z轴角度)
    角度传感器
    (左小腿)
    单轴角度传感器1
    (输出一轴角度)
    X18(左小腿与左大腿夹角)
    角度传感器
    (右小腿)
    单轴角度传感器2
    (输出一轴角度)
    X19(右小腿与右大腿夹角)
    下载: 导出CSV

    表  3  LSTMSA人体姿态检测结果

    Table  3.   Human posture detection results of LSTMSA

    指标姿态
    站立行走弯腰蹲(坐)躺卧
    检测为站立组数1881903103
    检测为行走组数761 804243422
    检测为弯腰组数38331 878987
    检测为蹲(坐)组数361621 85443
    检测为躺卧组数2125141 925
    准确率/%94.0590.293.992.796.25
    运算时间/s15.3714.2315.8815.4314.67
    下载: 导出CSV

    表  4  LSTM人体姿态检测结果

    Table  4.   Human posture detection results of long short-term memory(LSTM)

    指标姿态
    站立行走弯腰蹲(坐)躺卧
    检测为站立组数1 87510560112
    检测为行走组数831 789292213
    检测为弯腰组数26571 8669212
    检测为蹲(坐)组数1038371 86275
    检测为躺卧组数6118131 898
    准确率/%93.7589.4593.393.194.9
    运算时间/s35.7432.6938.1234.434.89
    下载: 导出CSV

    表  5  RNN人体姿态检测结果

    Table  5.   Human posture detection results of recursive neural network(RNN)

    指标姿态
    站立行走弯腰蹲(坐)躺卧
    检测为站立组数1 731237616029
    检测为行走组数1431 513497869
    检测为弯腰组数501521 68614741
    检测为蹲(坐)组数35571291 663124
    检测为躺卧组数414175521 737
    准确率/%86.5575.6584.383.1586.85
    运算时间/s3.783.863.293.543.72
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-16
  • 修回日期:  2022-05-11
  • 网络出版日期:  2022-05-19

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