一種高經(jīng)濟(jì)性的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊錦 岳意娥 楊麗莎

摘要：因疲勞駕駛造成的交通事故逐漸增多，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)研究有著重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。本文提出了一種高經(jīng)濟(jì)性的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)沒(méi)計(jì)，該系統(tǒng)使用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)上已有信號(hào)進(jìn)行分析處理并及時(shí)預(yù)警，只需增加一個(gè)疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊，提高了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也為疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)研究提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：疲勞駕駛;預(yù)警系統(tǒng);高經(jīng)濟(jì)性;CAN網(wǎng)絡(luò)

隨著機(jī)動(dòng)車保有量的快速增加以及道路通車?yán)锍痰闹鹉暝鲩L(zhǎng)，大量發(fā)生的交通事故給世界各周造成了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡^[1]。在引發(fā)交通事故的原因中，疲勞駕駛和酒后駕駛占有很大比例，尤其是疲勞駕駛，已成為令駕駛員頭痛的潛在殺手。因此，有效的疲勞駕駛榆測(cè)和預(yù)警對(duì)預(yù)防交通事故起著至關(guān)重要的作用^[2]。

1 疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)定義

疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)是一種時(shí)刻監(jiān)測(cè)駕駛員精神狀態(tài)，一旦駕駛員精神狀態(tài)下滑或進(jìn)入淺層睡眠時(shí)會(huì)給出語(yǔ)音提示、振動(dòng)提醒等警告指示的主動(dòng)安全系統(tǒng)。目前，常見(jiàn)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)有以下幾類^[3]：

1.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的通過(guò)檢測(cè)駕駛員瞳孔、眼瞼和面部表情等變化來(lái)檢測(cè)疲勞駕駛的系統(tǒng);

2.基于生理特征的疲勞駕駛檢測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，常見(jiàn)的有腦電圖檢測(cè)、心電圖檢測(cè)、心率變化檢測(cè)等;

3.基于車輛行駛特征的預(yù)警系統(tǒng)，常見(jiàn)有車道偏離報(bào)警系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向盤(pán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);

4.基于信息融合技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，典型的是歐盟進(jìn)行的名為“AWAKE”的駕駛行為綜合監(jiān)控系統(tǒng)。

本文在基于車輛行駛特征預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種使用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)上已有信號(hào)進(jìn)行分析處理并及時(shí)預(yù)警的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)，只需增加一個(gè)疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊，大大提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

2 疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)利用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)已有信號(hào)實(shí)時(shí)分析駕駛員駕駛狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)感知駕駛員疲勞，即發(fā)出報(bào)警提示駕駛員應(yīng)當(dāng)休息。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

疲勞預(yù)警系統(tǒng)由信號(hào)采集單元、算法執(zhí)行單元和系統(tǒng)顯示單元組成。其中，信號(hào)采集單元包括方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、車輛橫擺角速度傳感器、車速傳感器、檔位傳感器、油門(mén)踏板傳感器、車身控制器和功能開(kāi)啟關(guān)閉按鈕^[4];算法執(zhí)行單元為疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊;系統(tǒng)顯示單元為報(bào)警人機(jī)界面，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

其中，信號(hào)采集單元用于采集所需信號(hào)作為疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊輸入;算法執(zhí)行單元用于運(yùn)行疲勞檢測(cè)算法，判斷駕駛員疲勞狀態(tài);系統(tǒng)顯示單元用于顯示駕駛員疲勞狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)感知駕駛員疲勞時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示駕駛員休息。

2.2 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元包括方向盤(pán)轉(zhuǎn)角傳感器、車輛橫擺角速度傳感器、車速傳感器、檔位傳感器、油門(mén)踏板傳感器、車身控制器和功能開(kāi)啟關(guān)閉按鈕。具體傳感器及對(duì)應(yīng)功能如表1所示：

信號(hào)采集單元將采集到的信號(hào)通過(guò)CAN總線傳送給算法執(zhí)行單元。

2.3 算法執(zhí)行單元

算法執(zhí)行單元即為疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊，用于運(yùn)行疲勞榆測(cè)算法，判斷駕駛員疲勞狀態(tài)。

系統(tǒng)控制模塊在初始化之后，將信號(hào)采集單元采集到的參數(shù)作為輸入，執(zhí)行疲勞檢測(cè)算法，得到疲勞狀態(tài)參數(shù)值，作為系統(tǒng)控制模塊輸出傳遞到顯示單元，具體如圖2所示：

2.31 參數(shù)輸入

疲勞檢測(cè)算法對(duì)輸入?yún)?shù)具有數(shù)值邊界要求，因此在算法運(yùn)行之初需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，具體的輸入?yún)?shù)邊界要求如表2所示：

2.3.2算法運(yùn)行

本論文疲勞檢測(cè)算法采用的是一種串形結(jié)構(gòu)的多層前向模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法^[5]，該網(wǎng)絡(luò)由兩部分組成，前一部分為模糊量化部分，后一部分為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分，圖3所示為該模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)框圖：

圖3中，第一層為輸入層，輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)由輸入信號(hào)決定。假設(shè)輸入信號(hào)為m個(gè)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入變量s_i（i=l，2，……，m），則輸入向量為S=[s₁，s₂，……，s_m]^T。

第二層為量化層，其作用是將輸入變量進(jìn)行模糊量化，即先對(duì)輸入變量定義一些模糊子集，通過(guò)相應(yīng)的模糊子集上的隸屬函數(shù)，使輸入變量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模糊子集上的隸屬度，假設(shè)對(duì)于輸入變量s_i=l，2，……，m）定義了qi個(gè)模糊子集，對(duì)應(yīng)于輸入變量可以取得qi個(gè)模糊隸屬度值。對(duì)于s_i在第i個(gè)模糊子集上的隸屬度函數(shù)為：

其中x為s_i在第j個(gè)模糊子集上的隸屬度，隸屬度函數(shù)是

根據(jù)對(duì)信號(hào)的模糊聚類的方法或者依靠經(jīng)驗(yàn)取得，每一函數(shù)都可能不一樣。量化層的節(jié)點(diǎn)數(shù)

量化層的輸出向量

第三層為隱含層，其節(jié)點(diǎn)數(shù)k是在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定的，對(duì)于隱含層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)該節(jié)點(diǎn)與量化層各節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)向量

則它的輸出為：

第四層為輸出層，f_i（i=1，2，……，n），對(duì)于輸出層的第i個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出變量，設(shè)該節(jié)點(diǎn)與隱含層各節(jié)點(diǎn)的連接權(quán)向量

式中：

Oi為該節(jié)點(diǎn)的閾值，g為對(duì)數(shù)S型（Sigmoid）函數(shù)，g

，輸出層神經(jīng)元函數(shù)取對(duì)數(shù)s型函數(shù)的目的也是為了使網(wǎng)絡(luò)輸出值落在[O，1]之間，以便進(jìn)行疲勞診斷。輸出層的輸出向量為F=

。

由上面四層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)可以實(shí)現(xiàn)疲勞駕駛征兆到駕駛狀態(tài)的映射。

2.3.3參數(shù)輸出

疲勞檢測(cè)算法對(duì)輸出參數(shù)也具有數(shù)值邊界要求，如表3所示。

2.4系統(tǒng)顯示單元

系統(tǒng)顯示單元用于顯示駕駛員疲勞狀態(tài)，它從算法執(zhí)行單元接收疲勞狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)疲勞狀態(tài)信號(hào)為1時(shí)，表明系統(tǒng)感知駕駛員已疲勞，提示駕駛員應(yīng)該休息。

系統(tǒng)顯示單元由儀表盤(pán)指示和聲音報(bào)警組成：

1.儀表盤(pán)指示包含咖啡杯圖表和提示語(yǔ)，如圖4所示。當(dāng)沒(méi)有報(bào)警時(shí)，報(bào)警指示區(qū)域可被其它圖標(biāo)占用;當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，報(bào)警指示圖標(biāo)閃爍，頻率為2Hz。

2.聲音報(bào)警為“滴滴”聲提示報(bào)警。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，聲音報(bào)警啟動(dòng)，頻率為500Hz。

3 疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試

上文介紹了疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的有效性，須對(duì)該預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)車測(cè)試，記錄駕駛員從清醒駕駛到疲勞駕駛的變化過(guò)程，獲得測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析驗(yàn)證。

3.1 測(cè)試方法及原理

疲勞預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)試方法如下所示：

1.規(guī)劃測(cè)試要求、駕駛路線、駕駛時(shí)間以及駕駛場(chǎng)景等內(nèi)容。

2.使用視頻記錄儀對(duì)駕駛員面部及車輛前方狀況進(jìn)行視頻記錄。

3.跟車工程師對(duì)駕駛員狀態(tài)進(jìn)行觀察并記錄成表格。

4.利用CANcase對(duì)車輛CAN信息進(jìn)行采集。

5.最終結(jié)合所記錄的視頻、駕駛員狀態(tài)表和CAN信息進(jìn)行分析，驗(yàn)證疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)有效性。

3.2測(cè)試條件

1.測(cè)試方法：黑盒測(cè)試。

2.測(cè)試總里程：1萬(wàn)公里

3.測(cè)試T況：

天氣條件一雨天、陰天測(cè)試時(shí)間一早晨、正午、深夜、黃昏

4.測(cè)試路況：高速公路為主，圉道為輔;

5.測(cè)試人員需求：

測(cè)試人員由駕駛員和跟車工程師組成;駕駛員每次駕駛持續(xù)4小時(shí);跟車工程師負(fù)責(zé)調(diào)整及記錄駕駛員狀態(tài)

6.測(cè)試設(shè)備：

裝有疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的測(cè)試車輛;可以記錄車前及駕駛員狀態(tài)的視頻采集系統(tǒng);可以采集車輛CAN信息的CANase;

7.測(cè)試用例：

從清醒到疲勞：駕駛員開(kāi)始測(cè)試時(shí)處于清醒狀態(tài)，持續(xù)4個(gè)小時(shí)駕駛，觀察駕駛員狀態(tài)及采集數(shù)據(jù);

從疲勞到更疲勞：駕駛員開(kāi)始測(cè)試時(shí)處于疲勞狀態(tài)，持續(xù)3-4小時(shí)駕駛，觀察駕駛員狀態(tài)及采集數(shù)據(jù)。

3.3測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)包括了駕駛員面部及車輛前方狀況記錄視頻、車輛行駛過(guò)程中采集CAN信息和駕駛員狀態(tài)記錄表格，如表4所示。

3.4測(cè)試結(jié)果

通過(guò)分析駕駛員面部及車輛前方狀況記錄視頻和采集到的CAN信息，結(jié)合駕駛員狀態(tài)記錄表，可以得出疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)到駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)并發(fā)出報(bào)警，滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

本文在基于車輛行駛特征預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種高經(jīng)濟(jì)性的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地提出使用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)上已有的信號(hào)進(jìn)行分析處理并及時(shí)預(yù)警，提高了汽車的行駛安全性。使用該方法，只需增加一個(gè)疲勞預(yù)警系統(tǒng)控制模塊，大大提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，也為疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)研究提供了一種新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫顯彬，唐洪偉，文妍.疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，2S（3）：91-94

[2]孫偉，張為公，張小瑞，陳剛.疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].汽車電器，2009，1 4 8

[3]王貞，孫傳輝，曹陽(yáng)，王立輝.基于MEMS技術(shù)的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2010，23（1）：125-126

[4]窶文娟基于LIN總線的疲勞駕駛綜合測(cè)試系統(tǒng)的研究及設(shè)計(jì)[D].吉林大學(xué)，2006

[5]毛喆.機(jī)動(dòng)車疲勞駕駛行為識(shí)別方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2009