頭戴式疲勞智能監(jiān)測(cè)及緩解裝置設(shè)計(jì)

吳千旭

(湖北省武昌實(shí)驗(yàn)中學(xué),湖北武漢 430060)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果,截止2016年底,全國汽車保有量達(dá)到2.9億輛,其中汽車1.94億輛,機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)?.6億人,其中汽車駕駛?cè)顺^3.1億。隨著人們的生活水平逐年提高,汽車數(shù)量逐年增多。然而,另一方面根據(jù)公安部交管局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,2016年全國共發(fā)生貨車主責(zé)任道路交通安全事故5.04萬起,造成4.68萬人受傷,給人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

道路交通事故已經(jīng)成為威脅我們自身生命財(cái)產(chǎn)安全的主要原因,而在眾多交通事故中,因?yàn)槠隈{駛而導(dǎo)致的所占比例較大,疏忽大意奪走了許許多多鮮活的生命,給個(gè)人和家庭都帶了巨大的損失和負(fù)擔(dān)。所以通過研究造成疲勞的主要原因[1]以及造成疲勞形成的主要過程,設(shè)計(jì)一種能夠智能監(jiān)測(cè)和緩解人體腦疲勞的裝置,有助于給駕駛?cè)藛T創(chuàng)造更好的駕駛環(huán)境,幫助減少交通安全事故的發(fā)生,挽救更多的生命,減少個(gè)人及社會(huì)損失。

圖1 工作原理圖

圖2 疲勞監(jiān)測(cè)與智能緩解

1 工作原理

腦疲勞智能檢測(cè)與緩解裝置的工作原理如圖1所示。

(1)通過干電極對(duì)腦電波進(jìn)行采集,輸出信號(hào)為毫伏級(jí)別;(2)多路開關(guān)由腦電波處理芯片控制分時(shí)選通干電極,將腦部不同部位的腦電波信號(hào)輸入后部處理電路;(3)調(diào)理電路對(duì)輸入的腦電波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、整形等工作,以減小輸入信號(hào)的噪聲干擾,放大輸入信號(hào)以匹配后極A/D轉(zhuǎn)換電路的要求;(4)A/D轉(zhuǎn)換電路輸入的模擬腦電波信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字采樣值[2],并保存;(5)腦電波處理芯片根據(jù)采集到的腦電波數(shù)據(jù)采樣值依據(jù)特定的算法進(jìn)行計(jì)算以區(qū)分對(duì)應(yīng)人體的疲勞程度,并據(jù)此生成控制輸出量;(6)處理芯片輸出的控制輸出量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬控制量,如電頻;(7)D/A轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大,以驅(qū)動(dòng)后極電路;(8)腦部按摩器接收驅(qū)動(dòng)電路的功率輸出,并用以驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)工作單元工作,對(duì)人體頭部特定位置進(jìn)行按摩,降低人體疲勞程度。

圖3 疲勞監(jiān)測(cè)與處理區(qū)

圖4 疲勞緩解裝置

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

頭戴式腦疲勞智能檢測(cè)與緩解裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

頭戴式腦疲勞智能檢測(cè)與緩解裝置主要包括兩大部分：腦電信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理區(qū)[3]、疲勞緩解區(qū)。

2.2 信號(hào)采集區(qū)

由于人的大腦可以分為端腦、小腦、腦干和丘腦四部分,端腦分為左右大腦半球,每個(gè)大腦半球又可以分為頂、枕、顳、額四葉,根據(jù)國際腦電圖協(xié)會(huì)建議的10/20系統(tǒng)電極放置法放置信號(hào)采集電極[4],如圖3所示。

放置原則如下：額1、2、3;中央4、5、6;頂7、8、9;前額11、12。側(cè)額10、13;顆14、17;枕15、16;是按摩裝置;18、19是放大器和處理器。

根據(jù)腦電信號(hào)頻率的不同,可分為四個(gè)不同的節(jié)律：δ節(jié)律,θ節(jié)律,α節(jié)律,β節(jié)律。當(dāng)腦電信號(hào)的頻率為0.5～3.8Hz即為θ節(jié)律時(shí),人會(huì)出現(xiàn)疲勞。

2.3 疲勞緩解區(qū)

當(dāng)駕駛員出現(xiàn)疲勞時(shí)放大器和處理器將已監(jiān)測(cè)到腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),觸發(fā)穴位按摩裝置和噴香裝置進(jìn)行疲勞緩解,當(dāng)駕駛員的疲勞緩解后,監(jiān)測(cè)到的疲勞腦電信號(hào)減弱,穴位按摩裝置和噴香裝置[5]停止工作,從而在人腦和整個(gè)設(shè)備之間自動(dòng)形成一條閉環(huán)的反饋調(diào)節(jié)通路,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。

如圖4所示,在疲勞緩解區(qū)中,包括如下部件：太陽穴按摩裝置20、22;陽白穴按摩裝置23;百會(huì)穴按摩裝置24;噴香裝置21。

3 結(jié)語

該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和緩解駕駛員的疲勞,減少由于疲勞駕駛造成的安全事故。相較于現(xiàn)有的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng),該設(shè)計(jì)具有現(xiàn)有設(shè)計(jì)所不具備的優(yōu)勢(shì)：

(1)智能調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)通過內(nèi)部信號(hào)處理程序?qū)⒉杉男盘?hào)進(jìn)行處理,通過處理后的信息做出相應(yīng)的回應(yīng),即啟動(dòng)或關(guān)閉啟動(dòng)緩解裝置,實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。(2)提前預(yù)測(cè)。現(xiàn)有設(shè)計(jì)一般通過對(duì)駕駛員面部表情的變化進(jìn)行疲勞提示,這就表明駕駛員已經(jīng)處于疲勞狀態(tài)。而該設(shè)計(jì)可以通過設(shè)置閾值,當(dāng)對(duì)腦電信號(hào)頻率分析預(yù)測(cè)駕駛員將處于疲勞狀態(tài)時(shí)就啟動(dòng)疲勞緩解裝置。(3)準(zhǔn)確性高?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)通過駕駛員面部特征對(duì)駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)進(jìn)行評(píng)級(jí),但由于光線原因以及不同人的面部特征有所不同會(huì)導(dǎo)致疲勞誤判。(4)緩解更有效?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是沒有疲勞緩解裝置的,往往是通過報(bào)警提示駕駛員疲勞駕駛,這種方法對(duì)于緩解疲勞并沒有實(shí)質(zhì)性的作用。本設(shè)計(jì)不僅具有緩解裝置,而且分別通過物理方法和化學(xué)方法對(duì)駕駛員疲勞狀態(tài)進(jìn)行緩解,疲勞緩解作用更有效。

[1] 關(guān)力.大腦誘發(fā)電位的提取方法及在疲勞檢測(cè)中的應(yīng)用[D].西安交通大學(xué),1996.

[2] 畢文輝,嚴(yán)楠,崔德邦,等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的正確選擇[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2009.

[3] 孫琿.基于腦電信號(hào)的在線疲勞監(jiān)測(cè)算法研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

[4] 王曉韡,石立臣,呂寶糧.干電極腦電采集技術(shù)綜述[J].綜述,2010,(05).

[5] 趙燕琳.基于嗅吸法的香檸檬精油對(duì)人體腦電波的影響[D].上海交通大學(xué),2012.