“守衛(wèi)者”智能行車守護(hù)系統(tǒng)

孫世若 王天琪 張淼

摘 要：智能行車守護(hù)系統(tǒng)具有疲勞駕駛監(jiān)測(cè)、酒駕預(yù)防和兒童安全防護(hù)三大功能，可全方位保障行車安全。疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊基于主流的OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫開發(fā)，采用基于Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫的人臉檢測(cè)模塊，運(yùn)用SVM特征分類方法，實(shí)現(xiàn)駕駛員駕駛狀態(tài)的精準(zhǔn)判別和疲勞駕駛的預(yù)警防范。酒駕預(yù)防模塊運(yùn)用高靈敏度酒精傳感器對(duì)駕駛員酒精含量進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，基于酒精含量檢測(cè)結(jié)果對(duì)汽車總線發(fā)出相應(yīng)的邏輯指令，通過總線控制汽車組件完成相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)酒精含量的強(qiáng)制檢測(cè)和酒駕的事前預(yù)防。兒童安全防護(hù)模塊利用紅外傳感器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后車內(nèi)是否留人，車內(nèi)留人時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)溫度、氧氣含量，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境的綜合判斷，環(huán)境異常時(shí)，通過向汽車總線發(fā)送邏輯指令進(jìn)行報(bào)警和智能解救，消除兒童滯留車內(nèi)的隱患。作品以ARM開發(fā)板為硬件基礎(chǔ)，采用基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，具有極高的車載應(yīng)用潛質(zhì)，使用更加方便高效，彌補(bǔ)了當(dāng)前技術(shù)的不足，致力于為駕駛員營(yíng)造更安全的駕駛環(huán)境。

關(guān)鍵詞：機(jī)器學(xué)習(xí);計(jì)算機(jī)視覺;Linux;ARM;多傳感器模塊;多進(jìn)程通信

1 作品簡(jiǎn)介

“守衛(wèi)者”智能行車守護(hù)系統(tǒng)具有疲勞駕駛監(jiān)測(cè)、酒駕預(yù)防和兒童安全防護(hù)三大功能模塊，可多角度開展行車安全防護(hù)，開創(chuàng)了安全行車系統(tǒng)的新模式。

團(tuán)隊(duì)選取ARM作為硬件基礎(chǔ)，采用基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)，使作品具有開源、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于在車載平臺(tái)上推廣應(yīng)用。此外，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，便于使用。

2 方案設(shè)計(jì)及功能

2.1 疲勞駕駛監(jiān)測(cè)

疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員的駕駛狀態(tài)。疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊以主流的OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫進(jìn)行開發(fā)，采用基于Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫的人臉檢測(cè)模塊對(duì)人臉及檢測(cè)部位進(jìn)行精確捕獲，運(yùn)用SVM特征分類方法，建立左右眼開闔庫，以精確判定駕駛員的駕駛狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)判斷駕駛員進(jìn)入疲勞駕駛狀態(tài)時(shí)，通過向汽車總線發(fā)送邏輯指令，控制汽車相應(yīng)組件，進(jìn)行危險(xiǎn)預(yù)警并采取相應(yīng)防范措施：首先通過語音提示告知駕駛員并提醒其盡快停止駕駛;語音提示一段時(shí)間后，若駕駛員并未采取制動(dòng)措施，則通過喇叭報(bào)警、開啟雙閃燈等方式，對(duì)周邊車輛進(jìn)行預(yù)警，降低疲勞駕駛引發(fā)交通事故的概率。

目前，該模塊已實(shí)現(xiàn)疲勞駕駛狀態(tài)的精準(zhǔn)判別及語音提示功能，并可依據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果向汽車總線發(fā)送相應(yīng)的邏輯指令;實(shí)現(xiàn)喇叭報(bào)警、開啟雙閃燈等操作需要將系統(tǒng)與實(shí)際汽車總線連接，涉及汽車總線的硬件改造，需與汽車廠商合作，依靠專業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.2 酒駕預(yù)防

酒駕預(yù)防模塊用于在發(fā)動(dòng)汽車前對(duì)駕駛員進(jìn)行酒精含量的強(qiáng)制檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)酒駕的事前預(yù)防。酒駕預(yù)防模塊通過嵌入高靈敏度酒精傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員酒精含量的精準(zhǔn)檢測(cè)，并通過適當(dāng)?shù)母脑?，使汽車總線控制點(diǎn)火開關(guān)。僅當(dāng)酒精檢測(cè)結(jié)果合格時(shí)，向汽車總線發(fā)送開啟的邏輯指令，使駕駛員可用鑰匙發(fā)動(dòng)汽車。當(dāng)駕駛員未進(jìn)行酒精含量檢測(cè)或檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)時(shí)，則無法使用鑰匙發(fā)動(dòng)汽車。

目前，該模塊已實(shí)現(xiàn)酒精含量檢測(cè)及檢測(cè)結(jié)果分析功能，可依據(jù)檢測(cè)結(jié)果向汽車總線發(fā)送邏輯指令。開啟系統(tǒng)后的自動(dòng)檢測(cè)功能還在研發(fā)調(diào)試階段，對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)的實(shí)際控制需要對(duì)汽車的點(diǎn)火開關(guān)進(jìn)行改造，同時(shí)涉及汽車總線的硬件改造，需與汽車廠商合作實(shí)現(xiàn)。

2.3 消除兒童滯留安全隱患

兒童安全防護(hù)模塊用于兒童滯留車內(nèi)時(shí)安全隱患的消除。在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，兒童安全防護(hù)模塊會(huì)利用紅外傳感器判斷發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)車內(nèi)是否留人，車內(nèi)留人時(shí)，通過車內(nèi)溫度、氧氣含量監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)車內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)綜合判斷，環(huán)境異常時(shí)，通過向汽車總線發(fā)送邏輯指令，控制喇叭、車窗等組件進(jìn)行報(bào)警和智能解救，消除兒童滯留車內(nèi)的潛在危險(xiǎn)。

目前，該模塊已實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)和溫度檢測(cè)，并可依據(jù)傳感器檢測(cè)結(jié)果，向汽車總線發(fā)送相應(yīng)邏輯指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)喇叭、車窗等汽車組件的邏輯控制;氧氣含量檢測(cè)目前還在調(diào)試階段，對(duì)汽車組件的實(shí)際控制涉及硬件改造，需與汽車廠商合作完成。

2.4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用多模塊、多進(jìn)程同步處理方式，具有提高多核處理器利用率、方便程序調(diào)試和維護(hù)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。父進(jìn)程負(fù)責(zé)維護(hù)子進(jìn)程，進(jìn)程間通信采用命名管道方式。

疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊由疲勞駕駛監(jiān)測(cè)進(jìn)程執(zhí)行，一旦發(fā)現(xiàn)駕駛員處于疲勞駕駛狀態(tài)立即向日志記錄進(jìn)程發(fā)送信號(hào)（SIGUSR2）。日志記錄進(jìn)程在未接收到信號(hào)時(shí)處于阻塞狀態(tài)，一旦接收到信號(hào)（SIGUSR2），便立即向本地日志文件寫入“drive fatigue”并記錄本地時(shí)間，同時(shí)向語音提示進(jìn)程發(fā)送信號(hào)（SIGUSR1）。語音提示進(jìn)程接收到信號(hào)（SIGUSR1）后播放疲勞駕駛警告語音。

酒駕預(yù)防模塊和兒童安全防護(hù)模塊由串口通信進(jìn)程處理。STM32單片機(jī)獲取各傳感器數(shù)據(jù)并由串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式系統(tǒng)。串口通信進(jìn)程負(fù)責(zé)接收和處理接收到的數(shù)據(jù)，并將判定的邏輯結(jié)果通過文件系統(tǒng)輸出到相應(yīng)的文件中，同時(shí)向數(shù)據(jù)庫服務(wù)進(jìn)程發(fā)送信號(hào)（SIGUSR1）和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)進(jìn)程接收到信號(hào)后讀取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到本地或遠(yuǎn)程MySQL數(shù)據(jù)庫中。

3 可行性分析

疲勞駕駛模塊采用的處理器架構(gòu)為雙核ARM Coretx-A72+四核ARM Cortex A53，性能與移動(dòng)端設(shè)備類似，能夠在保持一定幀率的情況下完成人眼開闔狀態(tài)的檢測(cè)。若在車載部分采用性能更好的處理器，則可進(jìn)一步提升模塊處理速度，縮短延遲時(shí)間，模塊性能還將有更大提升，開發(fā)潛力巨大。

疲勞駕駛模塊采用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法在未來有廣闊的前景以及發(fā)展空間，并且可通過增加訓(xùn)練樣本、優(yōu)化算法來提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。

利用開發(fā)板豐富的接口，可讀取酒精傳感器、溫度傳感器等數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)基于Linux內(nèi)核，便于開發(fā)、設(shè)計(jì)算法，對(duì)返回至系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理，設(shè)置酒精含量、車內(nèi)溫度、氧氣含量等安全閾值，進(jìn)行超閾值情況下的報(bào)警，實(shí)現(xiàn)酒駕預(yù)防和兒童安全防護(hù)功能。

4 性能優(yōu)勢(shì)

疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊采用基于機(jī)器視覺的檢測(cè)方法，主要通過視頻圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員的眼睛變化情況，綜合判斷駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)。相較于基于生理信號(hào)的檢測(cè)方法，此方法無需接觸駕駛員身體，不會(huì)影響駕駛;同時(shí)，隨著處理器性能的提升，模塊可以達(dá)到更高的檢測(cè)頻率，相較于基于駕駛行為的檢測(cè)方法，具有更低的誤判率，更具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

酒駕預(yù)防模塊通過嵌入高靈敏度酒精檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員酒精含量的精準(zhǔn)檢測(cè)。當(dāng)駕駛員不進(jìn)行酒精檢測(cè)或酒精檢測(cè)結(jié)果超標(biāo)時(shí)，駕駛員無法發(fā)動(dòng)汽車。通過酒精檢測(cè)結(jié)果對(duì)點(diǎn)火開關(guān)的控制，實(shí)現(xiàn)了酒駕的事前防范，從源頭制止酒駕行為，彌補(bǔ)了目前交警抽測(cè)的不足;此外，該模塊可實(shí)現(xiàn)酒精含量的強(qiáng)制檢測(cè)，有效防止目前車載酒精檢測(cè)儀人為棄用現(xiàn)象的發(fā)生，具有極高的推廣價(jià)值。

兒童安全防護(hù)模塊通過多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，對(duì)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合判斷，通過汽車總線控制車內(nèi)必要的硬件設(shè)備，全方位消除兒童滯留時(shí)的潛在安全隱患。填補(bǔ)了目前市面上針對(duì)此問題的技術(shù)空缺。

5 創(chuàng)新點(diǎn)

5.1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的疲勞駕駛檢測(cè)

區(qū)別于傳統(tǒng)的生理信號(hào)檢測(cè)，疲勞駕駛模塊采用SVM特征分類方法，建立左右眼開闔庫，能夠更精確地判定駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)，彌補(bǔ)了目前疲勞駕駛檢測(cè)技術(shù)的不足。同時(shí)，疲勞駕駛模塊采用了基于Dlib機(jī)器學(xué)習(xí)庫的人臉檢測(cè)模塊，能夠有效對(duì)人臉及檢測(cè)部位進(jìn)行精確捕獲，可提高系統(tǒng)目標(biāo)識(shí)別的可靠性。

5.2 借助汽車總線實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車組件的控制

系統(tǒng)基于各模塊數(shù)據(jù)分析結(jié)果，通過向汽車總線發(fā)送相關(guān)邏輯指令，控制車內(nèi)必要的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)駕駛狀態(tài)的報(bào)警、酒精含量的強(qiáng)制檢測(cè)、車內(nèi)環(huán)境異常時(shí)對(duì)兒童的智能解救等操作。

5.3 消除兒童滯留隱患

通過多種傳感器獲取數(shù)據(jù)，對(duì)車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合判斷。通過CAN總線控制車內(nèi)必要的硬件設(shè)備，全方位消除兒童滯留時(shí)的潛在安全隱患，填補(bǔ)該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

5.4 高效安全的系統(tǒng)平臺(tái)

基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)具有安全高效、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，便于在PC端進(jìn)行程序開發(fā)。對(duì)用戶權(quán)限的控制機(jī)制可防止用戶隨意篡改系統(tǒng)預(yù)設(shè)功能及數(shù)據(jù)。

5.5 多模塊的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于多模塊、多傳感器并行的思想，集成度高，通過設(shè)置檢測(cè)模式判定功能，對(duì)不同實(shí)際環(huán)境采用不同的檢測(cè)和處理方案，提高系統(tǒng)應(yīng)變能力并有效降低功耗。

6 市場(chǎng)前景

6.1 應(yīng)用前景

可與汽車廠商合作開發(fā)產(chǎn)品，由團(tuán)隊(duì)提供軟件技術(shù)，汽車廠商完成汽車總線及相關(guān)組件的硬件改造，并完成系統(tǒng)的車載內(nèi)嵌，借助高性能芯片，進(jìn)一步提升系統(tǒng)處理速度，優(yōu)化系統(tǒng)性能。這一發(fā)展方向中，可尤其重視與長(zhǎng)途運(yùn)輸汽車廠商的合作，由于長(zhǎng)途運(yùn)輸行業(yè)的特殊性，使得本系統(tǒng)更具應(yīng)用和統(tǒng)一推廣價(jià)值。

當(dāng)產(chǎn)品具有一定的市場(chǎng)普及度和較高的行業(yè)認(rèn)可度后，可與交管部門合作，對(duì)某一地區(qū)的車輛進(jìn)行系統(tǒng)的統(tǒng)一安裝，通過聯(lián)網(wǎng)獲取車輛駕駛行為記錄，依據(jù)記錄對(duì)危險(xiǎn)駕駛行為進(jìn)行懲處，實(shí)現(xiàn)疲勞駕駛、酒后駕駛的統(tǒng)一監(jiān)管。

6.2 技術(shù)發(fā)展前景

機(jī)器學(xué)習(xí)極具發(fā)展?jié)摿?。隨著技術(shù)的不斷革新，疲勞駕駛監(jiān)測(cè)模塊的性能也將獲得更大的提升空間，駕駛狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和判別精度將進(jìn)一步提升，依據(jù)這一技術(shù)原理，也可開發(fā)更多智能功能，豐富系統(tǒng)模塊。

借助汽車總線實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車組件的控制，可實(shí)現(xiàn)許多強(qiáng)制功能。隨著系統(tǒng)各模塊對(duì)汽車總線邏輯控制度的提升，系統(tǒng)可開發(fā)出更多基于檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)控制功能。

與AI芯片廠商以及互聯(lián)網(wǎng)公司合作，使用專門針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)、具備強(qiáng)大并行計(jì)算與浮點(diǎn)運(yùn)算的電路，從硬件層面全方位提升運(yùn)算速度，實(shí)現(xiàn)更高效率的疲勞駕駛檢測(cè)，使得整套系統(tǒng)性能大幅提升。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)技術(shù)的融合，可研發(fā)基于面部信息或虹膜信息的身份識(shí)別技術(shù)，為駕駛員建立面部ID，開發(fā)基于面部ID的防盜、智能啟動(dòng)等功能模塊。