肌電式防酒駕/路怒/疲勞駕駛智能安全手環(huán)

明魁 徐鏡博 謝鴻云 王銘晨

摘 要：近年來，酒駕、疲勞駕駛、路怒癥等問題嚴(yán)重影響了乘客及行人安全。本文針對以上問題研發(fā)一款智能手環(huán)，該手環(huán)可通過采集并分析駕駛員手臂上的肌肉電信號，實時判斷駕駛員狀態(tài)，當(dāng)駕駛員處于危險狀態(tài)時，手環(huán)會對駕駛員釋放微電流進(jìn)行提醒。本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)人臉識別產(chǎn)品，具有實時（可超前肢體運(yùn)動150ms）、準(zhǔn)確（容錯率5%）、易于研發(fā)（一維時間動作電位序列）等特點，具有很高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：肌電信號；行車安全；智能手環(huán)

1 研究背景

目前，機(jī)動車道路交通事故越來越多，僅2014年第一季度，全國便發(fā)生涉及人員傷亡的道路交通事故40283起，造成10575人死亡、直接財產(chǎn)損失2.1億元，并且據(jù)交通部門統(tǒng)計，60%以上的交通事故與酒駕/路怒/疲勞駕駛有關(guān)。司機(jī)酒駕/路怒/疲勞駕駛極易發(fā)生道路交通事故。因此行車安全預(yù)警器在交通安全應(yīng)用中發(fā)揮著越來越大的作用，行車安全智能手環(huán)的設(shè)計刻不容緩。

2 同類產(chǎn)品對比

目前市面上大部分關(guān)于安全駕駛的產(chǎn)品大部分為接觸性，在實際行車過程中會影響駕駛員的操作，另外疲勞指標(biāo)不夠客觀，一種單一的檢測指標(biāo)往往不能衡量駕駛員是否疲勞。還有一些產(chǎn)品是通過面部識別來判斷駕駛者的狀態(tài)，準(zhǔn)確率低，在光線暗的情況下很容易出現(xiàn)差錯。為了讓大多數(shù)人能支付的起疲勞駕駛預(yù)警相關(guān)產(chǎn)品，疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮其成本，行車智能手環(huán)通過肌電信號反應(yīng)駕駛者的狀態(tài)，肌電信號采集器做起來成本較低，更符合消費(fèi)者要求。

3 表面肌電信號概述

表面肌電信號（sEMG）是一種生物電流信號，是人體表面肌肉通過收縮產(chǎn)生的生物電流。神經(jīng)系統(tǒng)控制肌肉的活動時（收縮或者放松），表面皮膚不同的肌肉纖維在同一時間會產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。

肌電信號是受意識控制的，一般來說，肌肉的不同動作模式是由大腦興奮程度不同決定的，大腦興奮程度的不同首先會影響神經(jīng)纖維發(fā)放興奮電脈沖的頻率，進(jìn)而使得肌肉纖維收縮數(shù)量不同，這樣檢測到的肌肉信號也會不同，因此可以從不同的sEMG特征中找到其對應(yīng)的動作模式。

4 裝置整體結(jié)構(gòu)

本團(tuán)隊設(shè)計的智能手環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，主要包括肌電信號傳感器、肌電信號采集口（貼片電極）、肌電信號采集屏、微電流刺激口、手環(huán)外輪廓及電池等結(jié)構(gòu)組成。

肌電信號采集口可以通過貼片電極實時采集駕駛員手臂皮膚表明的微弱電流，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以得到駕駛員現(xiàn)在的狀態(tài)（正常/酒駕/疲勞駕駛/路怒），并將結(jié)果顯示到肌電信號采集屏上，當(dāng)駕駛員處于異常狀態(tài)（酒駕/疲勞駕駛/路怒）時，微電流刺激口會釋放電流并響起提示音對駕駛員進(jìn)行提醒。

具體結(jié)構(gòu)為以下幾部分：

1、肌電信號模塊的采集系統(tǒng)，主要包括9V電池、Arduino數(shù)據(jù)開發(fā)板、肌電信號傳感器以及貼片電極。其中1個貼片電極為基準(zhǔn)電極，2個貼片電極為采集電極，采集電機(jī)采集到數(shù)據(jù)以后首先與基準(zhǔn)電極數(shù)據(jù)對比，隨后數(shù)據(jù)傳送到Arduino開發(fā)板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而分析駕駛員狀態(tài)。目前已經(jīng)搭建此部分實物并運(yùn)行成功。

肌電信號記錄的是不同機(jī)能狀態(tài)下的肌肉電位變化，而這種變化與肌肉結(jié)構(gòu)、收縮力以及收縮時發(fā)生的化學(xué)變化都有聯(lián)系。所以還需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型以及實驗方案。

2、智能采集屏幕，結(jié)構(gòu)示意如圖2-2所示，主要功能為顯示駕駛員狀態(tài)，由于肌電信號不僅可以記錄駕駛員在任意時刻的生理狀態(tài)，還可記錄其心理狀態(tài)，所以經(jīng)過肌電信號傳感器處理的數(shù)據(jù)可以輸送到顯示屏，顯示屏可以顯示四種狀態(tài)（正常/酒駕/疲勞駕駛/路怒），顯示屏?xí)@示文字并加以語音提醒。

3、電壓調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)自動輸出電壓并自動調(diào)節(jié)，滿足普通60/50Hz需求?？梢詫㈦妷赫{(diào)節(jié)器輸出端連接2個電極貼片（上文所述采集電極），當(dāng)檢測到駕駛員處于異常狀態(tài)（酒駕/疲勞駕駛/路怒）時，電壓調(diào)節(jié)器會觸發(fā)并對駕駛員手臂進(jìn)行微電流刺激進(jìn)行提醒。

5 sEMG動作辨識數(shù)學(xué)模型

基于sEMG的自主性表明肌電信號采集方案流程共由五個階段構(gòu)成：

（1）動作發(fā)生判斷階段：

模塊始終監(jiān)測四通道信號，當(dāng)確認(rèn)有效運(yùn)動開始后對四通道進(jìn)行同步采集；

（2）多通道的分析、特征提取階段：

所獲取的駕駛員手臂四通道信號數(shù)據(jù)量大，可分性不強(qiáng)，為此須通過有效的分析方法提取出各通道的特征向量，實現(xiàn)數(shù)據(jù)降維；

（3）模式分類器監(jiān)督學(xué)習(xí)階段：

首先選定模式分類器，并對動作目標(biāo)集進(jìn)行合理編碼，將特定動作所對應(yīng)的特征向量作為輸入，該動作編碼作為輸出，對分類器進(jìn)行有教師信號的監(jiān)督訓(xùn)練，直到分類器收斂；

（4）模式認(rèn)知階段：

將提取的四通道特征向量輸入到訓(xùn)練好的模式分類器中，對當(dāng)前動作的種類進(jìn)行識別；

（5）動作執(zhí)行階段：

肌電信號采集屏以及微電流刺激口根據(jù)動作識別結(jié)果執(zhí)行預(yù)定動作，實時保障駕駛員及行車安全。

在基于動作辨識的sEMG控制方法研究中，特征提取技術(shù)和分類器設(shè)計是兩個核心關(guān)鍵，其性能將直接決定整套系統(tǒng)效果。

6 產(chǎn)品總結(jié)

本文為了解決酒駕、疲勞駕駛、路怒帶來的行車危害，設(shè)計了一種可以通過采集駕駛員手臂皮膚表面肌電信號并對駕駛員進(jìn)行提醒的智能手環(huán)，該作品成本較低，技術(shù)實現(xiàn)難度適中，具有實時（可超前肢體運(yùn)動150ms）、準(zhǔn)確（容錯率5%）、易于研發(fā)（一維時間動作電位序列）等特點，提醒效果良好，具有較高的社會價值。

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