基于人體脈搏的車輛防瞌睡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉瀟 于志恒 王殿梁 王公海 王炯燾 劉清鳳 張新

【摘要】疲勞駕駛導(dǎo)致的瞌睡狀態(tài)在日常生活中出現(xiàn)的頻率越來越高，由此產(chǎn)生的交通事故也是屢見不鮮?；谌梭w脈搏與人的狀態(tài)息息相關(guān)，研制了一種建立在人體脈搏信號的基礎(chǔ)上并配合眼球檢測儀檢測防止駕駛員瞌睡的警報(bào)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】人體脈搏 眼球檢測儀 疲勞駕駛 防瞌睡

Abstract： The sleepiness caused by fatigue driving is more and more frequent in daily life， and the traffic accidents caused by the fatigue driving are also common. Based on the fact that human pulse is closely related to human condition， an alarm system is developed， which is based on human pulse signal and cooperates with eyeball detector to detect and prevent drowsiness of drivers.

Key words： Human pulse eyeball detector fatigue driving

drowsiness prevention

0 引言

現(xiàn)如今交通安全在我們生活中越發(fā)的重要，由于司機(jī)駕駛過程中瞌睡造成的交通事故的不斷增長，人們逐漸關(guān)注起了駕駛疲勞這個(gè)問題。在目前市場上出現(xiàn)了一批新型的汽車防瞌睡裝置，但此些防瞌睡裝置在檢測方面或多或少都存在著缺陷。

人體脈搏信號與人狀態(tài)有著密切的聯(lián)系，清醒狀態(tài)和瞌睡狀態(tài)的人體脈搏信號有著明顯變化，而眼睛的瞳孔運(yùn)動頻率及睜閉眼時(shí)長可通過檢測計(jì)算得出，基于這些，研制了一種新型汽車防瞌睡系統(tǒng)。

1防瞌睡系統(tǒng)設(shè)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由測脈搏手環(huán)、心率傳感器、眼球檢測儀、功率放大器、濾波器、單片機(jī)、電流比較器、頻率存儲器、蜂鳴器、噴水霧裝置等組成。

測脈搏手環(huán)內(nèi)置心率傳感器并運(yùn)用藍(lán)牙技術(shù)，能將所測得的駕駛員脈搏信息通過藍(lán)牙無線傳輸至車載系統(tǒng)。

1.1工作原理

測脈搏手環(huán)佩戴于駕駛員手腕測量脈搏，通過藍(lán)牙設(shè)備傳輸至車載系統(tǒng)。根據(jù)測得的脈搏信號進(jìn)行自適應(yīng)，對不同人體的脈搏信號差異自動調(diào)節(jié)清醒時(shí)與瞌睡時(shí)的脈搏信號頻率區(qū)間。眼球檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員的瞳孔運(yùn)動，處理后得到瞳孔運(yùn)動頻率信號。通過信號判斷瞌睡狀態(tài)及瞌睡時(shí)長并結(jié)合車速將信號分為四類，依次為：清醒狀態(tài)、一級瞌睡狀態(tài)、二級瞌睡狀態(tài)和三級瞌睡狀態(tài)。四種信號傳遞至單片機(jī)2均有不同的響應(yīng)：清醒狀態(tài)信號單片機(jī)2不工作;一級觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警和安全帶松緊控制;二級引發(fā)蜂鳴器報(bào)警并結(jié)合空調(diào)吹風(fēng)系統(tǒng)將刺激性無毒氣體吹向駕駛員臉部;三級在觸發(fā)二級基礎(chǔ)上，使噴水霧裝置將水霧噴至駕駛員臉部。該系統(tǒng)的裝置流程圖如圖1。

2 人體脈搏信號的采集

測脈搏手環(huán)內(nèi)側(cè)布有Ag粒子電極，測量人體脈獲得電信號，信號通過心率傳感器得到脈搏信號并由藍(lán)牙設(shè)備傳輸進(jìn)入車載系統(tǒng)。而后脈搏信號經(jīng)由功率放大器及濾波器進(jìn)入信號比較單片機(jī)1，信號比較單片機(jī)1可將實(shí)時(shí)信號與此前五分鐘內(nèi)脈搏頻率均值相比，一旦出現(xiàn)脈搏信號電流頻率大幅下降則可初步判定駕駛員處于瞌睡狀態(tài)。

2.1 脈搏存儲

本實(shí)驗(yàn)通過測量大量不同年齡階段人的脈搏頻率電流，通過A/D轉(zhuǎn)換器得到脈搏頻率的測量值。同時(shí)將脈搏存儲器1所存儲的脈搏信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器得到正常值。針對所得的測量值、正常值及年齡，使用MATLAB進(jìn)行擬合得到擬合圖，如圖2。

由MATLAB擬合圖可以得出，所采集人群脈搏正常頻率是65-95次/分鐘，但在圖中存在較大的頻率波動階段，這是由于本次實(shí)驗(yàn)并未對脈搏信號進(jìn)行去噪過程造成的。

2.2 信號數(shù)字處理

人體脈搏信號的頻率主要是在3～20HZ之間，為次聲波，并且最高頻率不高于40HZ。本實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為f=125HZ，采樣時(shí)間為t=10s，采樣個(gè)數(shù)為N=1024個(gè)。脈搏信號經(jīng)過濾波器濾波、采樣保持器、A/D轉(zhuǎn)換等處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，瞬時(shí)譜為：

計(jì)算后得出人群的數(shù)據(jù)離散波動比較小且符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果與MATLAB擬合的結(jié)果相似，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的正確性。

3 人體瞳孔運(yùn)動頻率及睜閉時(shí)長

眼球檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)控駕駛員瞳孔的運(yùn)動并處理得到駕駛員的瞳孔運(yùn)動頻率信號。此信號傳遞路線為—功率放大器—濾波器—信號比較單片機(jī)1。信號比較單片機(jī)1將駕駛員的所有瞳孔運(yùn)動頻率均值與實(shí)時(shí)頻率比較，一旦駕駛者的瞳孔運(yùn)動頻率大幅下降，則結(jié)合人體脈搏頻率變化判斷駕駛員是否進(jìn)入瞌睡。此外，信號單片機(jī)1會記錄未接收到瞳孔運(yùn)動頻率信號時(shí)長即閉眼時(shí)長，當(dāng)閉眼時(shí)長在單位時(shí)間內(nèi)過長則結(jié)合脈搏信號判斷駕駛員是否瞌睡。

4 比較單片機(jī)

比較單片機(jī)主要由電流比較器、頻率存儲器構(gòu)成。電流信號經(jīng)處理后流入比較單片機(jī)并一分為二流入電流比較器和頻率存儲器。根據(jù)兩支路流出的電流經(jīng)電流比較器后比較的結(jié)果向單片機(jī)2發(fā)送不同頻率的電信號，單片機(jī)2根據(jù)接收到的電流信號不同造成不同的響應(yīng)。比較單片機(jī)的結(jié)構(gòu)流程圖如圖3。

5 結(jié)論

現(xiàn)如今汽車的普及率越來越高，疲勞駕駛的問題日益嚴(yán)峻。汽車防瞌睡裝置的出現(xiàn)以及更新?lián)Q代必不可少，若能夠?qū)⑦@些裝置不斷完善并普及于人們的日常生活中，則能夠減少疲勞駕駛事故的發(fā)生，增加行車的安全性。本系統(tǒng)在結(jié)合了前人研究設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)且對車輛結(jié)構(gòu)并無太大影響，是一種新型有效的防瞌睡裝置。

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基金項(xiàng)目： 嘉興學(xué)院南湖學(xué)院2019年度校級SRT計(jì)劃項(xiàng)目計(jì)劃“基于人體脈搏的車輛防瞌睡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”（項(xiàng)目編號：NH85179326）成果

作者簡介：劉瀟，（1999-），男，浙江建德人，本科在讀。研究方向：機(jī)械制造及其自動化。