一、驾驶员疲劳预警系统定义。 驾驶员疲劳预警系统是指驾驶员精神状态下滑或进入浅层睡眠时,系统会依据驾驶员精神状态指数分别给出语音提示、振动提醒、电脉冲警示等,警告驾驶员已经进入疲劳状态,需要休息,如图7-65所示。其作用就是监视并提醒驾驶员自身的疲劳状态,减少驾驶员疲劳驾驶的潜在危害。
驾驶员疲劳预警系统也有称为防疲劳预警系统、疲劳识别系统、注意力警示辅助系统、驾驶员安全警告系统等。
二、驾驶员疲劳预警系统组成。
驾驶员疲劳预警系统一般由信息采集单元、电子控制单元和预警显示单元等组成,如图7-66所示。
(1)信息采集单元信息采集单元主要利用传感器采集驾驶员信息和汽车行驶信息:驾驶员信息包括驾驶员的面部特征、眼部信号、头部运动性等;汽车行驶信息包括转向盘转角、行驶速度、行驶轨迹等,这些信息的采集取决于系统的设计。
(2)电子控制单元ECU接收信息采集单元传送的信号,进行运算分析,判断驾驶员疲劳状态;如果经计算分析发现驾驶员处于一定的疲劳状态,则向预警显示单元发出信号。
(3)预警显示单元预警显示单元根据ECU传递的信息,通过语音提示、振动提醒、电脉冲警示等方式对驾驶员疲劳进行预警。
三、驾驶员疲劳检测方法。
驾驶员疲劳检测方法主要有基于驾驶员自身特征(包括生理信号和生理反应)的检测方法、汽车行驶状态的检测方法和多特征信息融合的检测方法等。
1.基于驾驶员生理信号的检测方法。
驾驶员在疲劳状态下,一些生理指标如脑电、心电、肌电、脉波、呼吸等会偏离正常状态,因此,可以通过生理传感器检测驾驶员的这些生理指标来判断驾驶员是否处于疲劳状态。
(1)脑电信号检测脑电信号是人脑机能的宏观反应,利用脑电信号反映人体的疲劳状态,客观并且准确,脑电信号被誉为疲劳监测中的“金标准”。人在疲劳状态下,慢波增加,快波降低。利用脑电信号检测驾驶疲劳状况,判定的准确率较高,但是操作复杂且不适合车载实时监测。
(2)心电信号检测心电图指标主要包括心率及心率变异性等。其中,心率信号综合反映了人体的疲劳程度与任务和情绪的关系。心率变异性是心脏神经活动的紧张度和均衡度综合体现。心电信号是判定驾驶疲劳的有效特征,准确度高。利用心电信号检測人体疲劳状况需要将电极与人身体相接触,会给驾驶员的正常驾驶带来不便。
(3)肌电信号检测通过肌电信号的分析,反映人体的疲劳程度。肌电图的频率随着疲劳的产生和疲劳程度的加深呈现下降趋势,而肌电图的幅值增大则表明疲劳程度增大。该方法测试比较简单,结论较明确。
(4)脉搏信号检测人体精神状态不同,心脏活动和血液循环也会有差异，面人体脉搏波的形成依赖于心脏和血液循环,因此,利用脉搏波监测驾驶员的疲劳状态具有可行性。
(5)呼吸信号检测人体疲劳状态的一个重要表现就是呼吸频率降低,呼吸变得平稳。在正常驾驶过程中,驾驶员精神集中,呼吸的频率相对较高,如果驾驶期间与他人交谈,呼吸波的频率变得更高,同时呼吸的周期性变差。当驾驶员疲劳驾驶时,注意力集中程度降低,思维不活跃,此时呼吸变得平缓。因此,通过检测驾驶员的呼吸状况来判定疲劳驾驶也成为研究疲劳驾驶预警系统的一个重要方面。
基于驾驶员生理信号的检测方法客观性强,准确性高,但与检测仪器有较大关系,而且都是接触式检测,会干扰驾驶员的正常操作,影响行车安全。而且，由于不同人的生理信号特征有所不同,并与心理活动关联较大,在实际用于驾驶员疲劳检测时有很大的局限性。
2.基于驾驶员生理反应特征的检测方法。
基于驾驶员生理反应特征的检测方法一般采用非接触式检测途径,利用机器视觉技术检测驾驶员面部的生理反应特征,如眼睛特征、视线方向、嘴部状态、头部位置等来判断驾驶员疲劳状态。
(1)眼睛特征检测驾驶员眼球的运动和眨眼信息被认为是反映疲劳的重要特征,眨眼幅度、眨眼频率和平均闭合时间都可直接用于检测疲劳。目前被认为是最有应用前景的实时疲劳检测方法——PERCLOS( Percent of Eye Closure,指在一定的时间内眼睛闭合时所占的时间比例)检测,指出 PERCLOS的P80(单位时间内眼睛闭合程度超过80%的时间占总时间的百分比)与驾驶疲劳程度的相关性最好。为了提高疲劳检测准确率,可以综合检测平均睁眼程度、最长闭眼时间的特征作为疲劳指标,可以达到较高的疲劳检测准确率。通过眼睛特征检测驾驶员的疲劳程度,不会对驾驶员行为带来任何干扰,因此它成为这一领域现行研究的热点。
(2)视线方向检测把眼球中心与眼球表面亮点的连线定为驾驶员视线方向。正常状态下,驾驶员正视车辆运动前方,同时视线方向移动速度比较快;疲劳时,驾驶员视线方向的移动速度会变慢,表现出迟钝现象,并且视线轴会偏离正常的位置。通过摄像头获取眼睛的图像,对眼球建模,把视线是否偏离正常范围作为判别驾驶员是否疲劳的特征之一。
(3)嘴部状态的检测人在疲劳时往往有频繁的哈欠动作,如果检测到哈欠的频率超过一个预定的阈值,则判断驾驶员已处于疲劳状态。基于此原理,可以完成对驾驶员的疲劳检测。
(4)头部位置检测在驾驶过程中,驾驶员正常和疲劳时其头部位置是不同的,可以利用驾驶员头部位置的变化检测疲劳程度。利用头部位置传感器,对驾驶员的头部位置进行实时跟踪,并且根据头部位置的变化规律判定驾驶员是否疲劳。
基于驾驶员生理反应特征的检测方法的优点是表征疲劳的特征直观、明显，可实现非接触测量;缺点是检测识别算法比较复杂,疲劳特征提取困难,且检测结果受光线变化和个体生理状况的变化影响较大。
3.基于汽车行驶状态的检测方法。
基于汽车行驶状态的疲劳检测方法,不是从驾驶员本人出发去研究,而是从驾驶员对汽车的操控情况去间接判断驾驶员是否疲劳。该种检测方法主要利用CCD摄像头和车载传感器检测汽车行驶状态间接推测驾驶员的疲劳状态。
(1)基于转向盘的疲劳检测基于转向盘的检测包括转向盘转角信号检测和转向盘力信号检测。
驾驶员疲劳时对汽车的控制能力下降,转向盘转角左右摆动的幅度会较大,然后在一段时间内其值没有明显变化,同时操纵转向盘的频率会下降。通过对转向盘转角时域、频域和幅值域的分析,转向盘转角的方差或平方差可以作为疲劳驾驶评价指标。通过检测驾驶员驾驶过程中转向盘的转角变化情况来检测驾驶员的疲劳情况是疲劳预警系统研究的热点方向。这种方法数据准确,算法简单并且该信号与驾驶员疲劳状况联系紧密。
驾驶员疲劳时,其对转向盘的握力逐渐减小。通过传感器实时检测驾驶员把握转向盘的力,通过一系列分析,判断驾驶员的疲劳程度。
驾驶员对转向盘的操纵特征能间接、实时地反映驾驶员的疲劳程度,具有可靠性高、无接触的优点,由于传感器技术的限制,其准确度有待提高。
(2)汽车行驶速度检测通过实时检测汽车的行驶速度,判断汽车是处于有效控制状态还是处于失控状态,从而间接判断驾驶员是否疲劳。
(3)车道偏离检测驾驶员疲劳驾驶时,由于注意力分散,反应迟钝,汽车可能偏离车道。
基于汽车行驶状态的检测方法优点是非接触检测,信号容易提取,不会对驾驶员造成干扰,以汽车的现有装置为基础,只需增加少量的硬件,具有很高的实用价值。其缺点是受到汽车的具体型号、道路的具体情况和驾驶员的驾驶习惯、驾驶经验和驾驶条件等限制,目前此方法测量的准确性不高。
4.基于多特征信息融合的检测方法。
依据信息融合技术,将基于驾驶员生理特征、驾驶行为和汽车行驶状态相结合是理想的检测方法,大大降低了采用单一方法造成的误警或漏警现象。信息融合技术的应用,使疲劳检测技术得到更进一步的发展和提高,能客观、实时、快捷、准确地判断出驾驶员的疲劳状态,避免疲劳驾驶所引起的交通事故,是疲劳检测技术的发展方向。
四、驾驶员疲劳预警系统应用实例。
比亚迪公司开发的防疲劳预警系统是基于驾驶员生理图像反应,利用驾驶员的面部特征、眼部信号、头部运动性等推断驾驶员的疲劳状态,并进行提示报警和采取相应措施的装置。同时具备对环境的强抗干扰能力,对驾驶行车安全给予主动智能的安全保障。
比亚迪防疲劳预警系统主要由摄像头和FCU两大模块组成,如图7-67所示。
(1)摄像头模块摄像头模块主要由镜头、CMOS图像传感器、近红外LED灯、图像信号采集电路及电源电路组成。CMOS图像传感器将通过镜头的光信号转换为电信号,实时拍摄驾驶员的头、肩部姿态,并通过连接线将信号输送至ECU进行处理。近红外LED灯在必要时点亮,进行补光,使得系统无论在白天、夜晚都能正常工作。
(2)ECU模块ECU模块主要由视频解码电路、运算单元、疲劳程度检测与报警信号输出单元、蜂鸣器组成。视频解码电路接收由摄像头模块发岀的视频图像信号,解码后送入运算单元进行处理,如果经计算发现驾驶员处于一定的疲劳程度,则由报警单元驱动蜂呜器进行报警。
随着汽车市场的发展,社会对生命关怀程度的加深,政府对交通安全的重视,技术的进一步成熟,硬件成本的逐渐降低,驾驶员疲劳检测产品被越来越多的企业和个人接受与应用,它必将会有极佳的市场应用前景。
