淺析疲勞駕駛檢測(cè)儀設(shè)計(jì)方案

摘要：針對(duì)目前嚴(yán)重的疲勞駕駛行為，研制了一種疲勞駕駛檢測(cè)裝置。在座椅頭枕上前方正對(duì)駕駛員頭部的位置安裝1個(gè)紅外線發(fā)射二極管和2個(gè)紅外線接收頭，由單片機(jī)控制紅外線發(fā)射的電流強(qiáng)度，同時(shí)檢測(cè)接收頭的信息就可以檢測(cè)頭部的相對(duì)位置。如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時(shí)間超過設(shè)定值，則輸出報(bào)警和制動(dòng)控制信號(hào)。在幾種典型車輛上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的正確性和有效性，并能達(dá)到較高的測(cè)量精度。

1　檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該檢測(cè)儀由單片機(jī)控制反射式紅外線傳感器對(duì)駕駛員頭部位置進(jìn)行檢測(cè)，通過檢測(cè)駕駛員在常規(guī)坐姿下的頭部與座椅頭枕的相對(duì)位置，自動(dòng)判斷駕駛員是否處在疲勞駕駛狀態(tài)中。

如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時(shí)間超過設(shè)定值，則輸出報(bào)警和制動(dòng)控制信號(hào)。檢測(cè)儀中的反射式紅外線傳感器由1個(gè)紅外線發(fā)射二極管和2個(gè)紅外線接收頭組成，紅外線發(fā)射二極管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的38 kHz紅外線光束，安裝在座椅頭枕上前方正對(duì)駕駛員頭部的位置，紅外線發(fā)射二極管放置在中間， 2個(gè)紅外線接收頭對(duì)稱放置在左右兩邊。

2　駕駛員頭部位置分析

在駕駛過程中，駕駛員正常和疲勞時(shí)其頭部位置是不同的，側(cè)視圖如圖1所示，圖1 ( a)表示駕駛員在正常駕駛汽車時(shí)其頭部位置與座椅頭枕有幾cm的較小距離，而不是完全靠緊頭枕，因?yàn)榭烤o頭枕駕駛眼睛會(huì)感覺很不舒服，不方便觀察距離汽車較近的道路情況。

圖1 ( b)表示駕駛員疲勞駕駛汽車時(shí)最常見的開車睡眠姿勢(shì)，也是駕駛員最初的疲勞睡眠姿勢(shì)，這時(shí)駕駛員頭部距離座椅頭枕一般大于15 cm,這種情況下應(yīng)及時(shí)報(bào)警，如果持續(xù)2 s就應(yīng)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)剎車。但是短暫的其他非疲勞動(dòng)作，如探身操作儀表板上的開關(guān)、回頭觀察等短時(shí)動(dòng)作也有類似的距離變化，這時(shí)可以用時(shí)間來區(qū)別， 2 s以內(nèi)恢復(fù)正常位置的不作為疲勞駕駛判定。

圖1 ( c)表示駕駛員在有意識(shí)地短暫休息和閉上眼睛駕駛，但還沒有完全睡著時(shí)的姿勢(shì)，但這是完全睡著的前奏，其頭部位置緊靠座椅頭枕，距離為0,這種情況下應(yīng)該及時(shí)報(bào)警，發(fā)展下去就會(huì)演變成圖1 ( b)的情況。

圖1　駕駛員頭部位置側(cè)視圖

圖2為駕駛員頭部的俯視圖，其中圓形代表駕駛員的頭部，箭頭代表紅外線發(fā)射和反射的路線。圖2 ( a)為正常駕駛時(shí)駕駛員頭部與紅外線傳感器的相對(duì)位置示意圖，紅外線從中間的紅外線發(fā)射二極管發(fā)射出來到被駕駛員頭部反射回左右2個(gè)紅外線接收頭，所經(jīng)過的距離基本相等。

圖2 ( b)表示駕駛員疲勞后的頭部位置，是向左或右歪斜的情況，這與圖1 ( b)的典型位置有所不同，是一種中間過渡的疲勞形態(tài)，最終也會(huì)轉(zhuǎn)化到圖1 ( b)的位置，這時(shí)紅外線傳感器將檢測(cè)出左右不同的距離，也應(yīng)及時(shí)報(bào)警或輸出制動(dòng)信號(hào)。

圖2 ( c)表示駕駛員疲勞后頭部繼續(xù)偏移的位置，一側(cè)的紅外線接收頭已經(jīng)不能接收到被反射回來的紅外線了，在計(jì)算機(jī)程序中得到距離無限大的結(jié)果，這說明駕駛員疲勞程度進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警或輸出制動(dòng)信號(hào)。

圖2　駕駛員頭部位置俯視圖

3　檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的硬件電路圖如圖3所示，圖中LED為紅外線發(fā)射二極管， IC3、IC4 為紅外線接收頭，MCU 為ATmaga8 單片機(jī)。

圖3　檢測(cè)儀硬件電路

LED發(fā)射38 kHz的紅外線調(diào)制光束，經(jīng)駕駛員頭部反射后會(huì)照射到IC3、IC4的接收窗口， IC3、IC4對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)放大處理后以高或低電平的方式送到單片機(jī)MCU的輸入口線，計(jì)算機(jī)程序?qū)⒖诰€的值送到內(nèi)存保存，供后面的程序作為判斷依據(jù)。

紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射的紅外線的有效檢測(cè)距離與通過紅外線發(fā)射二極管的電流是對(duì)應(yīng)的，紅外線發(fā)射二極管LED的電流由三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓決定，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓受計(jì)算機(jī)程序輸出的控制字控制。

控制字最大值是二進(jìn)制11111111d,此時(shí)R1 ～R8 全部接地， R12的綜合阻值最小，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout也最小， LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離也最小，適當(dāng)調(diào)整R1～R8 的數(shù)值，可以將LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離調(diào)整到1 cm左右。當(dāng)控制字最小值是二進(jìn)制00000000d,此時(shí)R1 ～R8 電阻全部懸浮， R12的綜合阻值就是R12 ,三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout最大，紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離也最大，適當(dāng)調(diào)整R12的數(shù)值，可以將紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離調(diào)整到20 cm左右。1～20 cm的有效檢測(cè)距離能夠滿足實(shí)際需要。

4　檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)

4. 1距離檢測(cè)方法

有效距離檢測(cè)與單片機(jī)發(fā)出的控制字相對(duì)應(yīng)，距離檢測(cè)的方法是：逐漸減少紅外線發(fā)射的強(qiáng)度，直到接收不到反射的紅外線光束，此時(shí)的控制字對(duì)應(yīng)的距離值就是當(dāng)前駕駛員頭部與座椅頭枕的距離。

4. 2　駕駛員頭部位置的自動(dòng)標(biāo)定

單片機(jī)程序框圖如圖4所示，自動(dòng)標(biāo)定頭部正常位置的程序在汽車啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)再延時(shí)一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行，因?yàn)槠隈{駛不會(huì)發(fā)生在這段時(shí)間內(nèi)。當(dāng)行駛到主路后，頭部的動(dòng)作逐步穩(wěn)定，這時(shí)候才是對(duì)頭部進(jìn)行正常位置標(biāo)定的正確時(shí)機(jī)。每次都要重新標(biāo)定是因?yàn)轳{駛員可能換人，每個(gè)人頭部的位置不完全一樣，標(biāo)定的結(jié)果也會(huì)有差異。

圖4　頭部正常位置的自動(dòng)標(biāo)定程序框圖

自動(dòng)標(biāo)定頭部正常位置的程序就是使紅外線發(fā)射二極管的電流強(qiáng)度由強(qiáng)到弱逐步減小，同時(shí)檢測(cè)IC3、IC4的輸出狀態(tài)，判斷是否到了接收不到的臨界點(diǎn)，這是停止發(fā)射電流強(qiáng)度減小的界限，同時(shí)讀出此刻的控制字?jǐn)?shù)值作為距離標(biāo)定。當(dāng)左右2個(gè)紅外線接收頭IC3、IC4所輸出的信號(hào)電平一致，同時(shí)能夠保持相當(dāng)一段時(shí)間不變時(shí)，就可以用此時(shí)的控制字作為標(biāo)準(zhǔn)距離標(biāo)定。每個(gè)控制字都對(duì)應(yīng)1個(gè)實(shí)際的距離。

4. 3　駕駛員頭部偏離正常位置的檢測(cè)

如果某個(gè)紅外線接收頭沒有接收到紅外線信號(hào)，則判定為此紅外線接收頭與駕駛員頭部的距離大于此時(shí)與控制字相關(guān)聯(lián)的距離。

2個(gè)紅外線接收頭所輸出的信息分別反映了同一時(shí)刻駕駛員頭部與2個(gè)紅外線接收頭的距離，與標(biāo)準(zhǔn)距離比較就能判斷駕駛員的頭部是正常位置還是前傾、側(cè)傾、后仰。是否輸出報(bào)警和制動(dòng)控制電平由計(jì)算機(jī)程序根據(jù)駕駛員頭部偏離正常位置后的持續(xù)時(shí)間決定。

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將該檢測(cè)儀安裝在捷達(dá)和雨燕等汽車上并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，對(duì)5個(gè)駕駛員的正常駕駛狀態(tài)和疲勞駕駛狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯鲈摍z測(cè)儀能實(shí)時(shí)地跟蹤和判斷測(cè)試人員的疲勞狀態(tài)，同時(shí)對(duì)醉酒駕駛的不正當(dāng)坐姿也起到警示作用。

6　結(jié)束語

該檢測(cè)儀完成了駕駛員頭部位置正常與否的識(shí)別，進(jìn)而判斷駕駛員是否疲勞駕駛，是簡單技術(shù)的智能化應(yīng)用。該檢測(cè)儀可以低成本地裝備現(xiàn)有汽車，提高安全幾率，便于大規(guī)模推廣，市場需求潛力巨大。