基于FPGA的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)

摘要：駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。目前檢測(cè)疲勞駕駛主要有檢測(cè)駕駛員生理變化指標(biāo)、駕駛員外部特征變化或者駕駛員行為及其引起的車輛運(yùn)動(dòng)特征的變化等幾種方法。本項(xiàng)目利用加速度傳感器檢測(cè)疲勞駕駛，以FPGA作為嵌入式控制核心，控制加速度傳感器采集車輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向加速度與駕駛員頭部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)過相關(guān)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得出駕駛員疲勞值，通過TFT顯示屏顯示相應(yīng)的信息，在疲勞值超出預(yù)設(shè)值時(shí)將進(jìn)行語音提示，用戶可以通過觸摸屏輸入進(jìn)行操作。系統(tǒng)具有準(zhǔn)確、便捷、成本低的特點(diǎn)，具有極大的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

1項(xiàng)目背景

1.1研究背景

1.1.1疲勞駕駛的社會(huì)危害

駕駛疲勞，是指駕駛?cè)嗽陂L(zhǎng)時(shí)間連續(xù)行車后，產(chǎn)生生理機(jī)能和心理機(jī)能的失調(diào)，而在客觀上出現(xiàn)駕駛技能下降的現(xiàn)象。駕駛?cè)怂哔|(zhì)量差或不足，長(zhǎng)時(shí)間駕駛車輛，容易出現(xiàn)疲勞。駕駛疲勞會(huì)影響到駕駛?cè)说淖⒁?、感覺、知覺、思維、判斷、意志、決定和運(yùn)動(dòng)等諸方面。疲勞后繼續(xù)駕駛車輛，會(huì)感到困倦瞌睡，四肢無力，注意力不集中，判斷能力下降，甚至出現(xiàn)精神恍惚或瞬間記憶消失，出現(xiàn)動(dòng)作遲誤或過早，操作停頓或修正時(shí)間不當(dāng)?shù)炔话踩蛩?，極易發(fā)生道路交通事故。

交通事故統(tǒng)計(jì)分析表明，駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。日本的事故統(tǒng)計(jì)揭示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1~1.5%。法國(guó)國(guó)家警察總署事故報(bào)告表明，因疲勞瞌睡而發(fā)生車禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。而在高速公路上，通過對(duì)2010年1月至12月因疲勞駕駛而發(fā)生交通事故致人死亡的案例分析，90%以上是由貨運(yùn)司機(jī)疲勞駕駛造成的。

因此，檢測(cè)疲勞駕駛，對(duì)預(yù)防交通事故的發(fā)生有重要意義。

1.1.2基于加速度傳感器疲勞駕駛檢測(cè)的優(yōu)越性

目前檢測(cè)疲勞駕駛的方法主要有以下幾種：

• 利用生理傳感器檢測(cè)駕駛員的生理變化指標(biāo)，如腦電、心電、心率、呼吸等；

• 檢測(cè)疲勞駕駛時(shí)駕駛員的外部特征變化，如眨眼、點(diǎn)頭；

• 檢測(cè)駕駛員行為及其引起的車輛運(yùn)動(dòng)特征的變化，如換擋，油門以及車輛加速度、車載車道中的位置等。

利用加速傳感器的疲勞駕駛檢測(cè)方法隸屬于第三種?，F(xiàn)有的產(chǎn)品中，第一種會(huì)使用到帶有侵入性的生理傳感器，讓駕駛員十分不舒服，因而使用范圍十分有限；第二種主要是利用機(jī)器視覺檢測(cè)眨眼或者瞳孔大小變化，它的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度高，但是受光線等外界環(huán)境影響比較大。第三種是屬于車載傳感器，因而使用起來十分方便，完全可以集成到車輛中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.1.3應(yīng)用拓展

當(dāng)產(chǎn)品足夠成熟時(shí)，它將得到廣泛的應(yīng)用。

• 如果實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)出現(xiàn)異常車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判定為交通事故，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并且通知其他車輛，避免出現(xiàn)交通擁堵；

• 如果能將司機(jī)的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門管理和執(zhí)法。

1.2項(xiàng)目意義

在“以車代步”、物流快速發(fā)展的今天，檢測(cè)疲勞駕駛，預(yù)防交通事故，為每一個(gè)家庭護(hù)航，有利于維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，具有重要意義。通過檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)特征的疲勞駕駛檢測(cè)方法具有準(zhǔn)確、便捷、成本低的特點(diǎn)，但是目前，世界上還沒有通過檢測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)特征的疲勞駕駛檢測(cè)系統(tǒng)，基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測(cè)儀的出現(xiàn)填補(bǔ)了這方面的空白，研究具有極大的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

2項(xiàng)目方案

2.1系統(tǒng)概述

2.1.1產(chǎn)品模型圖

如圖 2-1所示是產(chǎn)品TFT顯示屏面板示意圖。

圖 2-1 系統(tǒng)TFT顯示屏面板

本檢測(cè)儀LCD面板由四個(gè)部分組成：

• 疲勞曲線繪制區(qū)：本區(qū)間占面板絕大部分，形象的再現(xiàn)駕駛員駕車過程中的精神狀態(tài)，有利于分析疲勞程度的趨勢(shì)，做出有效預(yù)測(cè)。

• 信息提示區(qū)：本區(qū)分為三個(gè)部分，疲勞進(jìn)度條可以更加直觀的反應(yīng)當(dāng)前時(shí)刻的疲勞程度；狀態(tài)指示燈指示是否到達(dá)疲勞警戒線，當(dāng)?shù)竭_(dá)警戒線時(shí)它會(huì)變成紅色；文字提示疲勞程度。

• 功能按鈕區(qū)：功能按鈕區(qū)有三個(gè)鍵，暫停鍵是在特殊情況是暫停記錄，歷史記錄按鈕可以點(diǎn)出客戶想看的疲勞駕駛曲線，設(shè)置鍵主要設(shè)置時(shí)間。

• 時(shí)間和電量顯示區(qū)：顯示當(dāng)前時(shí)間和剩余電量。

2.1.2產(chǎn)品功能概述

基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測(cè)儀主要有以下幾項(xiàng)功能

1. 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)動(dòng)參數(shù)，識(shí)別駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)；

2. 語音報(bào)警功能；

3. 記錄駕駛狀態(tài)歷史，便于駕駛員分析規(guī)律，養(yǎng)成良好駕駛習(xí)慣。

2.1.3系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)以FPGA作為嵌入式控制的核心，FPGA芯片選擇Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲勞檢測(cè)系統(tǒng)主要由嵌入式控制單元、存儲(chǔ)單元、傳感器電路、電源電路、語音電路、外圍接口電路等部分組成。

圖 2-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)利用加速度傳感器采集車輛行駛時(shí)的轉(zhuǎn)向加速度與駕駛員頭部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信號(hào)，傳輸?shù)紺PU，通過算法加速模塊計(jì)算出當(dāng)前的疲勞值后，將結(jié)果以疲勞曲線的形式繪制在TFT顯示屏上。一定時(shí)間后將疲勞值信息存儲(chǔ)到SD卡中，方便后續(xù)的查看。用戶可以通過電阻式觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，如查看歷史記錄。

各部分功能如下：

• 控制單元：負(fù)責(zé)管理硬件資源和軟件任務(wù)間的通信和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)界面顯示和用戶交互，采集加速度傳感器的信息，通過算法計(jì)算出疲勞值，控制電池的充放電以及語音報(bào)警提示。

• 存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)Bootloader、Linux內(nèi)核鏡像以及用戶應(yīng)用程序，以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在用戶存儲(chǔ)空間保存用戶的疲勞信息，以便查看。

• 外圍接口模塊：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設(shè)備的通信。如UART、I²C、SPI、VGA等接口。有些特殊器件通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口IP實(shí)現(xiàn)通信。

2.2疲勞檢測(cè)原理

本系統(tǒng)通過加速度傳感器，提取車輛行駛的最基本加速度和轉(zhuǎn)向角信息，在通過數(shù)學(xué)變換得到車速標(biāo)準(zhǔn)差、加速度小波分解的edl尺度歸一化能量、加速度小波熵、轉(zhuǎn)向角小波熵、轉(zhuǎn)向角的小波分解的ca5尺度的歸一化能量、轉(zhuǎn)向角速度的標(biāo)準(zhǔn)差和轉(zhuǎn)向角速度的能量等七個(gè)參數(shù)作為檢測(cè)疲勞駕駛的特征量。下面介紹這些特征量的生成方法。

1. 特征生成

• 標(biāo)準(zhǔn)差的生成

標(biāo)準(zhǔn)差是一組數(shù)據(jù)平均分散程度的一種度量，依據(jù)以下方法計(jì)算：

• 轉(zhuǎn)向角速度能量

(2-2)

• 小波熵的生成

(2-3)

為 概率，且 =1。

• 小波分解的某一尺度歸一化能量

(2-4)

式中， 為i尺度下的能量， 。

2. 基于主成分分析的特征提取

主成分分析法（Principle Component Analysis，PCA）是一種利用變量間的線性關(guān)系對(duì)多維信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)壓縮的方法，能夠有效解決輸入相關(guān)性問題。

主成分分析的主要思想是，對(duì)于總體 ，將其主成分定義為這個(gè)P維向量的線形組合 ，則：

• 是X的線性函數(shù)，即要求 ， 是 維待定常數(shù)向量，

• i=1，2，?，k。

• 要求 盡可能大，即 能充分反映X的變化情況，i=1，2，．．．，k。

• 要求 互不相關(guān)，即 ，i，或者 之間盡可能不含重復(fù)信息。

這樣的 均稱為X的主成分。從幾何上講，樣本點(diǎn) 在P維空問形成了一個(gè)P維球形狀的云團(tuán)，主成分分析就是通過提取云團(tuán)散布最大的那些方向的方法，達(dá)到對(duì)特征空間進(jìn)行降維的目的。

2.2.1模式識(shí)別算法

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)階段嘗試了四種疲勞駕駛模式識(shí)別算法，他們分別是：模糊聚類算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。幾種識(shí)別算法的比較見下表：

表格 2?1 幾種算法的比較

綜合考慮識(shí)別正確率和收斂速度，PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的識(shí)別效果較好，收斂速度最快，最適合于在實(shí)時(shí)狀態(tài)下運(yùn)用。

2.3加速度傳感器模塊

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的檢測(cè)儀大部分是基于攝像頭的檢測(cè)系統(tǒng)，使用攝像頭檢測(cè)，不僅功耗高，待機(jī)時(shí)間短，而且攝像頭檢測(cè)會(huì)讓駕駛員有一種被窺視的感覺，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。而我們的檢測(cè)儀是基于加速度傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)。使用加速度傳感器不僅能檢測(cè)駕駛員的行車狀態(tài)，還能檢測(cè)車輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結(jié)合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結(jié)果。而且使用加速度傳感器還能降低產(chǎn)品功耗，增加待機(jī)時(shí)間。

在本系統(tǒng)中，我們使用美新公司的數(shù)字化熱對(duì)流方向定位傳感器（DTOS）MXC6225XU來收集基本運(yùn)動(dòng)信息。MXC6225XU是一款低功耗，低成本，高精度的兩軸運(yùn)動(dòng)定位傳感器。它擁有整個(gè)加速度計(jì)產(chǎn)品中最低的零重力偏移量，范圍在整個(gè)運(yùn)行的+/- 50mg 。MXC6225XU它輸出的是兩個(gè)垂直方向加速度8bit數(shù)字信號(hào)，最大值 ，采用 接口與外部通信。

總線接口都是開漏或者開集電極輸出，因此需要接上拉電阻。傳感器外圍電路如下：

圖 2-3 加速度傳感器應(yīng)用電路

2.4LCD觸摸屏模塊

傳感器檢測(cè)到信息后，為了方便駕駛員及時(shí)的調(diào)整駕駛狀態(tài)，需要及時(shí)的將信息反饋給駕駛員，最直觀的方式就是圖表和數(shù)字。對(duì)于車載的顯示屏，綜合考慮車上的空間和能讓駕駛員能清晰的看見顯示屏上的數(shù)據(jù)等因素，我們選用5寸的TFT-LCD顯示屏。同時(shí)為了讓駕駛員能方便的對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行操控，我們選擇便捷的LCD觸摸屏方案來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

TFT-LCD觸摸屏模塊包括TFT-LCD控制器（包括觸摸屏控制器）、TFT-LCD顯示屏、觸摸屏三個(gè)部分。當(dāng)檢測(cè)到觸摸屏上某一點(diǎn)被按下時(shí)，TFT-LCD控制器會(huì)記下觸點(diǎn)的X和Y的坐標(biāo)，同時(shí)向MCU發(fā)送一個(gè)中斷的請(qǐng)求，接收到中斷的請(qǐng)求后，MCU會(huì)讀取存儲(chǔ)的坐標(biāo)值和觸點(diǎn)所包含的控制信息。接收到這些信息后并進(jìn)行處理后，MCU會(huì)通過控制TFT-LCD控制器來控制LCD顯示屏顯示信息。TFT-LCD模塊的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖 2-4 TFT-LCD顯示模塊框圖

TFT-LCD控制器我們選用RA8870, RA8870是一個(gè)文字與繪圖模式的液晶顯示（TFT-LCD）控制器，可結(jié)合文字或2D 圖形應(yīng)用。RA8870內(nèi)建內(nèi)存能4K 色320*240 雙圖層顯示。

RA8870還包括一些強(qiáng)大的圖形處理功能，如畫面旋轉(zhuǎn)功能、卷動(dòng)功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等，這些功能將可節(jié)省用戶在中小尺寸TFT 屏應(yīng)用的開發(fā)時(shí)間，并且提升MCU 軟件的執(zhí)行效率。

RA8870內(nèi)建一組10位ADC和控制電路，以連接四線或五線電阻式的觸摸屏。觸摸屏控制器的工作模式我們選用自動(dòng)模式中的外部中斷。只要開啟觸摸屏，選擇自動(dòng)模式與開啟觸摸屏中斷功能，當(dāng)硬件中斷發(fā)生或寄存器，代表RA8870 已經(jīng)將用戶“Touch”到觸摸屏的坐標(biāo)存在寄存器中了。為了準(zhǔn)確的檢測(cè)到觸摸，控制器采用延遲一段取樣時(shí)間的方式來等待信號(hào)變穩(wěn)定，避免觸摸屏被接觸的瞬間信號(hào)還不穩(wěn)定。

2.5語音報(bào)警模塊

駕駛員進(jìn)入疲勞狀態(tài)時(shí)，對(duì)外界的反應(yīng)很差，注意力不集中，不一定能看見顯示屏上的圖標(biāo)和文字提醒，這時(shí)要想提醒駕駛員安全駕駛，把駕駛員喚醒，必須用大音量醒目的聲音來刺激駕駛員，使駕駛員恢復(fù)清醒，所以必須使用語音芯片進(jìn)行語音警告。

我們選用是WTV040系列語音芯片，它是一款一次性編程語音芯片。工作電壓為DC2.5～3.6V，省電模式時(shí)耗電 2uA，在省電模式下，芯片上電后1秒鐘或者語音停止播放后1秒自動(dòng)休眠。當(dāng)語音為6K采樣頻率時(shí)，存儲(chǔ)的語音長(zhǎng)度可達(dá)到40秒，音頻輸出為PWM或DAC模式，PWM模式輸出時(shí)可以直接推動(dòng)0.5W/8Ω的揚(yáng)聲器，DAC模式輸出需要外接功放來驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。圖 2-5基于三串口模式的芯片應(yīng)用電路。

圖 2-5 WTV040語音芯片應(yīng)用電路

2.6SD卡模塊

SD存儲(chǔ)卡被廣泛地應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品中，由于具有體積小、記憶容量高、數(shù)據(jù)傳輸率快、移動(dòng)靈活性好以及安全性高等特點(diǎn)，成為嵌人式設(shè)備中最常見的存儲(chǔ)媒介。本系統(tǒng)利用SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)檢測(cè)的波形，方便歷史記錄的查看。

SD卡有兩個(gè)可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標(biāo)準(zhǔn)的讀寫方式，但是在選用SD模式時(shí)，往往需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間要求不是很嚴(yán)格的情況下，選用SPI模式可以說是一種最佳的解決方案。因?yàn)樵赟PI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場(chǎng)上很多MCU都集成有現(xiàn)成的SPI接口電路，采用SPI模式對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫操作可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。

SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對(duì)其進(jìn)行操作，9Pin的引腳隨工作模式的不同有所差異。在SPI模式下，引腳1(DAT3)作為SPl片選線CS用，引腳2(CMD)用作SPI總線的數(shù)據(jù)輸出線MOSI，而引腳7(DAl．0)為數(shù)據(jù)輸入線MlSO，引腳5用作時(shí)鐘線(CLK)。除電源和地，保留引腳可懸空。

圖 2-6 SD卡接口電路

2.7電源模塊

如果使用家用車供電，那么便會(huì)使得導(dǎo)線外接，不僅不美觀，減短使用壽命，還會(huì)對(duì)駕駛員得駕駛造成影響，我們采用方形的3.7V鋰電池供電。

由于系統(tǒng)內(nèi)部的不同模塊需要不同的電壓供電，鋰電池的3.7V輸出不能滿足供電需要，所需要升壓和降壓電路來滿足不同原件的供電需求。FPGA工作電壓為3.3V；語音芯片夠做電壓為3.3V；TFT顯示屏工作電壓為5.0V。

圖 2-7 電源模塊框圖

其中充電管理芯片使用BQ2057，該芯片的充電器外圍電路及其簡(jiǎn)單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設(shè)計(jì)需要。BQ2057可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時(shí)間；內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測(cè)和可編程充電電流，充電狀態(tài)識(shí)別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實(shí)現(xiàn)，具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。應(yīng)用電路如下：

圖 2-8 BQ2057應(yīng)用電路

如圖 2-9，通過穩(wěn)壓芯片HT7333，得到3.3V輸出電壓，給PIC32、FLASH、語音芯片供電；如圖 2-10，通過升壓芯片LT1308得到5V輸出電壓，給顯示屏供電。

圖 2-9 HT7333應(yīng)用電路

圖 2-10 LT1308應(yīng)用電路

3項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

3.1新的檢測(cè)方法

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的檢測(cè)儀大部分是基于攝像頭的檢測(cè)系統(tǒng)，使用攝像頭檢測(cè)，不僅功耗高，待機(jī)時(shí)間短，而且攝像頭檢測(cè)會(huì)讓駕駛員有一種被窺視的感覺，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。

而我們的檢測(cè)儀是基于加速度傳感器的檢測(cè)系統(tǒng)，不僅能檢測(cè)駕駛員的行車狀態(tài)，還能檢測(cè)車輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結(jié)合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結(jié)果。

3.2系統(tǒng)成本低、功耗小

與傳統(tǒng)的基于攝像頭的檢測(cè)系統(tǒng)相比，不需要對(duì)大量圖像信息進(jìn)行采集、處理和存儲(chǔ)，系統(tǒng)成本低，且功耗小。

3.3產(chǎn)品便攜性好

系統(tǒng)體積小，操作簡(jiǎn)單，且可以放置在汽車上任意位置，便攜性好。

3.4可拓展性好

基于MicroBlaze和嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，今后可以增加基于攝像頭檢測(cè)疲勞的模塊，加速度傳感器和攝像頭兩種檢測(cè)方法，提高檢測(cè)精度。

3.5極大的應(yīng)用價(jià)值

當(dāng)產(chǎn)品足夠成熟時(shí)，它將得到廣泛的應(yīng)用。如果實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)出現(xiàn)異常車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判定為交通事故，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并且通知其他車輛，避免出現(xiàn)交通擁堵；如果能將司機(jī)的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門管理和執(zhí)法。

系統(tǒng)具有極大的社會(huì)價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。