基于雷達式非接觸生命參數監測系統的安全帶設計

李佳暉 苑紅偉 拓守軍 祝蕾

摘 要：雷達式非接觸生命監測技術是融合雷達技術和生物醫學工程技術于一體，無需任何電極或者傳感器接觸生命體，以電磁波為探測媒介，間隔一定距離，并可穿透非金屬介質，如衣服、被褥、紗布等物體非接觸、遠距離、無約束的檢測到人體的呼吸及心臟跳動等信息，進而提取出人體的生命體征參數。本研究通過在安全帶上安裝雷達式非接觸生命參數監測系統，收集駕駛員行車過程中心跳頻率，進行信號處理，實時判斷駕駛員的生理體征情況，基于心率變異性的研究理論及時發現并提醒即將進入疲勞駕駛的駕駛員。采用生物雷達技術檢測生命信息，不僅彌補了接觸式檢測疲勞駕駛技術的局限性，而且保障交通安全。

關鍵詞：雷達式非接觸；生命體征參數；疲勞駕駛；心率變異性

1 概述

交通事故是當前世界各國面臨的嚴重社會問題之一，已被公認為當今世界危害人民生命安全的第一大公害。隨著我國高速公路的發展和車速的提高，交通事故的發生率也逐年增高。據統計，人為因素所導致的交通事故占了80%～90%，而駕駛員疲勞駕駛便是其中重要一項。疲勞駕駛[1]是指駕駛員在一段時間的駕車之后所產生的反應水平下降，導致不能正常駕車行駛。駕駛員產生疲勞后，其心理狀態也會發生各種各樣的變化，如視力下降，致使注意力分散、視野逐漸變窄；思維能力下降，致使反應遲鈍、判斷遲緩、動作僵硬、節律失調；自我控制能力減退，致使易于激動、心情急躁或開快車等。根據美國國家公路交通安全署的統計，在美國的公路上，每年由于司機在駕駛過程中跌入睡眠狀態而導致大約10萬起交通事故，約有1500起直接導致人員死亡，711萬起導致人員傷害。我國48%的車禍是由駕駛員疲勞駕駛引起的，造成了重大的財產損失。而目前針對解決駕駛員疲勞駕駛問題并沒有較完整的處理措施和預警系統[2]，傳統的方法為使用可佩帶的疲勞駕駛監測傳感器和視頻監視器等，這些都存在一定缺陷。

由此可見，疲勞駕駛是造成交通事故的一個重要因素，監測汽車駕駛員疲勞狀態的方法與裝置目前已經成為世界各國科研的重點，能在駕駛員出現疲勞狀態的初期給駕駛員以視覺或聽覺上的警示，其研究成果對減少由疲勞駕駛引起的交通事故有重要意義。此研究設計基于雷達式非接觸生命參數信號[3-5]監測技術實時監測疲勞駕駛的安全帶系統，雷達通過發射電磁波信號，利用人體某些部位的運動（如心跳、呼吸和四肢的擺動等）對發射信號調制所引起的微多普勒效應[6，7]可以實現對人體的探測、定位、成像、識別、行為分類以及多種人體信息的提取，通過在安全帶上安裝雷達式非接觸生命參數監測系統，監測人體心率變化規律，對進入疲勞駕駛狀態及時進行預警和車輛限速，減少因疲勞駕駛造成的交通事故。

2 國內外疲勞駕駛監測裝置的研究現狀

國內外研究人員主要取得的監測駕駛疲勞研究成果如下：

（1）打瞌睡駕駛員偵探系統DDDS（The Drowsy Driver Detection System）[8]：德國SAFEAU研制的采用多普勒雷達和復雜的信號處理方法，可獲取駕駛員煩躁不安的情緒活動、眨眼頻率和持續時間等疲勞數據，用以判斷駕駛員是否打瞌睡或睡著。該系統可制成體積較小的儀器，安裝在駕駛室內駕駛員頭頂上方，完全不影響駕駛員正常的駕駛活動。

（2）方向盤監視裝置S.A.M.（Steering Attention Monitor）：美國Electronic Safety Products公司開發的一種監測方向盤非正常運動的傳感器裝置，適用于各種車輛。方向盤正常運動時傳感器裝置不報警，若方向盤4s不運動，S.A.M.就會發出報警聲直到方向盤繼續正常運動為止 [9]。

（3）DAS2000型路面警告系統（The DAS2000 Road Alert System）：日本研制的一種設置在高速公路上用計算機控制的紅外線監測裝置，當行駛車輛擺過道路中線或路肩時，向駕駛員發出警告。

（4）電子“清醒帶”：由日本研制開發，使用時固定在駕駛員頭部，將“清醒帶”一端的插頭插入車內點煙器的插座，裝在帶子里的半導體溫差電偶使平展在前額部位的鋁片變涼，使駕駛員睡意消除，精神振作。戴上這種“清醒帶”，可以24h無睡意。“清醒帶”使用電壓12～14V，電流500mA，十分安全。

（5）疲勞駕駛員警報系統（ASTiD）：英國Loughborough大學睡眠研究中心的科學家研制的新型電子設備。該系統將一些常見因素作為參考系數，如：由于駕駛員睡眠造成的交通事故高發期、車輛行駛狀況及駕駛員持續駕駛的時長等。一旦駕駛員昏昏欲睡，聲音和圖像警示器將對他們提出警告[8，10]。

（6）眼動監測與視頻監測裝置：美國華盛頓大學的JohnStern博士領導的由美國聯邦公路管理局和汽車聯合會資助的研究所，通過自行開發的專用照相機、腦電圖儀和其他儀器來精確測量頭部運動、瞳孔直徑變化和眨眼頻率，用以研究駕駛行為等問題。2000年1月明尼蘇達大學的Nikolaos P與Papaniko lopoulos教授成功開發了一套駕駛員眼睛的追蹤和定位系統[11]，通過安置在車內的一個CCD攝像頭監視駕駛員的臉部，通過追蹤多幅正面臉部特征圖像來監控駕駛員是否疲勞。

我國的疲勞駕駛研究[12-16]起步較晚，目前比較成型的是由浙江司安汽車電子股份有限公司與清華大學、東南大學的幾位博士組建的中國單片機公共實驗室聯合研究出來的疲勞駕駛預警機是國內唯一已經商業化的疲勞駕駛預警系統，其原理和豐田十三代皇冠標配的瞌睡報警系統類似，主要檢測駕駛員的眼睛開合情況，尤其增加了對瞳孔的識別，即使有駕駛員睜眼睡覺也能被識別出，基于紅外圖像的處理使得產品在陽光下和黑暗里都能進行識別，系統還能對帶各類戴眼鏡的駕駛員進行識別，實用性很強。除此之外，中國上海交通大學的石堅，吳遠鵬，卓斌等人通過傳感器測量駕駛員駕駛時方向盤踏板等的運動參數，然后采用模糊神經網絡的方法對駕駛員疲勞程度進行辨識和分析[17]；吉林大學的王榮本與北京農業大學的鄭培等[18]， 利用機器視覺的方法對駕駛員的眼睛特征進行實時跟蹤從而判斷駕駛員的精神狀態。

3 系統設計原理

3.1 系統控制結構

設計采用的非接觸生命參數檢測系統是基于毫米波雷達而建立起來的，整個系統由毫米波雷達[19]主機收發一體式天線[20]、生命參數濾波放大預處理器以及車載電腦PC三部分組成。其天線微波探測方案采用后向散射式（反射式），利用多普勒反射原理，該振蕩信號經定向耦合器，一路經環形器送入雷達天線發射出去，另一路送入混頻器。當雷達天線發射的電磁波信號遇到人體時，產生反射信號，雷達天線接收到回波信號后，通過環形器送入混頻器進行混頻，在檢測過程中，由于呼吸、心跳信號極其微弱，而“動目標”信號則很強，所以就要求預處理器的輸入信號動態范圍很大，具有一定的抗“動目標”的能力，而且信噪比、共模抑制比和靈敏度要高，處理后方能送入車載電腦PC，數據分析處理和預警控制結構見圖1。

圖1 系統控制結構圖

3.2 疲勞駕駛監測原理

安全帶系統通過車載電腦PC對采集的心電數據分析處理[21-23]，進行R波的檢測、HRV分析，得到時域、頻域、非線性指標的變化趨勢，進而對疲勞等級分級[24]，對于疲勞狀態較嚴重者，PC將信息反饋到預警系統，提示駕駛員無法繼續正常行車，必須停車休息。由于國家規定行車時間超過4h，必須停車休息，當監測系統運行4h后，預警系統也可自動開啟提示狀態。系統結構框圖見圖2。

圖2 系統結構框圖

4 系統可行性分析

本設計采用的雷達式非接觸生命監測技術，無需接觸生命體就可檢測人體呼吸及心臟跳動等信息，裝置受棉質障礙物影響小，信號強度穩定，保證了接收數據的準確性和穩定性，采用的毫米級電磁波不會對人體造成傷害，保證了駕駛員的健康安全。本設計無需改變安全帶材質和樣式，只需在靠近駕駛員心臟及胸部的安全帶部位內嵌一個監測裝置，動力通過汽車本身的電氣系統供應，在車輛啟動時自動啟動，系好安全帶后方可正常工作，可長時間運行，保證了在行車過程中對駕駛員疲勞度有效的實時監測，當駕駛員心率出現異常時自動報警并控制車輛減速，無需駕駛員采取其他操作，方便智能。心率檢測系統造價低廉，成本費用不超過1000元，可大規模配備于各種車輛，便于推廣使用。本裝置感應器體型小，線路簡單，占有機動車內部空間小，保證了機動車座艙內的美觀大方。本設計實用價值高，不僅彌補了接觸式檢測疲勞駕駛技術的局限性，而且保障交通安全，在交通運輸領域具有廣闊的發展空間。

5 結束語

疲勞駕駛監測裝置已經商業化，有越來越多的成熟型產品推向市場，但是高成本阻礙了監測裝置的普及應用，需要采用更先進的技術，降低監測裝置的成本，將疲勞駕駛監測裝置推向更廣闊的市場。

本研究提出的基于雷達式非接觸生命參數監測系統的人體生理信號檢測的駕駛疲勞研究方法，通過加載在安全帶上安全可靠地進行監測。目前，國內使用的疲勞駕駛監測研究設備已經可以達到一定程度的效果，但尚未形成專門的理論；而關于基于雷達式非接觸生命參數監測系統的安全帶監測駕駛疲勞的研究目前還未見報道。面對現在信息技術、無線技術的飛速發展和不斷完善，該方法的提出為更客觀地研究駕駛疲勞和監測疲勞駕駛的形成提供新的思路和方法，對于減少交通事故造成的損失和保護駕駛員身體健康具有十分重要的意義。

參考文獻

[1]林書名.淺談疲勞駕駛的危害及防范[J].福建農機，2010（3）：28-29.

[2]http：//www.tranbbs.com/Solution/platform/Solution_112521.shtml[Z].

[3]王健琪，王海濱，荊西京，等.呼吸、心率的雷達式非接觸檢測系統設計與研究[J].中國醫療器械，2001，25（3）：132-135.

[4]王健琪，董秀珍，王海濱，等.基于毫米波的呼吸、心率非接觸檢測實驗[J].第四軍醫大學學報，2001，22（2）：180-182.

[5]荊西京，王健琪，路國華，等.雷達式非接觸生命參數監測的信號預處理[J].醫療衛生裝備，2003（11）：21-29.

[6]顧昌展.基于微波多普勒方法的非接觸生命信號探測[D].浙江大學碩士論文集，2008（6）.

[7]周永舜.基于微多普勒的人體探測和特征提取算法研究[C].電子科技大學碩士論文集，2011（4）.

[8]http：//www.safeau.com/page/html/？109.html[Z].

[9]張希波，成波，睿嘉.基于方向盤操作的駕駛人疲勞狀態實時檢測方法[J].清華大學學報，2010，55（7）：1072-1076，1081.

[10]劉靈，鄧小燕，徐穎.汽車駕駛員駕駛疲勞監測方法與裝置的研究現狀[J].醫療衛生裝備，2006：27（12）：28-30.

[11]劉紀紅，李中帆.基于視頻的人眼跟蹤方法研究[J].小型微型計算機系統.2012：9（9）：2087-2010.

[12]王增義.疲勞駕駛預防研究[J].河南科技，2012（5）：20.

[13]孫敏聰，郭兆勇，錢家勝，等.淺談機動車駕駛員的疲勞駕駛[J].內江科技，2012（9）：13.

[14]吳春瑩. 淺談汽車駕駛員疲勞監測技術的研究進展[J].機電一體化，2007（4）：43-47.

[15]袁翔，孫香梅.疲勞駕駛檢測方法研究進展[J].汽車工程學報，2012，2（3）：157-164.

[16]趙鐘.駕駛員疲勞檢測方法研究及嵌入式實現[D].大連海事大學碩士論文集，2010（8）：2.

[17]石堅，吳遠鵬，卓斌，等.汽車駕駛員主動安全性因素的辨識與分析[J].上海交通大學學報，2000，34（4）：441-444

[18]王榮本，郭克友，儲江偉，等.適用駕駛員疲勞狀態監測的人眼定位方法研究[J].公路交通科技，2003，20（5）：111-114

[19]丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安電子科技大學出版社，1996；2.

[20]王華芝，董維仁.天線與電波傳播[M].人民郵電出版社，1994：10.

[21]焦昆，李增勇，陳銘，等.駕駛精神疲勞的心率變異性和血壓變異性綜合效應分析[J].生物醫學工程雜志，2005，22（2）：343-346.

[22]董占勛，孫守遷，吳群，等.心率變異性與駕駛疲勞相關性研究[J].浙江大學學報（工學版），2010，44（1）：46-50.

[23]張祖懷.基于人體生理信號的駕駛疲勞研究方法及其應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006：4-5.

[24]劉靈.心率變異性在汽車司機駕駛疲勞監測中應用的研究[D].重慶大學碩士論文集，2007（6）.

作者簡介：李佳暉（1992-），男，山西長治人，中國礦業大學礦業學院交通運輸系大四學生，研究方向：交通規劃與管理。