基于動態時間閾值的駕駛員疲勞狀態檢測

楊澤　李進　劉洋洋

【摘 要】疲勞駕駛是引發交通事故的一個重要因素。因此，眾多的研究人員致力于疲勞駕駛的研究。在不增加額外傳感器的情況下，利用車載傳感器檢測駕駛員相關的操作動作，并提出一種基于動態時間閾值的駕駛員疲勞狀態檢測方法。

【關鍵詞】疲勞駕駛；傳感器；動態疲勞時間閾值

0 引言

每年，全世界死于交通事故的人數約為60萬，直接經濟損失125億美元。這些災難性事故中約57%與駕駛員疲勞駕駛有關根據文獻[1]。我國每年因道路交通傷亡的總人數居世界首位，而且以每年10%的速度遞增，疲勞駕駛所導致的交通事故也以相當快的速度遞增。疲勞駕駛研究初期，研究的主要內容是分析駕駛疲勞產生的機理并采取措施防止其產生。隨著信息時代的來臨，傳感器技術的應用深入到了科學研究的各個領域。

本文在不增加傳感器及外部設施的前提下通過方向盤轉角傳感器、節氣門位置傳感器、車速傳感器、制動燈。共同對駕駛員在駕駛車輛行駛于不同路況時反饋到傳感器上的信號經過單片機綜合處理來判斷出駕駛員是否處于疲勞駕駛。

1 概述

1.1 疲勞駕駛產生的原因 [2]

駕駛疲勞產生原因主要如下：1）睡眠不足或睡眠時間不恰當；2）駕駛時間過長；3）道路條件不好；4）其他原因（如不合理汽車設計、不舒適的溫度、光線和聲音的干擾等）。

1.2 疲勞駕駛的特征[3]

1.2.1 怠倦，無力

對駕駛員來說，開始是肩部和腿部感到不適，接著就會蔓延到腰部乃至全身，致使全身乏力。感覺主動性減弱，駕駛能力下降，對操作缺乏信心，最后自己無法按照規程繼續駕駛。

1.2.2 注意功能失調

隨著疲勞的發展，注意力渙散，注意范圍縮小，注意的分配和轉移發生困難，經常丟失重要的交通信息。疲勞駕駛會引起注意穩定性下降，注意力分散，接收外界信息怠慢遲緩，視野逐漸變窄，漏看，錯看信息的情況增多。

1.2.3 駕駛動作失調

換擋不靈活，動作不協調，油門操作不平穩。因此疲勞之后，動作準確性下降，有時發生反常反應。動作協調性也要受到破壞，動作節律失調，動作的自動化程度下降以致操作遲緩、生硬、不合時機，這在制動、轉向方面表現最為明顯。

1.2.4 反應時間顯著增加

據國外研究，工作一天后，不同年齡的駕駛員對紅色信號的反應時間都增長了，同時，對復雜刺激的選擇反應時間也增長，有時甚至增長2倍以上。疲勞狀態是一種不定量的狀態，在不同時間、不同個體、不同情景下，疲勞產生的程度也不同。疲勞狀態產生以后，駕駛員疲勞的心里表現形式，可以通過駕駛員的自我感覺或主觀體驗來反映，頭腦不清晰，對外界事物思維判斷力下降。

2 基于傳感器的動態閾值疲勞檢測

2.1 駕駛員動作定義

2.1.1 節氣門位置傳感器信號

駕駛員踩動油門踏板時節氣門位置會發生變化。傳感器檢測到變化后產生信號。

2.1.2 方向盤轉角傳感器信號

駕駛員在轉動方向盤時方向盤轉角傳感器會產生信號。

2.1.3 制動燈信號

駕駛員踩動制動踏板時汽車尾部的制動燈就會變亮，由制動燈開關輸出高低電平信號。

2.2 傳感器信號及說明

需要的車載傳感器信號除了上面定義的三種駕駛員動作外，還有車速信號。即：①節氣門位置傳感器信號用于反映節氣門的開度；②車速傳感器信號用于反映車速的大小；③方向盤轉角傳感器信號用于表現汽車轉向的幅度；④制動燈信號用于判別駕駛員是否有剎車動車。

2.3 基本原理

從上一個駕駛員動作（如上面定義）結束開始檢測下一個駕駛員動作出現的時間，如果在設定的疲勞檢測時間閾值內檢測到任何一種駕駛員動作，則為正常駕駛；并從該駕駛員動作出現的時刻開始重新進行下一個駕駛員動作的檢測。如果任何一種動作都沒有檢測到，則判定為疲勞駕駛。

對于轉向盤轉角動作，其疲勞檢測時間閾值為動態的，具體確定方法如下：對于其他動作，其疲勞檢測時間閾值為固定值，這里根據經驗值取4s。例如，在某一車輛運行狀況下，轉向盤轉角的動態閾值為4.5s，其他動作的時間閾值為4s，則如果在4.5s內檢測到駕駛員轉向動作，或者在4s內檢測到除轉向盤轉角外的其他駕駛員動作，則判定為正常駕駛；如果在4.5s內未檢測到駕駛員轉向動作，同時在4s內未檢測到除轉向盤轉角外的其他任何一種駕駛員動作，則判定為疲勞駕駛。

3 轉向動作的動態閾值確定

3.1 直線行駛的時間閾值確定

汽車在不發生跑偏的情況下，方向盤的轉角不超過其自由行程時汽車保持直線行駛。通常，駕駛員在行車過程中，需要不斷對方向作出調整，即使在筆直的道路上行駛，也總是需要對方向盤做一些輕微的轉動根據文獻[4]。而根據駕駛疲勞的定義及其從生理表現上考慮，當駕駛員處于駕駛疲勞狀態時會出現注意力不集中，操縱停頓等現象。因此通過監測方向盤的動作狀態可以間接反映駕駛員是否處于疲勞狀態。如果在經歷一定時間內方向盤沒有任何動作，就可以判斷為動作疲勞，其時間閾值隨汽車速度等級大小的變化而改變。車速等級分類及相應時間閾值如表1所示。

表1 車速等級分類及直線行駛下相應時間閾值

3.2 轉向行駛的時間閾值確定

轉向的時間閾值是指駕駛員在轉向時轉向動作維持不變的時間。汽車在彎道行駛時會方向盤會轉到一個角度來維持汽車轉向的動作，但是駕駛員在轉向時也會不斷調整方向盤轉角維持汽車正常轉彎和回正。轉向運動下時間閾值根據車速等級（表1）和轉角等級（表2）動態確定。其中，時間閾值等級分類如表3所示，時間閾值按表4確定。

4 控制系統的實現

控制系統工作原理如圖1所示。通過傳感器將汽車各部位的物理變化量轉換為電信號。單片機通過對傳感器電信號的采集，經過前述方法進行處理，判斷出駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態。當判定為疲勞駕駛時，將控制信號傳輸到執行裝置即轉向盤震動器和蜂鳴器。

5 總結

利用汽車本身已有的傳感器，提出一種基于動態時間閾值的駕駛員疲勞檢測方法。其原理是根據一定時間長度內是否出現駕駛員動作判定駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態，且該時間長度根據汽車實時運行狀態動態確定。該方法具有不增加額外傳感器設備，且疲勞檢測的關鍵閾值參數為動態變化的，故能夠較好地適應車輛運行環境的變化。

【參考文獻】

[1]孫偉，張為公，張小瑞，等.疲勞駕駛檢測方法的研究進展[J].汽車技術，2009（2）：01-05.

[2]李貞，馮曉毅.基于傳感器技術的駕駛疲勞檢測方法綜述[J].2006.

[3]馬艷麗，裴玉龍.連續駕駛時間對駕駛特性測評指標的影響[J].中國公路學報，2009，1（22）：84-85.

[4]沈永增，胡立方，馮繼秒.多源信息融合在駕駛疲勞檢測中的應用[Z].2012.

[責任編輯：王偉平]