基于Android的業余賽車運動關鍵參數檢測系統設計

孫超

(西安航空職業技術學院 招生就業處， 西安 710089)

0 引言

當前，市場上有很多用于重要參數監測的系統，從昂貴而精確的設備到功能有限、性能一般的入門級設備。這些設備在人類生活的不同領域得到了廣泛的應用，顯然，在醫療領域該應用較為廣泛，但在體育運動中，根據不同學科運動員的需求，采用不同的傳感設備實現身體狀況的監測，從而提升在訓練過程中的關鍵參數的采集精度，進一步制定合理的訓練計劃。駕駛運動作為一種精神高度集中的體育活動，它會受到特定生理條件的深刻影響，事實上，精神壓力和工作負荷會改變駕駛員心率[1]，從而導致準備和注意力的變化。這些情況在日常道路駕駛體驗中對駕駛員的安全構成風險，但它們也與賽車手的表現有關。為了監測用戶在駕駛時的物理狀態，傳統的解決方案是通過昂貴而笨重的傳感器系統實現高速解算(例如車載高速攝像機)，然而在業余賽車運動中由于傳感設備的昂貴以及經費預算較低，傳統的解決方案無法適應業余運動。

該系統旨在提供各種監測功能，并保持較低的整體成本和系統復雜性。這是通過利用優秀的計算資源和Android智能手機的嵌入式通信接口，輔以專用設計的可穿戴系統托管傳感器和電子前端來實現的。該系統能夠獲得單導聯心電圖(ElectroCardioGraphic，ECG)軌跡、體溫以及駕駛員胸部區域的加速度(心跳速度)。為了驗證所提出的方法，并評估業余賽車手的關鍵參數如何變化，實驗測試是通過SAE racecar公式進行的，實驗結果證明了所提系統在這種情況下的有效性。

1 采集系統設計

關鍵參數采集系統采用文獻[2]中所提出的系統進行改進，Android智能手機是監控裝置的核心，系統結構圖，如圖1所示。

圖1 系統結構圖

如前所述，監測參數為單導聯心電圖、駕駛員胸部區域體溫及駕駛員軀干加速度。通過開發了一種可穿戴系統，用于承載心電采集所需的電極、溫度傳感器(電阻溫度探測器，RTD)以及與智能手機進行首次信號調理和數據通信的相關模擬前端。后一項任務是通過與智能手機音頻輸入(麥克風)的電纜連接完成；音頻輸出(耳機)與適當的電壓放大、整流和穩定化電路一起，為模擬前端提供電源(VCC=3 V)。該加速度是通過嵌入智能手機的三軸加速度計獲得的，該加速度計通過一個支撐袋牢固地固定在駕駛員的胸前，駕駛員佩戴可穿戴設備后的效果圖，如圖2所示。

圖2 采集系統實例圖

該可穿戴系統是用兩條商用彈性心臟帶制造的，用于體育活動中的心跳率估算。每個帶嵌入兩個電極，因此共有四電極可用，但在這個應用程序中只有其中三個使用(如圖2中的RA、RL和LA)，通過皮帶的長度調節機制與額外的彈性肩帶，保證系統的穩定和正確定位電極運動，在智能手機的主機上又增加了一條帶，也用一條松緊帶固定，還增加了一個可選的補充電力庫，提供較長時間的電量支持[3-6]。

心電圖軌跡的獲取是由一個特意設計的低功耗電子接口電路完成的。簡單地說，采用三電極方案，其中電極對(圖2中的RA和LA)用于檢測心電圖信號，第三電極(RL)用于向機體提供電壓VRL反饋用于共模補償。來自RA和LA的電壓信號VRA和VRL通過低噪聲儀表放大器獲得并放大，然后適當過濾以去除低頻(< 0.5 Hz)和高頻(> 150 Hz)分量。所獲取的信號(如圖1中的VECG)不適合通過音頻通道傳輸到智能手機。因此，需要一個調制階段來在適當的帶寬內移動心電圖的頻帶。采用的調制方案是振幅和頻率調制的混合，可以將來自兩個獨立源的單一模擬信號信息與VECG和溫度測量結合起來。該方法的優點是，無論是在模擬前端還是在智能手機端實現的解調程序，都能保持較低的系統復雜度。

調制階段的工作原理如圖3所示。

圖3 調制階段原理圖

采用合適的方波載流子VC驅動的n通道MOS晶體管Q實現的斬波器解決了調幅的調節。VC的頻率不是恒定的，但它取決于溫度的值，在圖2中“模擬前端”的背后，在接口電路和驅動外殼之間放置一個鉑RTD (Pt10k)來測量溫度。采用施密特觸發振蕩器產生溫度相關頻率的載流子VC。在這種情況下，得到的信號VQ的振幅包含了與信號VECG相關的信息，而VQ的頻率包含了與測量溫度相關的信息。調制階段的最后一個模塊是低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)，它需要對調制信號VQ的邊緣進行平滑，從而使它更適合被智能手機的模擬音頻信道傳輸及獲取。

VC、VQ、VOUT、VECG和溫度的波形示例，如圖4所示。

圖4 采樣溫度和心電圖信號調制階段產生的波形示例

調制階段被設計來提供一個載波頻率在400赫茲發現溫度約為37°C

如前所述，該系統的核心是智能手機。在這個應用中，我們使用了一個HUAWEI P9智能手機，并安裝了Android 8.0.0操作系統，通過應用程序實現所有任務的處理，智能手機利用16位音頻硬件編解碼器獲取模擬前端的輸出信號，采樣頻率為8 khz。同樣的編碼通過智能手機的輸出音頻通道，為前端電源的產生提供一個20 khz頻率的正弦電壓V(原理見圖1)。

頻率解調，通過對確定的觀測窗口內的V零交叉數進行計數，從而得到對體溫的估計，實現的分辨率為0.1℃，設置觀察窗為5 s。采用峰值檢測算法，對兩個連續V零交叉數范圍內獲得的所有樣本(約20個)進行峰值檢測，得到每個V零交叉數周期的心電圖軌跡。這樣，解調心電圖信號的采樣頻率約為400 Hz，在解調步驟完成后，對心電圖信號進行預處理以降低噪聲。

智能手機內置的三軸加速度計用于獲取驅動加速度剖面，加速度計的采樣頻率被設置為20 Hz。加速度計數據是時間戳，以提供一個同步機制與獲得的心電圖和溫度信號。

然后，所有獲得的數據都被本地存儲，并通過4G連接到云服務每10分鐘發送一次，為了保證檢測實時性，系統采用關鍵計算本地化、復雜計算云端化的方式，確保用戶在服務過程中能夠體會到感知的實時性(如壓力評估過程就采用本地計算化的方式實現，確保壓力評估的實時性)，從而實現數據共享和準實時遠程可視化/處理。同時由于該應用不涉及個人隱私信息，在信息安全方面遵循基本的信息安全規范即可。

2 實驗測試

如前所述，該系統已應用于一個真實的場景，以評估業余賽車車手的重要參數。實驗測試是使用SAE racecar公式進行的[7]，測試車輛為Aprilia摩托車，其動力學由完全可調雙橫臂懸掛系統精確控制。該試驗車最重要的參數及其性能，如表1所示。

表1 測試車輛的參數和性能

這款車被設計成參加一系列的動態比賽，包括：直線加速，8字形的skidpad賽道，0.8公里的自動交叉賽道和22公里的耐力賽。每一種動力測試都需要駕駛員的努力和專注，在短時間和長時間內都要受到相關的縱向和橫向加速度的影響。此外，在不撞到球桿和出錯的情況下尊重賽道界限也會增加心理壓力。

測試跑道的結構圖，如圖5所示。

圖5 賽道結構圖

測試跑道長約360米，包括兩個u形轉彎，一個180米長的直道和兩個彎道，寬且窄，每個彎道長60米。

采集的數據顯示了駕駛活動對身體狀況的影響結果，一個25分鐘的驅動器會話期間的完整采集，如圖6所示。

(a)

(b)

特別地，熱身階段和實際駕駛階段在測試軌道突出。在熱身階段，加速度信號表明駕駛員承受了非常大的壓力，這可能是由于振動和靜止汽車的模擬轉彎(y軸和z軸顯示平均加速度為零)。由于同樣的原因，這個階段的心電圖信號看起來也很嘈雜，關于溫度采集，值得注意的是，由于天氣晴朗，司機在靜止時體溫會升高；相反，在實際驅動階段，溫度會下降，這可能是由于風的影響。如圖6(a)為整體的數據采集結果，圖6(b)測試過程中駕駛員的溫度變化情況。

從加速度的輪廓，它是有可能檢測的努力時，司機執行轉彎(圖7a中箭頭表示)。圖7b顯示了心跳周期(心跳速率)。可以注意到，當駕駛員接近并處理賽道的轉彎部分時，心跳周期減小(心跳率增加)，可看出駕駛員心態緊張的變化。

(a)

(b)

3 總結

本文介紹了一種基于智能手機的可穿戴汽車駕駛員關鍵參數監測系統。通過心電圖描記圖、體溫和軀干加速度對駕駛員的壓力程度進行評估(采用本地化的計算方式)。在試驗場中使用SAE racecar公式進行的實驗測試證明了該方法對此類場景的有效性。該系統的主要優勢在于成本低廉，既適用于業余賽車比賽，也適用于日常駕駛中監控用戶。