當(dāng)代智能汽車(chē)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓嵩

當(dāng)代智能汽車(chē)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓嵩

（吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域的逐步滲透，其安全性仍然是現(xiàn)代汽車(chē)最重要的特征之一，因此，安全性也引起了汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域眾多研究者和開(kāi)發(fā)者的關(guān)注。近年來(lái)，由于駕駛時(shí)打瞌睡和不系安全帶而導(dǎo)致的車(chē)禍死亡人數(shù)顯著增加。在這種情況下，人們?cè)噲D設(shè)計(jì)一種汽車(chē)安全系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，除非司機(jī)系好安全帶，否則汽車(chē)不會(huì)行駛，如果發(fā)現(xiàn)瞌睡，司機(jī)將保持警惕。在該系統(tǒng)中，利用NeuroSky腦電波耳機(jī)采集不同的腦電圖（EEG）。此外，在安全帶和點(diǎn)火系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)了一個(gè)限位開(kāi)關(guān)電路，用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。最后，利用Arduino單片機(jī)及其軟件作為信號(hào)處理單元，對(duì)車(chē)內(nèi)的安全系統(tǒng)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地提高駕駛員的安全性能。

智能汽車(chē)；安全功能；腦電圖；安全帶；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引言

現(xiàn)代汽車(chē)具有許多安全特性，在減少交通傷害和死亡方面發(fā)揮著重要作用。造成車(chē)禍死亡的兩個(gè)原因是不系安全帶和駕駛時(shí)昏昏欲睡。安全帶是現(xiàn)代汽車(chē)中最安全的部件之一，它可以在汽車(chē)碰撞和其他事故中保護(hù)乘客。現(xiàn)在，許多國(guó)家要求乘客在駕駛時(shí)使用安全帶；有些國(guó)家對(duì)不系安全帶的乘客處以罰款，但許多人在旅行時(shí)仍然不系安全帶。昏睡駕駛已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題，也是世界范圍內(nèi)造成交通事故死亡的主要原因之一。據(jù)報(bào)道，30%的交通事故是由司機(jī)瞌睡引起的。已經(jīng)有幾種方法被用來(lái)開(kāi)發(fā)睡意檢測(cè)系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的一些方法是利用驅(qū)動(dòng)程序測(cè)量生理的變化，如心率變異性（HRV）和腦電圖（EEG）。與其他方法相比，腦電圖方法具有更大的優(yōu)越性，因?yàn)樗苤苯臃从吵龃竽X的活動(dòng)狀態(tài)以及當(dāng)前正確的狀態(tài)決策。因此，本研究的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)增強(qiáng)的汽車(chē)安全系統(tǒng)，以減少車(chē)禍的死亡人數(shù)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)由兩部分組成：連接安全帶與點(diǎn)火系統(tǒng)和睡意駕駛檢測(cè)系統(tǒng)。

2 腦機(jī)接口（BCI）的理論基礎(chǔ)

腦與計(jì)算機(jī)或任何其他設(shè)備之間的通信可以通過(guò)腦機(jī)接口（BCI）來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，BCI允許人類(lèi)通過(guò)大腦活動(dòng)與環(huán)境和外部設(shè)備進(jìn)行交流。這種技術(shù)幫助了許多殘疾人，如患有閉鎖綜合癥、癱瘓、脊髓疾病的人，以滿足他們的需要。一般來(lái)說(shuō)，BCI通信可以通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)：侵入性、部分侵入性和非侵入性技術(shù)。侵入性腦梗死和部分侵入性腦梗死使用的電極要么直接植入大腦，要么植入顱骨內(nèi)，但分別位于腦外。該方法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度較非侵入性強(qiáng)。另一方面，當(dāng)外科手術(shù)將金屬絲和金屬針植入腦時(shí)，侵入性系統(tǒng)可能并不完全可靠。此外，該技術(shù)可能會(huì)被證明為倫理爭(zhēng)議。另一方面，無(wú)創(chuàng)BCI被認(rèn)為是非常安全的，盡管它有較低的信號(hào)清晰度。為人機(jī)交互開(kāi)發(fā)了許多個(gè)人界面，如EPOC、mindball、神經(jīng)沖動(dòng)執(zhí)行器和mindset[11]。在我們的學(xué)習(xí)心態(tài)系統(tǒng)中使用。

3 系統(tǒng)描述

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)構(gòu)建如圖所示1。

圖1 安全系統(tǒng)構(gòu)建示意圖

系統(tǒng)有兩個(gè)輸入（安全帶限位開(kāi)關(guān)，NeuroSky耳機(jī)），三個(gè)輸出（汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)，報(bào)警和照明設(shè)備），數(shù)據(jù)處理單元（Arduino）。首先，汽車(chē)的引擎不會(huì)打開(kāi)，除非司機(jī)系好安全帶，這可以通過(guò)限位開(kāi)關(guān)檢測(cè)到。其次，使用NeuroSky耳機(jī)檢測(cè)駕駛員的困倦駕駛狀態(tài)，激活報(bào)警和汽車(chē)燈光，提醒駕駛員和其他車(chē)輛駕駛員避免事故。Arduino單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，處理來(lái)自安全帶限位開(kāi)關(guān)和NeuroSky耳機(jī)的輸入，激活汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。最后，BlueSMiRF是單片機(jī)的一個(gè)附加外設(shè)，支持與NeuroSky耳機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙通信。

3.1 安全帶限位開(kāi)關(guān)

本工程中使用的常開(kāi)（NO）限位開(kāi)關(guān)嵌入安全帶中。在電池和點(diǎn)火系統(tǒng)之間串聯(lián)的限位開(kāi)關(guān)。無(wú)限位開(kāi)關(guān)的工作原理如下：當(dāng)安全帶系緊時(shí)，按下活塞，導(dǎo)致電路關(guān)閉，電池連接到汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)。另一方面，如果沒(méi)有壓住柱塞，電路就會(huì)打開(kāi)，也不會(huì)有電流將汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)與電池隔離開(kāi)來(lái)。在這種情況下，司機(jī)將無(wú)法駕駛汽車(chē)。

3.2 Arduino UNO

Arduino Uno是一個(gè)開(kāi)源軟件。是一款非常適合單片機(jī)入門(mén)的開(kāi)發(fā)板，采用AVR單片機(jī)ATmega328P作為主控制器，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，可以幫助初學(xué)者快速掌握單片機(jī)技術(shù)。基于ATmega328的單片機(jī)板。它通過(guò)從不同的開(kāi)關(guān)和傳感器獲取輸入，控制不同的設(shè)備，如光、電機(jī)和其他輸出設(shè)備，與周?chē)h(huán)境進(jìn)行交互。它有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，16mhz陶瓷諧振器，一個(gè)USB連接，一個(gè)電源插口，一個(gè)ICSP頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。在本項(xiàng)目中使用它，是因?yàn)樗€提供了UART TTL（5V）串行通信，可以在數(shù)字引腳0（RX）和1（TX）以及藍(lán)牙通信上使用。Arduino IDE軟件用于編寫(xiě)單片機(jī)語(yǔ)言程序。Arduino IDE是一個(gè)運(yùn)行在Windows、Mac OS X和Linux上的開(kāi)源軟件。Arduino語(yǔ)言只是一組C/ c++函數(shù)。

3.3 BlueSMiRF

BlueSMiRF是由SparkFun Electronics替換的藍(lán)牙無(wú)線串行電纜，它作為串行（RX/TX）管道工作。從9600到115200bps的任何串行流都可以從您的計(jì)算機(jī)/微型計(jì)算機(jī)無(wú)縫地傳遞到您的目標(biāo)。它是單片機(jī)的一個(gè)附加外設(shè)，用于支持藍(lán)牙通信。藍(lán)牙調(diào)制解調(diào)器（BlueSMiRF）的波特率與單片機(jī)不同。BlueSMiRF的默認(rèn)波特率是115200，而Arduino板的波特率是57600。因此，在我們的項(xiàng)目中，將BlueSMiRF配置為與Arduino板具有相同的波特率。

3.4 腦波技術(shù)和NeuroSky腦波耳機(jī)

大腦由數(shù)十億相互連接的神經(jīng)元組成，它們之間的交流語(yǔ)言是電的形式。每一種大腦狀態(tài)都有一種獨(dú)特的相互作用模式，這種模式會(huì)產(chǎn)生一種獨(dú)特的放電，在正常的成年人腦內(nèi)，這種放電的范圍通常在1到100紫外線之間。腦電圖（EEG）是一種記錄神經(jīng)細(xì)胞協(xié)同作用產(chǎn)生的電信號(hào)的技術(shù)。NeuroSky耳機(jī)是一種工具，用來(lái)接收大腦的電子活動(dòng)，然后根據(jù)頻率分成不同類(lèi)型的l波，從而推斷出大腦的狀態(tài)。該設(shè)備的功能包括腦電圖腦監(jiān)測(cè)技術(shù)和無(wú)線藍(lán)牙連接。該裝置由耳機(jī)、耳夾和干式傳感器（單電極）組成。傳感器放置在前額區(qū)域。利用耳夾電極，從FPI中提取腦電圖數(shù)據(jù)利用ThinkGear ASIC芯片對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大和濾波。該芯片是由NeuroSky公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。

3.5 報(bào)警裝置

本項(xiàng)目使用的蜂鳴器作為機(jī)電音頻信號(hào)裝置，產(chǎn)生響亮的聲音來(lái)提醒駕駛員。它的運(yùn)行在3-24V之間，最小聲音輸出在95分貝。

4 系統(tǒng)效果與優(yōu)勢(shì)

除非司機(jī)系好安全帶，否則汽車(chē)不會(huì)發(fā)動(dòng)。扣緊安全帶連接限位開(kāi)關(guān)，使駕駛員能夠點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。然后啟動(dòng)安全駕駛檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Mind wave耳機(jī)、BlueSMiRF和單片機(jī)組成。它檢測(cè)司機(jī)的狀態(tài)是否清醒。耳機(jī)感知到信號(hào)，并通過(guò)BlueSMiRF將其發(fā)送到單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)編寫(xiě)的程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，如果司機(jī)沒(méi)有醒著，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警和燈光。

項(xiàng)目實(shí)施在構(gòu)建系統(tǒng)之前，對(duì)每個(gè)設(shè)備的功能分別進(jìn)行了測(cè)試。該程序是由Arduino IDE軟件使用Windows 8編寫(xiě)的，代碼在安裝到汽車(chē)之前在白板上進(jìn)行了測(cè)試。首先，該系統(tǒng)在原型車(chē)上進(jìn)行了測(cè)試，在電池和電機(jī)之間串聯(lián)了帶限位開(kāi)關(guān)的安全帶。當(dāng)安全帶系緊時(shí)，限位開(kāi)關(guān)關(guān)閉電路，讓電流從電池流向點(diǎn)火系統(tǒng)，使汽車(chē)準(zhǔn)備好運(yùn)行。其次，駕駛員佩戴NeuroSky耳機(jī)，模擬睡眠和清醒狀態(tài)。NeuroSky耳機(jī)用于檢測(cè)腦電波信號(hào)的變化，并在此基礎(chǔ)上立即激活報(bào)警系統(tǒng)（報(bào)警和信號(hào)照明系統(tǒng)）。

該系統(tǒng)在2名年齡在22歲至25歲之間的男性受試者中進(jìn)行了測(cè)試。在安全帶安全系統(tǒng)測(cè)試中，兩名司機(jī)都被迫系好安全帶才能啟動(dòng)引擎。司機(jī)沒(méi)系好安全帶，引擎就發(fā)動(dòng)不起來(lái)了。為驗(yàn)證安全駕駛檢測(cè)系統(tǒng)的功能，進(jìn)行了初步測(cè)試。每個(gè)受試者表演5個(gè)預(yù)告片。如果系統(tǒng)檢測(cè)到瞌睡駕駛并激活汽車(chē)報(bào)警/照明系統(tǒng)，則每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確率為100%。每個(gè)受試者的5個(gè)測(cè)試的平均準(zhǔn)確度為90%。

汽車(chē)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功，精度達(dá)到90%。預(yù)計(jì)這一系統(tǒng)將大大減少交通傷害和死亡。該系統(tǒng)還確保司機(jī)遵守安全規(guī)則，如系好安全帶，以及在駕駛時(shí)保持清醒。雖然許多系統(tǒng)都是為了檢測(cè)困倦駕駛而設(shè)計(jì)的，但該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以安裝在任何車(chē)輛上。價(jià)格便宜，整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)超過(guò)1000元。精度更高，因?yàn)樵撓到y(tǒng)依賴(lài)于腦電波信號(hào)，而不是頭部或眼睛的運(yùn)動(dòng)。更安全，系統(tǒng)將提醒困倦的司機(jī)和周?chē)乃緳C(jī)。該系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的，只由幾個(gè)組件組成，易于故障排除。

5 結(jié)論

綜上，本文提出的智能汽車(chē)安全系統(tǒng)可以有效的保證準(zhǔn)確率，在未來(lái)，計(jì)劃是設(shè)計(jì)一款更小尺寸的耳機(jī)，讓駕駛者感覺(jué)更舒適穿的。預(yù)計(jì)不戴耳機(jī)汽車(chē)將無(wú)法啟動(dòng)。另一個(gè)功能可以包括連接安全帶系統(tǒng)到齒輪箱，如果司機(jī)不扣上安全帶，將限制車(chē)速。

[1] 呂穎.智能駕駛汽車(chē)的預(yù)期功能安全[J].汽車(chē)文摘,2019(09):1-7.

[2] 李國(guó)軍.汽車(chē)安全駕駛及應(yīng)急處置技術(shù)分析[J].時(shí)代汽車(chē),2019(12): 32-33.

[3] 周德明.汽車(chē)駕駛中存在的安全隱患及其防范對(duì)策分析[J].科技風(fēng),2019(24):207.

The Design and Implementation of the Modern Intelligent Vehicle Safety System

Han Song

（Jilin Communications Vocational and Technical College, Jilin Changchun 130012）

With the gradual penetration of artificial intelligence and Internet technology in the field of automobile, its safety is still one of the most important characteristics of modern automobile, so safety has also attracted the attention of many researchers and developers in the field of automobile design. In recent years, there has been a significant increase in the number of car accident deaths due to sleeping while driving and not wearing seat belts. In this case, people try to design a car safety system, in which the car will not drive unless the driver fastens his seat belt, and the driver will be vigilant if he finds a doze. In this system, different EEGs are collected by using NeuroSky EEG headset. Figure (EEG). In addition, a limit switch circuit is designed between the seat belt and the ignition system for controlling the starting of the engine. Finally, using the Arduino single chip and its software as the signal processing unit, the safety system in the vehicle is controlled. The experimental results show that the system can improve the safety performance of the driver.

Intelligent vehicle; Safety function; Electroencephalogram; Seat belt; System design

V323

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1671-7988(2019)24-41-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.013

韓嵩（1987.07-）吉林長(zhǎng)春人，男，初級(jí)，碩士，就職于吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院。