疲勞駕駛識別及干預實車實驗平臺的研制

姜欣悅，陳靖芯，張遠東，姜 銘，邊義祥

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

交通事故是重要的公共安全與社會問題[1]，疲勞駕駛已成為交通事故主要原因之一，全球每年因疲勞駕駛引發的交通事故約占交通事故總數的 20%[2]。因此，疲勞駕駛干預成為道路交通安全重要的研究方向。近年來，國內外在疲勞駕駛干預方面的研究取得較大進展。例如，王磊等[3]指出適當的音樂刺激可使駕駛人警覺性保持在較為穩定的水平，并緩解疲勞感受，語音刺激有助于駕駛人在特定時段提高警覺性并覺察風險；喬現玲等[4]探索了音樂節奏、時長對疲勞駕駛的緩解效果；Schneider等[5]研究了釋放氣味對駕駛員提高警覺性的影響。

因為實車上路實驗的經濟性和安全性低，所以運用模擬駕駛平臺進行相關研究成為主流[6]。德國大眾[7]、日本豐田[8]均研發了汽車駕駛模擬器；中國同濟大學開發出了8自由度電動高級駕駛模擬器[9]。高自由度駕駛模擬器的車輛運動還原真實度、可開發性高，但占地大、價格高昂，因此研究人員通常根據實驗需求和效費比，選擇固定底座的駕駛模擬器或搭建簡易模擬駕駛裝置。

綜上所述，目前國內外尚未建立模擬駕駛和疲勞駕駛識別、干預的實車綜合實驗平臺，該平臺的研制具有重要的研究意義。

1 實驗平臺總體設計

1.1 設計目標

疲勞駕駛識別及干預實車實驗平臺的設計目標是：①研制基于實車的模擬駕駛系統，為開展駕駛員行為模式及車輛主動安全等方面的教學與研究提供經濟、安全的平臺；②搭建疲勞駕駛識別系統，具有識別駕駛員疲勞駕駛狀態的功能；③搭建疲勞駕駛干預系統，通過氣味、聲音、振動、冷風、靠背角度調節等多種干預手段，實現對駕駛員疲勞駕駛干預效果的測試與評估，開展疲勞駕駛干預效果研究。

1.2 設計內容

疲勞駕駛識別及干預實車實驗平臺分為模擬駕駛平臺系統、疲勞駕駛識別系統和疲勞駕駛干預系統 3個子系統。

1）模擬駕駛平臺系統。

模擬駕駛平臺系統結構如圖1所示，駕駛員根據虛擬交通環境對實車進行操縱駕駛，對原易駕星模擬駕駛儀進行改進，采集操縱信息并反饋給虛擬交通環境模塊。

圖1 模擬駕駛平臺系統框圖

2）疲勞駕駛識別系統。

疲勞駕駛識別系統如圖2所示，提供行車疲勞識別和疲勞駕駛干預效果研究功能。

通過圖像識別進行眼部特征采集以實時識別駕駛員行車疲勞狀況，并研制通過加速度計采集車輛行駛特征的測控系統，以提高疲勞識別的準確性。同時可通過心電儀、腦電儀分別采集心電、腦電生理指標進行疲勞駕駛干預研究。

圖2 疲勞駕駛識別系統框圖

3）疲勞駕駛干預系統[10]。

疲勞駕駛干預系統如圖3所示，在研究國內外科研成果的基礎上，本文決定在具備語音提醒、駕駛座椅靠背振動、冷風刺激以及靠背角度調節等干預手段的基礎上，著重研究并設計噴霧裝置，以噴出具有醒腦氣味的霧氣實現對疲勞駕駛的干預，并對所研究的干預方法進行效果分析和比較。

圖3 疲勞駕駛干預系統框圖

2 子系統設計

2.1 模擬駕駛平臺系統

模擬駕駛平臺系統主要包括虛擬交通環境、操縱機構、操縱信息采集等模塊。

虛擬交通環境模塊模擬駕駛的交通情景和路況信息。選用報廢的別克商務車作為模擬駕駛載體，計算機運行易駕星模擬駕駛軟件，并通過投影儀、音響模擬高速道路、城市道路等多種交通環境。采用4個藤原DSJO370電動千斤頂支撐汽車的底盤模擬2～10 Hz的道路顛簸和振動，如圖4所示。

圖4 模擬駕駛平臺系統的布置

操縱機構完全保留了別克商務車的操縱系統，方向盤、油門、剎車等機構均未做結構性改動；為使方向盤操作手感更真實，電動千斤頂支撐汽車的底盤并使汽車的前輪懸空，如圖5所示。

圖5 模擬駕駛平臺系統

操縱信息采集模塊保留易駕星模擬駕駛器測控主板；將易駕星中油門和剎車踏板的測量方法移植到別克商務車上，即將 OH49E小型多功能線性霍爾傳感器放置在油門和剎車踏板下對應的車內地板上，通過模擬信號采集油門和剎車踏板操縱數據，易駕星測控主板將其轉成數字信號指令發送給計算機，實現模擬車速0～180 km/h；將原方向盤的信號采集器件由編碼器改為陀螺加速度計MPU6050，采集駕駛員方向盤操縱特征，并將此數字信號傳遞至所設計的嵌入式系統中，通過積分算法求得方向盤的轉角變化，結合對原模擬駕駛器方向盤轉角變化與輸出信號之間的標定，嵌入式系統進行信號轉換，保證輸入到原控制主板的方向盤信號與原模擬系統匹配，最終易駕星測控主板將信號傳遞至計算機，實現同步±180°范圍內方向盤轉動。

2.2 疲勞駕駛識別系統

目前，常見的疲勞駕駛識別方法有基于駕駛員生理指標、基于車輛運行狀態、基于駕駛員面部特征等方法。基于駕駛員生理指標[11-12]的疲勞駕駛識別方法準確性高，但需要駕駛員佩戴相關信號采集設備，設備成本高，駕駛員接受度低，同時影響駕駛員的正常駕駛，不利于駕車安全，因此不適合實際應用，只適合實驗場景。基于車輛運行狀態的疲勞駕駛識別方法[13]獨立性和接受度高，但與駕駛習慣、車輛特性、道路環境等因素關聯度較大，準確性不高，需同時配合其他疲勞檢測方法應用；而且方向盤轉角信號采集需改動駕駛安全的核心部件方向盤，車體改動難度大，成本高[14]。基于駕駛員面部特征的疲勞駕駛識別方法中，面部特征中眼部特征是反應疲勞狀態的重要特征[15]，圖像識別接受度高、實時性較高，然而算法較復雜，與光照條件和駕駛員生理狀況的關聯度較大。

綜合考慮信號采集對人的依賴度、對車體改動難度系數、成本、準確性、研究場景等因素，設計如圖 6所示的疲勞駕駛識別系統。行車疲勞識別中，結合駕駛員面部特征和車輛行駛特征識別駕駛員精神狀態；疲勞駕駛干預中，采用心電儀、腦電儀等采集駕駛員生理信號，開展疲勞駕駛干預效果方面的研究，同時輔助驗證疲勞駕駛識別方法的準確性。

圖6 疲勞駕駛識別系統的布置

六軸加速度計采用陀螺加速度計MPU6050，可實現加速度±16g、角速度±2 000°/s范圍內測量，通過卡殼粘貼在儀表盤上，芯片和車底盤大體平行，且芯片Y軸與車的行駛方向一致，采集車輛行駛縱特征信息。如圖7所示，攝像頭采用Caturda Raspberry pi 500萬像素紅外感光夜視攝像頭，通過底座安裝在駕駛員右前方儀表板上，實現白天和夜晚對駕駛員眼部特征的采集。采用EMOTIV Epoc+14路通道無線便攜式腦電儀，采集駕駛員腦電信號。心電傳感器采用 AD8232單導心電，成本低廉，測量心臟的電活動心率。心電傳感器連接至駕駛員左右手臂，基礎電極連接至駕駛員右大腿處，如圖8所示。

圖7 疲勞駕駛識別系統

圖8 心電電極位置示意圖

2.3 疲勞駕駛干預系統

對于疲勞駕駛干預方法，一方面需要通過干預手段有效緩解疲勞，另一方面要防止不合理的干預方法導致駕駛員精神煩擾或影響駕駛安全性，因此采用氣味噴霧、聲音、振動、冷風和靠背角度調節等干預方法。本文疲勞干預平臺包括集成冷風、振動、靠背角度調節模塊的改裝座椅[16]、聲音模塊和噴霧儀，布置方式如圖9所示。

圖9 疲勞駕駛干預系統的布置

在 CATIA中根據 95%人體模型進行人機工程分析，確定振動模塊、冷風模塊布置方案，原車駕駛座椅靠背內增加振動按摩球和風扇，同時底部更換電動滑軌，靠背轉動處更換為電動調節系統，如圖10所示。根據疲勞駕駛識別系統參數設定，當判定駕駛員處于疲勞狀態時，實現20～100 Hz振動、靠背角度 100°～110°范圍內調節以及冷風干預。

圖10 改裝座椅

聲音模塊集成于噴霧儀電路板中，系統控制模塊播放語音、音樂等聲音刺激。氣味干預疲勞駕駛可選用氣壓、液壓、電磁鐵驅動等方案。從結構簡單、便于更換噴霧液體出發，實驗平臺選用電磁鐵驅動方案[10]，如圖11所示。噴霧儀放置于駕駛員右前方儀表板上，近空調通風口處，系統控制噴霧儀自動噴出氣味噴霧緩解駕駛疲勞。

圖11 噴霧儀

疲勞駕駛干預系統電路設計如圖12所示。嵌入式系統的疲勞駕駛干預信號線與信號電阻相連，信號電阻的另一端與NPN小功率三極管的基極相連；電池正極連接保險絲，保險絲另一端連接二極管負極、接電磁鐵正極；二極管正極、電磁鐵負極連接在NPN大功率三極管的集電極；NPN小功率三極管的發射極、NPN大功率三極管的發射極、電池的負極、地線連接在一起；來自點煙器插孔的 12 V電源連接右分壓電阻，右分壓電阻另外一端連接左分壓電阻，左分壓電阻另外一端連接地線，兩個電阻之間引出的5 V電源接入到嵌入式系統和電源電阻，電源電阻的另一端連接NPN小功率三極管的集電極、NPN大功率三極管的基極。嵌入式系統如圖 13所示，CPU采用STM362F103R8T6芯片，各功能的實現均在嵌入式系統的協調下完成。

圖12 疲勞駕駛干預系統電路設計圖

圖13 嵌入式系統

3 平臺驗證

1）模擬駕駛平臺系統。

駕駛員可選擇高速道路、城市道路等多種交通環境進行模擬駕駛，油門、剎車以及方向盤操縱信號能成功與原駕駛模擬器軟件同步，如圖14所示。

圖14 模擬駕駛平臺系統驗證

2）疲勞駕駛識別系統。

白天和夜晚圖像識別均可成功進行眼部定位，并識別眼瞼高寬比，如圖15所示。

圖15 圖像識別結果

系統可成功采集疲勞駕駛干預前后駕駛員的心電信號，如圖16所示。

3）氣味噴霧干預疲勞駕駛。

被試對象為嗅覺正常、身體健康、精神情緒穩定的揚州大學 25歲男性學生。配置含有 10%薄荷精油的氣味噴霧干預疲勞駕駛。選取被試者顳葉區域T7、T8電極的腦電信號，采樣頻率128 Hz。θ波可反映出疲勞狀態，θ波提高表明疲勞程度增加。被試者θ波功率譜密度變化如圖17所示，氣味噴霧干預后，θ波呈現下降趨勢。

圖16 駕駛員心電圖

圖17 θ波功率譜密度變化

4 結語

本文提出了疲勞駕駛識別及干預實車實驗平臺的總體結構和各子系統結構，并在對各個子系統方案進行分析研究的基礎上進行了功能設計和部件的選型設計，搭建了實驗平臺。通過驗證實驗可知，該平臺可以進行實車環境的模擬駕駛、駕駛員疲勞狀態的多源信息識別以及疲勞駕駛的多種干預，實現駕駛員行為模式、車輛主動安全及人類工效學等方面的實驗研究。