貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)設計

龐小蘭，潘淑佩，童云濤，林捍武

貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)設計

龐小蘭，潘淑佩，童云濤，林捍武

（廣東理工學院 智能制造學院，廣東 肇慶 526100）

文章從貨車駕駛員在行車過程中駕駛狀態(tài)的檢測、疲勞的判斷和防疲勞裝置的設計三個方面進行闡述。首先通過對貨車駕駛員的狀態(tài)信息進行收集，而后傳送到系統(tǒng)主機判斷駕駛員是否疲勞，當判斷超過閾值就可以把信號傳遞給執(zhí)行機構，發(fā)光二極管（LED）燈閃爍，蜂鳴器、座椅振動等執(zhí)行裝置同時給予駕駛員疲勞駕駛提示，從而將駕駛員喚醒。為某貨車防疲勞駕駛提供一種切實可行的方案，減少疲勞駕駛的現(xiàn)象，降低交通事故率，保障交通出行的安全。

駕駛員狀態(tài)；疲勞判斷；執(zhí)行機構設計

據(jù)交通運輸部統(tǒng)計，截至2021年我國擁有載貨汽車1 173.26萬輛，這一年內我國公路交通事故62.8萬宗，重傷人數(shù)達到13.1萬人，輕傷153萬人。美國卡內基梅隆研究表明，汽車重大事故率9.1%歸因于駕駛員疲勞，夜晚疲勞駕駛重大事故率約達19.9%。因此，對防疲勞駕駛這項功能的研究刻不容緩。另一方面，由調查數(shù)據(jù)顯示，我國貨車駕駛員普遍工作時間較長、勞動強度大，有約37.3%的貨車駕駛員日均工作時長在12 h及以上，超過82.4%的貨車駕駛員日均工作時長在8 h及以上，存在極大的疲勞駕駛風險[1]。本文以某貨車為研究對象，提出一種防疲勞駕駛的設計方案，提高了貨車的行車安全性。

1 總體設計方案

貨車防疲勞操作系統(tǒng)的設計由兩部分組成，分別是疲勞狀態(tài)檢測系統(tǒng)和執(zhí)行裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)所選用的車型的整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值 整車尺寸：長/mm×寬/mm×高/mm4 890×1 610×1 960 軸距/mm3 200 前輪距/mm1 360 后輪距/mm1 360 整備質量/kg1 135 最大載重質量/kg1 100 貨箱尺寸：長/mm×寬/mm×高/mm3 060×1 515×370 最大功率/kW85 最大扭矩/(Nm)153 最高車速/(km/h)110

疲勞狀態(tài)檢測系統(tǒng)主要通過駕駛員疲勞信號的采集、疲勞信號的處理、疲勞信號的判斷來確認駕駛員的疲勞程度。目前疲勞駕駛檢測方法主要包括基于駕駛員生理特征的疲勞駕駛檢測、基于車輛數(shù)據(jù)的疲勞檢測和基于面部特征的疲勞檢測[2]。本文選擇基于駕駛員心率信號的變化進行疲勞判斷，當貨車達到一定車速時，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）通過計算分析駕駛員的心率信號值做出疲勞判斷。如果疲勞閾值超過系統(tǒng)設定值，執(zhí)行裝置開始工作。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）燈閃爍預警、駕駛員座椅振動預警、蜂鳴器報警聲預警三大執(zhí)行裝置共同提醒駕駛員存在疲勞駕駛的風險，提醒駕駛員應采取相應的措施來避免疲勞駕駛，其總體設計方案如圖1所示。

圖1 防疲勞駕駛系統(tǒng)設計總體方案

2 防疲勞駕駛系統(tǒng)信號的收集

2.1 駕駛員心率傳感器電路設計

由于采集的心率信號是微弱的，需要把一個心率次數(shù)轉變成一個電信號，并且經過放大才能得到一個成形電路所需要的電壓。但是，放大后的波形是不規(guī)則的，為了滿足計數(shù)的要求，必須對其進行放大、濾波、整形，放大整形電路框圖如圖2所示。

圖2 放大整形電路框圖

2.2 信號收集系統(tǒng)電路設計

在本系統(tǒng)中，利用紅外線光敏元件產生的脈沖，經放大、成形后，再由單片機輸出到相位控制系統(tǒng)。應控制每分鐘的脈搏跳動次數(shù)，以便可以快速輕松地測量[3]。在使用過程中，使用了NRF24L01無線模塊通信模塊，實現(xiàn)了兩個主從之間的通信。從機負責對心率進行檢測，并進行無線發(fā)送，如圖3所示。主機負責對當前所檢測到的心率進行顯示，并對設置的心率報警上下限范圍進行顯示，如圖4所示。

1）可通過按鈕設定，設定心率的上限，下限報警值，并可保留電量；

2）如果實際測量的心跳次數(shù)超出了上、下兩個界限，則會發(fā)出警告，表示心跳異常；

3）本次系統(tǒng)利用光電傳感器作為采集模塊；

4）LCD1602液晶的第1條線顯示以每分心跳表示的當前心跳，第2條線顯示設置的上限和下限報警值；

5）可以接收到無線模塊NRF2401模塊的數(shù)據(jù)；

6）利用電源電路可以供5 V電源。

圖3 檢測分部電路圖

圖4 接受主機電路圖

3 疲勞駕駛判斷和系統(tǒng)工作條件

3.1 防疲勞駕駛系統(tǒng)的啟動條件

根據(jù)國家相關規(guī)定，在疲勞駕駛情況下，車速不得超過60 km/h。當駕駛員連續(xù)行車超過4 h、車速超過80 km/h時，防疲勞系統(tǒng)自動啟動。

3.2 生理特征與疲勞駕駛的相關度

貨車在長期行駛過程中，隨著開車時間的增加，車內駕駛員也會慢慢的有疲倦感，駕駛員的生理特征參數(shù)脈搏、呼吸、心率也隨著駕駛時間增加而發(fā)生顯著的變化。本文采用在駕駛員手腕攜帶某智能手環(huán)采集脈搏和心率信號，利用壓電式呼吸傳感器收集呼吸信號。通過在表1車型上駕駛員從清醒到疲勞駕駛下的數(shù)據(jù)收集，利用式（1）對脈搏、呼吸、心率與腦電進行相關系數(shù)分析，得出與駕駛人身體狀況的關聯(lián)度。

式中，為相關系數(shù)；為心率或者脈搏信號；1為平均心率或者脈搏信號；1為平均腦電信號；為腦電信號。

駕駛員連續(xù)行車4 h內心率和腦電相關系數(shù)為0.162 4，連續(xù)行車超過10 h，其相關系數(shù)為0.828 7，生理信號間相關系數(shù)如表2所示。

表2 生理信號間相關系數(shù)

狀態(tài)相關量相關系數(shù)狀態(tài)相關量相關系數(shù) 連續(xù)行車4 h心率與腦電0.162 4連續(xù)行車8～10 h心率與腦電0.618 5 脈搏與腦電0.251 6脈搏與腦電0.788 3 呼吸與腦電0.198 8呼吸與腦電0.712 5 連續(xù)行車5～7 h心率與腦電0.384 5連續(xù)行車10 h以上心率與腦電0.828 7 脈搏與腦電0.497 5脈搏與腦電0.977 6 呼吸與腦電0.418 6呼吸與腦電0.914 5

綜上數(shù)據(jù)對比，相關系數(shù)等級如表3所示，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員生理特征判斷疲勞狀態(tài)。當相關系數(shù)小于0.3時，判定為清醒狀態(tài)；當相關系數(shù)在0.3到0.5之間時，判定為疲勞；當相關系數(shù)在0.5到0.8之間時，判定為中度疲勞；當相關系數(shù)在0.8到1之間時，判定為重度疲勞。

表3 相關系數(shù)等級表

范圍相關等級 r<0.3低度相關 0.3≤r<0.5中度相關 0.5≤r<0.8顯著相關 0.8≤r≤1高度相關

結合表1、表2分析，腦電信號是判定疲勞駕駛的金標準，則心率信號可作為判定貨車疲勞駕駛的疲勞程度信號[4]。

3.3 貨車疲勞駕駛的判定閾值

表征疲勞的心電信號時域指標主要有R-R間期，它是反映心臟每次搏動間期的一種重要指標，可以用來測量心臟在1 min內跳動的次數(shù)，即得到所需的心率。這種指標可以通過連續(xù)采集大量的心電波形，獲得精準的測量結果，而且操作簡單，不需要特別復雜的設備就可以實現(xiàn)。對于R-R間期，可以采取平均值的方法，將每個心動周期內所產生的心跳次數(shù)進行統(tǒng)計計算，以確定所需心率。對一段時間內的R-R間期取平均值，再除以相應的系數(shù)即可求得心臟在1 min內跳動的次數(shù)[5]。即為所得心率。

式中，為一段時間內的平均心跳時間間隔。

利用手環(huán)來獲取心率模組，電信號的采集是由XD-58C心率傳感器和STC89C52芯片兩大部分組成，可測量血液傳輸數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絊TC89C52芯片。STC89C52芯片進行光傳輸數(shù)據(jù)濾波、降噪、模數(shù)轉換等預處理，得到R-R區(qū)間的平均值后，通過式（2）計算被測物體的心率，并通過芯片的藍牙模塊傳輸?shù)娇刂铺幚砟K。同時，XD-58C心率該系統(tǒng)通過對腕部動作進行連續(xù)監(jiān)控，將測量到的心率信息傳送給STC89C52單片機，從而達到實時監(jiān)控人的身體狀況的目的。

4 防疲勞駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行裝置設計

4.1 聲光報警系統(tǒng)報警電路

執(zhí)行裝置的聲光報警部分電路是警示作用，主要是當傳感模塊檢測到駕駛員的心率信號時，當疲勞值超過設定值時控制中心會發(fā)送電信號給LED和蜂鳴器并且響應出相應的報警。從圖5中可以看出，相應的報警電信號在從單片機傳遞出來后，會通過一個放大電路對電信號放大后傳給蜂鳴器與LED，這樣就會發(fā)出非常顯眼的報警提示。

圖5 報警電路原理圖

在電子線路中，發(fā)光二極管起著最普通的指示作用，在發(fā)光二極管的兩端都存在一個電壓降，通常為1.3 V，二極管在電壓降超過這個值的時候會導通。為安全起見，可在輸入輸出端連接電流限制電阻器，使其在通電時不易燒毀。在檢測到P10處于低電平時，LED就會被點亮，而在P10處于高電平時，LED就會被熄滅，電路圖如圖6所示。

圖6 LED驅動電路

4.2 貨車座椅預警系統(tǒng)

1.座椅控制系統(tǒng)的組成

智能座椅的控制系統(tǒng)由監(jiān)控傳感器、執(zhí)行器和控制單元構成。其主要包括大數(shù)據(jù)模塊化網(wǎng)絡的布線裝置、體征疲勞傳感器、數(shù)字信號芯片（Digital Signal Processing, DSP）處理器以及智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)。

2.座椅震動過程

在疲勞駕駛感知系統(tǒng)將駕駛員判斷為疲勞駕駛之后，智能座椅將會接收到第一次的信息，同時，座椅中的震動系統(tǒng)將會啟動，在滿足駕駛安全要求的情況下，對座椅進行振動，從而對駕駛員進行提醒[6]。同時智能座椅的壓力傳感系統(tǒng)將會感知駕駛員的狀態(tài)，并將此狀態(tài)反饋給疲勞駕駛感知系統(tǒng)，圖7為首次信號輸入過程。

圖7 疲勞駕駛座椅工作

3.座椅解除震動過程

當振動裝置第二次接收到來自ECU傳遞過來的疲勞信號，并且減弱信號顯示駕駛員疲勞值下降時，貨車車內駕駛員座椅的振動程度將緩緩的停止，其過程如圖8所示。

圖8 疲勞駕駛解除

第二次駕駛員疲勞信號表明，駕駛員疲勞值沒有下降，甚至是上升的時候，座椅的振動將會變得更強，而且智能座椅將會向汽車中控和智能駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)送信息，從而提升智能駕駛輔助系統(tǒng)的優(yōu)先級，以減少由于駕駛員疲勞而造成的事故，同時中控還會發(fā)出警示音，提醒駕駛員注意。當駕駛員疲勞值降低至安全線以下時，座椅振動及中控警示音將會自動關閉。但座椅在接收到手動關閉振動信號時會傳遞信號給疲勞駕駛感知系統(tǒng)，當一定時間內駕駛員疲勞值再次上升一定值時，座椅將會再次振動，警示駕駛員。

5 總結

貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)主要包括心率信號收集和無線傳輸模塊、蜂鳴器和振動裝置模塊。心率電路主要用于把信號放大并輸出，而無線傳輸模塊用于數(shù)據(jù)的傳輸，LED燈、蜂鳴器、振動裝置主要是對駕駛員的疲勞駕駛進行提示，在出現(xiàn)了超過閾值的情況下，就會對駕駛員發(fā)出警示，從而使其回到正常狀態(tài)。通過此設計，能夠有效地預防貨車疲勞駕駛發(fā)生事故的現(xiàn)象。

[1] 國物流與采購聯(lián)合會.2021年貨車司機從業(yè)狀況調查報告[R/OL].(2021-06-29)[2023-01-06].http://www. chinawuliu.com.cn/lhhzq/202106/29/553128.shtml.

[2] 王康,樊繼東.基于多特征融合的疲勞駕駛檢測[J].湖北汽車工業(yè)學院學報,2023,37(1):39-44.

[3] 趙玲娜.基于面部視頻的自適應非接觸式心率檢測方法[J].安徽水利水電職業(yè)技術學院學報,2022,22(1): 38-42.

[4] 劉彩虹,李淦初,李詩.基于5G和車聯(lián)網(wǎng)技術下的疲勞駕駛預警系統(tǒng)[J].電腦知識與技術,2021,17(4): 181-183.

[5] 曾心遠,張正華,韓雪,等.基于機器學習的疲勞檢測及預警系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術,2019,9(7):27-29.

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Design of Anti Fatigue Driving System for Trucks

PANG Xiaolan, PAN Shupei, TONG Yuntao, LIN Hanwu

( School of Intelligent Manufacturing, Guangdong Technology College, Zhaoqing 526100, China )

This paper elaborates from three aspects,the detection of driving state, the judgment of fatigue and the design of anti-fatigue device. First, the truck driver's state information is collected, and then transmitted to the system host to judge whether the driver is tired. When the judgment exceeds the threshold, the signal can be transmitted to the actuator, and the actuator such as light-emitting diode(LED) light flashing, buzzer and seat vibration will give the driver a warning of fatigue driving at the same time, so as to wake the driver up. This paper provides a practical scheme for a truck to prevent fatigue driving, reduce the phenomenon of fatigue driving, reduce the traffic accident rate, and ensure the safety of traffic travel.

Driver status; Fatigue judgment; Executive mechanism design

U463.6

A

1671-7988(2023)20-46-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.010

龐小蘭（1982－），女，副教授，研究方向為汽車電子控制技術，E-mail:113327407@qq.com。

一種貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)的設計與研究（JXGG202206）。