CN102509419B - 一种驾驶员疲劳的无线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驾驶员疲劳的无线监测装置，包括发射微波信号检测驾驶员呼吸状况的呼吸信号检测模块，对检测到的呼吸信号比较并进行频率转换的呼吸暂停检测模块和与设定阈值进行比较并引发警报的声光报警模块。本发明通过无线检测驾驶员的呼吸信号，进而转换为呼吸频率信号和电压信号，与预设的阈值进行比较之后，当发现频率过低至疲劳状态时，触发报警信号，通过发声/发光报警，进而提醒驾驶员，及时减速或停车休息，最大限度地降低因疲劳驾驶而导致的恶性交通事故。

Description

一种驾驶员疲劳的无线监测装置

技术领域

本发明涉及一种人的呼吸监测装置，特别涉及一种监测驾驶员疲劳的装置。

背景技术

疲劳驾驶是当今交通安全的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据表明，在2008-2010年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交通肇事总死亡人数的10.91％、11.35％和12.5％，大约每年有9000人死于疲劳驾驶。因此，研究和开发高性能的驾驶人疲劳状态实时监测及预警技术，对改善我国交通安全状况意义重大。

关于驾驶人疲劳及注意分散等安全状态的监测预警技术，由于它在交通事故预防方面的发展前景而受到各国高度的重视，研究人员根据驾驶人疲劳时在生理和操作上的特征进行了多方面的研究。驾驶人疲劳状态的检测方法可大致分为(1)基于驾驶人生理信号的检测方法；(2)基于驾驶人生理反应特征的检测方法；(3)基于驾驶人操作行为的检测方法；(4)基于车辆行驶轨迹的检测方法。

上述方法中，基于驾驶人生理信号的检测方法包括对驾驶人的脑电信号EEG、心电信号ECG等的测量。该方法对疲劳判断的准确性较高，但生理信号需要采用接触式测量，且对个人依赖程度较大，在实际用于驾驶人疲劳监测时有很多的局限性，因此主要应用在实验阶段，作为实验的对照参数。

基于驾驶人的生理反应特征的检测方法是指利用驾驶人的眼动特性、头部运动特性等推断驾驶人的疲劳状态。该方法一般采用非接触式测量，对疲劳状态的识别精度较好，但是检测设备价格昂贵、算法复杂，也只能用于实验室研究阶段。如美国Attention Technologies公司推出的Driver FatigueMonitor(DD850)驾驶人疲劳监测预警产品，该产品通过红外摄像头采集驾驶人眼部信息，采用PERCLOS作为疲劳报警指标，可直接安装在仪表盘上，报警的敏感度和报警音量均可调节，但只有晚上才有效。

基于驾驶人操作行为的驾驶人疲劳状态识别技术，是指通过驾驶人的操作行为如方向盘操作等操作推断驾驶人疲劳状态。目前利用驾驶人操作行为进行疲劳识别的深入研究成果较少。驾驶人的操作除了与疲劳状态有关外，还受到个人习惯、行驶速度、道路环境、操作技能的影响，车辆的行驶状态也与车辆特性、道路等很多环境因素有关，因此如何提高驾驶人状态的推测精度是此类间接测量技术的关键问题。

基于车辆行驶轨迹的检测方法和基于驾驶人操作行为的疲劳状态识别技术一样，都以车辆现有的装置为基础，不需添加过多的硬件设备，而且不会对驾驶人的正常驾驶造成干扰，因此具有很高的实用价值。如美国AssistWareTechnology公司的SafeTRAC利用前置视频头对车道线进行识别，当车辆开始偏离车道时进行报警，该产品也可通过车道保持状态结合驾驶人的方向盘操作特性判断驾驶人的疲劳状态。但是这种检测方法属于间接检测，对驾驶疲劳的敏感度不高，在夜晚或冰封的雨雪天气，检测容易失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种监测驾驶员疲劳的装置，通过对驾驶员无约束、非接触的呼吸监测，在发生疲劳驾驶时报警提醒并强制减速，在不影响驾驶员驾驶行为的同时，实现对驾驶员疲劳状态的非接触式监测和报警。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种驾驶员疲劳的无线监测装置，包括发射微波信号检测驾驶员疲劳状况的呼吸信号检测模块，对检测到的呼吸信号比较并进行频率转换的疲劳检测模块和与设定阈值进行比较并引发警报的声光报警和触发汽车制动模块；

其中，呼吸信号检测模块包括微波传感器，微波传感器向驾驶员胸壁定向发射微波信号、并拾取含有驾驶员呼吸信息的反射信号输出给放大器，放大器对反射信号放大之后通过滤波器得到驾驶员的呼吸信号，输出到疲劳检测模块；

疲劳检测模块包括电压比较器，电压比较器接受来自呼吸信号检测模块的呼吸信号后，与预设的零检测结果进行比较，得到包含呼吸频率的信号，通过单稳态触发器将呼吸频率转换为电压信号输出给声光报警和触发汽车制动模块；

声光报警模块和触发汽车制动模块包括译码电路和数值比较电路，译码电路接收疲劳检测模块输出的电压信号后对呼吸的次数进行计数，通过与数值比较电路中预设的电压阈值比较，根据比较的结果，输出报警信号到声光报警电路和触发汽车制动部分的光耦，发出声、光报警，并触发汽车的制动部分，让汽车强制减速甚至停车。

上述方案中，所述的微波传感器包括收、发共用的天线、环形器、混频器、耦合器和振荡源，所述振荡源产生24GHz的微波信号，大部分信号通过耦合器及环形器从天线将微波信号辐射出去，当微波信号被驾驶员胸壁的微动反射后，其回波信号被天线接收，并与信号源的少部分微波在混频器中进行混频输出。

所述放大器为5000倍放大器，所述滤波器为0.5Hz的有源低通滤波器。

与现有的有线驾驶员状态监护装置相比，本发明具有以下优点：

1、由于采用微波作为探测媒介，无需任何器件或导线接触驾驶员身体，从微波信号的发射到接收完全是无线的，可以在3米内实现对驾驶员呼吸信号的无线监测，检测过程对驾驶员没有任何束缚，克服了接触式疲劳检测装置长时间监测容易增加驾驶员心理负荷而加剧身体疲劳的问题。

2、驾驶员呼吸运动引起的胸壁位移量约为2-4厘米，本发明设计的呼吸信号检测模块的频率为24GHz，它所能检测到的最小位移量为1.25厘米，分辨力强。

3、呼吸率检测准确。传统的有线呼吸监测装置需要绑带将呼吸传感器绑于驾驶员胸腹部、或将呼吸传感器置于鼻腔处，驾驶员呼吸的深浅或环境温度的变化都将影响呼吸率的检测，呼吸率的误差为4-6次/分钟。而本发明设计的呼吸监测装置，呼吸信号的检测不受呼吸深度的影响，且呼吸率的检测采用平均法，呼吸率检测准确，呼吸率的误差为1-2次/分钟。

4、误警率低。采用自适应阈值和能量积累两种方法对驾驶员发生疲劳驾驶的情况进行报警，比传统采用单纯的固定阈值的报警方法相比，本发明的误警率低，误警率为3％。

附图说明

以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的功能结构框图。

图2为图1中的微波传感器电路原理图。

图3为图1中的放大器电路原理图。

图4为图1中的滤波器电路原理图。

图5为图1中的疲劳检测模块的电路原理图。

图6为图1中的声光报警和触发汽车制动模块的电路原理图。

图7为1名驾驶员正常驾驶时的呼吸信号。其中(a)图为呼吸波形；(b)图为频谱分析。

图8为1名驾驶员发生疲劳驾驶时的呼吸信号。其中(a)图为呼吸波形；(b)图为频谱分析。

具体实施方式

如图1所示，一种驾驶员疲劳的无线监测装置，包括发射微波信号检测婴儿呼吸状况的呼吸信号检测模块，对检测到的呼吸信号比较并进行频率转换的疲劳检测模块和与设定阈值进行比较并引发警报的声光报警和触发汽车制动模块。

其中，呼吸信号检测模块包括微波传感器，微波传感器向驾驶员胸壁定向发射频率为24GHz的微波信号，并接收驾驶员胸壁反射的微波信号，输出给信号放大器，信号放大器对呼吸信号放大之后通过滤波器输出到疲劳检测模块。微波传感器发射的微波信号直接照射或穿透衣服照射到驾驶员胸壁，由于呼吸运动引起的驾驶员胸壁的微动对微波的反射信号经进行调制，当对接收到含有驾驶员呼吸信息的反射波后进行相干解调，并经过放大、滤波处理后就能提取出驾驶员的呼吸信号。

疲劳检测模块对呼吸信号进行10秒信号内的瞬时呼吸率进行平均，检测驾驶员的呼吸率；包括电压比较器，将接收的呼吸信号与预设的零检测结果进行比较得到呼吸频率，单稳态触发器将输入的呼吸频率转换为电压信号输出给声光报警模块。

声光报警和触发汽车制动模块包括译码电路和数值比较电路，译码电路接收疲劳检测模块输出的电压信号后对发生疲劳的次数进行统计，通过与数值比较电路中预设的电压阈值比较，根据比较的结果，输出报警信号到声光报警电路和触发汽车制动部分的光耦，发出声、光报警并强制汽车减速。其中的数值比较电路可自动将驾驶员的相邻的两个10秒的呼吸率及呼吸能量进行比较，当呼吸率变化量(下一个10秒数据段与上一个10秒数据段的呼吸率之差)的绝对值大于12次/分钟或能量比(下一个10秒数据段与上一个20秒数据段的能量之比)小于0.35时，启动后续的声光报警，提示驾驶员减速行驶和停车休息。

如图2所示，微波传感器包括天线(收、发共用)、环形器、混频器、耦合器和振荡源。振荡源由晶振、锁相环和12GHz压控振荡器组成并产生24GHz的微波信号，80％的微波信号通过耦合器和环形器经过发射天线将微波信号辐射出去。当微波信号被驾驶员胸壁的微动信号反射时，其回波信号通过接收天线和环形器，并与20％的振荡源微波信号进行混频，混频器由相干解调器、低噪声放大器和低通滤波器组成，混频后的输出信号经过5000倍的放大和0.5Hz有源低通滤波器处理后，得到驾驶员的呼吸信号。

本发明疲劳检测模块中的放大器、滤波器的具体电路可分别采用如图3、图4所示的电路结构。其中，放大器由直流偏置电压电路和两级放大电路组成；直流偏置电压电路为放大电路提供电源电压一半值的直流电压，保证单电源供电的运算放大器能够正常工作；第一级放大电路提供的最大放大倍数为500，第二级放大电路能够提供的最大放大倍数10，两级放大电路最大放大倍数为5000。滤波器由四阶有源低通滤波器和50Hz有源带阻滤波器组成，其中低通滤波器的截止频率为0.5Hz，通带电压放大倍数为0.85；50Hz陷波器采用文氏桥结构，品质因数为12.5，带宽为4Hz.

如图5所示，疲劳检测模块包括一个电压比较器和一个单稳态触发器。电压比较器接收来自呼吸信号检测模块输出的驾驶员呼吸信号后，转换为数字信号，然后经过单稳态触发器将呼吸频率转换为电压信号输出给声光报警模块。按照正常人呼吸率为18-24次，发生疲劳驾驶时呼吸率为4-8次将单稳态触发器的时间常数设置为10秒。

如图6所示，声光报警和触发汽车制动模块包括译码电路、数值比较电路、报警电路和光耦。疲劳检测模块的输出首先经过译码电路，对发生疲劳的次数进行计数；然后再经过数值比较器，与数值比较器中预设的电压阈值比较，根据比较的结果，输出报警信号到报警器电路和光耦。发生疲劳的次数大于5时，数值比较器输出为高电平，启动声光报警电路和汽车制动。声光报警电路由逻辑或门、电压比较器、蜂鸣器以及发光二极管组成。

如图7所示，采用本发明公开的驾驶员疲劳监测装置非接触地检测到1名驾驶员在正常驾驶时的呼吸信号及其频谱分析。天线与驾驶员胸部距离为0.5米，无需任何电缆线或传感器接触驾驶员的身体，波形结果表明驾驶员的呼吸信号波形峰值和谷值对称，无疲劳状态发生；频谱中对应的峰值频率为0.35Hz，此时驾驶员的呼吸率为21次/分钟。

如图8所示，采用本发明公开的驾驶员疲劳监测装置检测到1名驾驶员发生疲劳驾驶时的呼吸信号。天线与驾驶员胸部距离为0.5米，无需任何电缆线或传感器接触驾驶员的身体，波形结果表明此时驾驶员的呼吸信号周期变缓，驾驶员出现多次闭眼(摄像头监控)，提示发生了疲劳驾驶，声光报警器开始工作；频谱中对应的峰值频率为0.1Hz，此时驾驶员的呼吸率为6次/分钟。

本发明公开的驾驶员疲劳的无线监测装置，通过无线检测驾驶员的呼吸信号，进而转换为呼吸频率信号和电压信号，与预设的阈值进行比较之后，当发现频率过低至疲劳状态时，触发报警信号，通过发声/发光报警，进而提醒驾驶员，及时减速或停车休息，最大限度地降低因疲劳驾驶而导致的恶性交通事故。

Claims (3)

1.一种驾驶员疲劳的无线监测装置，其特征在于，包括发射微波信号检测驾驶员疲劳状况的呼吸信号检测模块，对检测到的呼吸信号比较并进行频率转换的疲劳检测模块和与设定阈值进行比较并引发警报的声光报警和触发汽车制动模块；

其中，呼吸信号检测模块包括微波传感器，微波传感器向驾驶员胸壁定向发射微波信号、并拾取含有驾驶员呼吸信息的反射信号输出给放大器，放大器对反射信号放大之后通过滤波器得到驾驶员的呼吸信号，输出到疲劳检测模块；

疲劳检测模块包括电压比较器，电压比较器接受来自呼吸信号检测模块的呼吸信号后，与预设的零检测结果进行比较，得到包含呼吸频率的信号，通过单稳态触发器将呼吸频率转换为电压信号输出给声光报警和触发汽车制动模块；

声光报警和触发汽车制动模块包括译码电路和数值比较电路，译码电路接收疲劳检测模块输出的电压信号后对呼吸的次数进行计数，通过与数值比较电路中预设的电压阈值比较，根据比较的结果，输出报警信号到声光报警电路和触发汽车制动部分的光耦，发出声、光报警，并触发汽车的制动部分，强制汽车减速甚至停车。

2.如权利要求1所述的驾驶员疲劳的无线监测装置，其特征在于，所述的微波传感器包括天线、环形器、混频器、耦合器和振荡源，所述天线为收、发共用，所述振荡源产生24GHz的微波信号，大部分信号通过耦合器及环形器从天线将微波信号辐射出去，当微波信号被驾驶员胸壁的微动反射后，其回波信号被天线接收，并与信号源的少部分微波在混频器中进行混频输出。

3.如权利要求1所述的驾驶员疲劳的无线监测装置，其特征在于，所述的放大器为5000倍的放大器，所述滤波器为0.5Hz的有源低通滤波器。

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