CN102696061B - 驾驶员状态判断装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种驾驶员状态判断装置。在本发明的驾驶员状态判断装置中，当驾驶员模型鉴别机构(M2)将目标方位角与实际方位角的差作为驾驶员的输入，并将实际转舵角作为驾驶员的输出，而鉴别对驾驶员的输入输出关系进行表示的驾驶员模型时，通过驾驶员模型操作量取得机构(M3)相对于驾驶员模型输入当前的方位角偏差，而取得驾驶员模型转舵角，并且驾驶员状态判断机构(M4)将当前的实际转舵角与驾驶员模型转舵角的差作为残差而算出，从而根据该残差而判断驾驶员状态。由此，所述残差成为对从驾驶员模型中得到的变动成分、干扰成分、非线性成分等进行表示的指标，因此能够根据该残差对驾驶员状态，特别地对驾驶员的低觉醒的状态高精度地进行判断。

Description

驾驶员状态判断装置
技术领域
本发明涉及驾驶员状态判断装置，用于准确地判断车辆的驾驶员处于打瞌睡驾驶状态等的情况。
背景技术
图4是驾驶员所在车辆的偏转(yawing)控制系统的框图，设想了以下情况，即例如为了使车辆沿着道路的白线行驶，驾驶员对转向轮进行操作来控制车辆的方位角。驾驶员通过视觉确认用于使车辆的行进方向沿着白线方向的目标方位角和车辆中实际产生的实际方位角的偏差即方位角偏差，并判断应该将转向轮向哪个方向以何种程度进行操作较好，从而操作转向轮。其结果为，在转向轮上产生转舵角从而车辆进行响应，由此引起方位角的变化。此时，由于路面的摩擦系数或车辆的载重量等环境而使车辆动作受到影响，从而最终产生实际方位角。
若驾驶员为打瞌睡驾驶状态，则难以使车辆高精度地沿着道路的白线行驶，因此方位角偏差增大。由此，能够通过观测方位角偏差来判断驾驶员处于低觉醒的状态。但是，该手法是根据基于驾驶性能(performance)的控制成绩(相对于白线的追随精度)的手法，为了基于实际体现在车辆动作中的驾驶结果来判断低觉醒的状态，在该判断中可能产生延迟。
因此，若对将驾驶员模型化了的驾驶员模型进行鉴别，并比较向其中输入方位角偏差时的输出(驾驶员模型转舵角)与实际的驾驶员的输出(实际转舵角)，则不用等待车辆动作的变化就能够对驾驶员的低觉醒的状态进行判断，从而能够在更早的阶段进行判断。
作为使用这样的驾驶员模型的驾驶员状态判断装置，已通过下述专利文献1公知：基于在车辆上搭载的目标值传感器(行车道检测用摄像机)、动作传感器(偏转速度(yaw rate)传感器)以及操作传感器(转舵角传感器)的输出而鉴别驾驶员模型，并且将该驾驶员模型与成为规范的驾驶员模型进行比较，从而评价当前的驾驶员状态(打瞌睡驾驶状态或酒后驾驶状态)。
专利文献1：日本特开2009-18765号公报。
然而，上述以往的装置，由于将所鉴别的驾驶员模型的波特线图(Bode plots)与成为规范的驾驶员模型的波特线图进行比较，并基于例如增益线图的特性线的形状为有峰的(peaky)还是平缓的来评价驾驶员状态，因此其判断基准是模糊的，并且具体使用什么判断标准能够判断驾驶员状态也不明确。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的为在使用驾驶员模型来判断驾驶员状态时，能够通过使用合适的判断指标而从初期阶段进行高精度的判断。
为了实现上述目的，根据本发明，提出一种驾驶员状态判断装置，其第一特征在于，具有：操作目标值取得机构，根据搭载在车辆上的传感器的输出而求出驾驶员的操作目标值；实际动作量取得机构，求出车辆的实际动作量；实际操作量取得机构，求出驾驶员的实际操作量；驾驶员模型鉴别机构，将操作目标值与实际动作量的差作为驾驶员的输入，并将实际操作量作为驾驶员的输出，从而对表示驾驶员的输入输出关系的驾驶员模型进行鉴别；驾驶员模型操作量取得机构，相对于由所述驾驶员模型鉴别机构所鉴别的驾驶员模型，通过输入当前的操作目标值与实际动作量的差而取得驾驶员模型操作量；和驾驶员状态判断机构，将由所述实际操作量取得机构求出的当前的实际操作量、与由所述驾驶员模型操作量取得机构求出的驾驶员模型操作量的差作为残差算出，并根据所述残差判断驾驶员状态。
另外，根据本发明，在所述第一特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第二特征在于，所述驾驶员状态判断机构由修均化残差/恒定增益2而算出标准化残差，并根据所述标准化残差判断驾驶员状态。
另外，根据本发明，在所述第二特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第三特征在于，所述驾驶员状态判断机构根据频率为10rad/sec的恒定增益的值而算出所述标准化残差。
另外，根据本发明，在所述第二或第三特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第四特征在于，所述驾驶员状态判断机构在所述标准化残差为判断阈值以上的情况下，判断驾驶员处于低觉醒的状态。
另外，根据本发明，在所述第一到第四任一特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第五特征在于，所述驾驶员模型鉴别机构通过一次微分方程式鉴别驾驶员模型。
另外，根据本发明，在所述第一到第五任一特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第六特征在于，具有滤波器机构，其限制向所述驾驶员模型输入的信号的频率区域。
另外，根据本发明，在所述第六特征的基础上，提出了一种驾驶员状态判断装置，其第七特征在于，所述滤波器机构将向所述驾驶员模型输入的信号的频率区域限制在1rad/sec到10rad/sec。
此外，实施方式的摄像机Sa与本发明的传感器对应，实施方式的偏转速度传感器Sb与本发明的实际动作量取得机构对应，实施方式的转舵角传感器Sc与本发明的实际操作量取得机构对应，实施方式的带通滤波器(band-pass filter)15与本发明的滤波器机构对应。
发明的效果
根据本发明的第一特征，当驾驶员模型鉴别机构将操作目标值与实际动作量的差作为驾驶员的输入，并将实际操作量作为驾驶员的输出，而鉴别对驾驶员的输入输出关系进行表示的驾驶员模型时，通过驾驶员模型操作量取得机构相对于驾驶员模型输入当前的操作目标值与实际动作量的差，而取得驾驶员模型操作量，并且驾驶员状态判断机构将当前的实际操作量与驾驶员模型操作量的差作为残差而算出，从而根据该残差而判断驾驶员状态。所述残差成为对从驾驶员模型中得到的变动成分、干扰成分、非线性成分等进行表示的指标，因此能够根据该残差对驾驶员状态，特别地对驾驶员的低觉醒的状态高精度地进行判断。
另外根据本发明的第二特征，驾驶员状态判断机构由修均化残差/恒定增益2而算出标准化残差，并根据该标准化残差判断驾驶员状态，因此能够在不同的驾驶员之间进行比较而提高通用性及便利性
另外根据本发明的第三特征，驾驶员状态判断机构根据频率为10rad/sec的恒定增益的值而算出标准化残差，因此能够算出通用性及便利性更高的标准化残差。
另外根据本发明的第四特征，驾驶员状态判断机构在标准化残差为判断阈值以上的情况下，判断驾驶员处于低觉醒的状态，因此能够高精度地判断驾驶员的低觉醒的状态。
另外，根据本发明的第五特征，驾驶员模型鉴别机构通过一次微分方程式而鉴别驾驶员模型，因此能够使驾驶员模型变得单纯并只抽出单纯的驾驶操作。由此，在从实际的驾驶操作中取出通过驾驶员模型而抽出的单纯的驾驶操作后的差中，包含有在单纯的驾驶员模型中不能完全鉴别的复杂的驾驶操作，能够根据该驾驶操作准确地判断驾驶员状态。另外，当在从实际的驾驶操作中取出通过驾驶员模型而抽出的单纯的驾驶操作后的差中，几乎不包含复杂的驾驶操作的情况下，由于推断驾驶员继续进行单纯的驾驶操作，因此能够判断为驾驶员的驾驶操作稳定。
另外根据本发明的第六特征，驾驶员状态判断装置具有滤波器机构，其限制向驾驶员模型输入的信号的频率区域，因此能够使在驾驶员的睡意增加了的情况下的残差的增加变得明显。
另外根据本发明的第七特征，滤波器机构将向驾驶员模型输入的信号的频率区域限制在1rad/sec到10rad/sec，因此能够使在驾驶员的睡意增加了的情况下的残差的增加变得更加明显。
附图说明
图1是表示驾驶员状态判断装置的构成的框图。
图2是“残差”的算出手法的说明图。
图3是表示“标准化残差”以及睡意的指标的变化的图。
图4是驾驶员所在的车辆的偏转控制系统的框图。
附图标记说明
M1操作目标值取得机构
M2驾驶员模型鉴别机构
M3驾驶员模型操作量取得机构
M4驾驶员状态判断机构
Sa摄像机(传感器)
Sb偏转速度传感器(实际动作量取得机构)
Sc转舵角传感器(实际操作量取得机构)
15带通滤波器(band-pass filter)(滤波器机构)
具体实施方式
下面，根据图1～图3说明本发明的实施方式。
实施例1
如图1所示，车辆具有：拍摄道路的白线的摄像机Sa；检测车辆的实际方位角的偏转速度传感器Sb；检测由操作者操作的转向轮11的转舵角的转舵角传感器Sc，输入有来自摄像机Sa、偏转速度传感器Sb以及转舵角传感器Sc的信号的电子控制单元U，当判断驾驶员处于低觉醒的状态时，即处于打瞌睡驾驶状态时，通过在扬声器12中发出报警音而使驾驶员觉醒。电子控制单元U具有操作目标值取得机构M1、驾驶员模型鉴别机构M2、驾驶员模型操作量取得机构M3和驾驶员状态判断机构M4。
电子控制单元U的操作目标值取得机构M1对由摄像机Sa拍摄到的道路的白线进行图像处理，从白线的方向与车身前后轴的方向的偏移算出作为操作目标值的目标方位角。白线的方向与车身前后轴的方向的偏移越大，目标方位角被设定得越大，并且其正负与车身前后轴相对于白线方向的偏移方向相应地设定。另外，操作目标值取得机构M1还可以通过使偏转速度传感器Sb检测出的实际方位角的积分值修均而求出目标方位角。
操作目标值取得机构M1算出的目标方位角与本发明的操作目标值对应，通过用积分器14对偏转速度传感器Sb检测出的实际偏转速度进行积分而算出的实际方位角，与本发明的实际动作量对应，转舵角传感器Sc检测出的转向轮11的实际转舵角与本发明的实际操作量对应。
在电子控制单元U的驾驶员模型鉴别机构M2中，预鉴别有驾驶员模型，该驾驶员模型相对于从目标方位角中减去实际方位角而得的偏差即方位角偏差，使通过了频率区域为1～10rad/sec的带通滤波器15后的值作为输入，并将实际转舵角作为输出。由于因睡意增加而导致的驾驶员模型的变动出现在高频率带区域，所以通过从使滤波器带区域为上述范围的带通滤波器15中通过，能够使在睡意增加了的情况下的残差的增加更加明显。
在本实施方式中，对作为输入的方位角偏差和作为输出的实际转舵角的关系进行规定的驾驶员模型，通过以下这样的单纯的微分一次方程式而被赋予。
K/(1+Ts)                    K：增益系数
                            T：时间响应
而且，因为存在以下关系：
[操作量(实际转舵角)]＝[K/(1+Ts)]×[车辆运动(方位角偏差)]，
所以作为驾驶员模型的一次微分方程式[K/(1+Ts)]通过
[K/(1+Ts)]＝[操作量(实际转舵角)]/[车辆运动(方位角偏差)]
而被赋予。这里，右边的[操作量(实际转舵角)]为转舵角Sc输出的实际转舵角，且右边的[车辆运动(方位角偏差)]能够从目标方位角和实际方位角中算出，该目标方位角由操作目标值取得机构M1输出，该实际方位角从偏转速度传感器Sb的输出中算出，因为这些值均能够测定，所以使驾驶员模型的鉴别成为可能。
关于驾驶员模型，可以多个驾驶员共同使用基于标准的驾驶员的平常时(觉醒时)的特性而鉴别的模型，还可以将基于各驾驶员的平常时(觉醒时)的特性而鉴别的模型，供该驾驶员专门使用。
接下来，在驾驶员模型操作量取得机构M3中，对减法机构13向驾驶员模型鉴别机构M2中被预鉴别的驾驶员模型输出的方位角偏差，适用通过了频率区域为1～10rad/sec的带通滤波器15后的值，由此来算出驾驶员模型操作量。
即，在
[操作量(实际转舵角)]＝[K/(1+Ts)]×[车辆运动(方位角偏差)]中，
由于右边的[K/(1+Ts)]是在驾驶员模型鉴别机构M2中被预鉴别的部分，所以对于减法机构13向右边的[车辆运动(方位角偏差)]输出的方位角偏差，代入通过了频率区域为1～10rad/sec的带通滤波器15后的值，由此，算出与左边的[操作量(实际转舵角)]对应的值，即算出作为驾驶员模型操作量的驾驶员模型转舵角。
接下来，驾驶员状态判断机构M4从驾驶员模型转舵角和实际转舵角中算出“残差”，该驾驶员模型转舵角由驾驶员模型操作量取得机构M3输出，该实际转舵角由转舵角传感器Sc输出，并且将该“残差”作为指标来判断驾驶员的低觉醒的状态。
根据图2对此进行说明，若减法机构13输出的方位角偏差被输入到实际的驾驶员(理想模型)和驾驶员模型中，则理想模型输出实际转舵角，并且驾驶员模型输出驾驶员模型转舵角。而且，将从实际转舵角中减去驾驶员模型转舵角得到的差分进行乘方平均的值，作为“残差”算出。即，由于(实际的驾驶员的输入输出)＝(理想模型的输入输出)，因此算出作为实际的驾驶员的输出的实际转舵角与将方位角偏差输入到驾驶员模型中得到的输出即驾驶员模型转舵角的差分，将该差分进行乘方平均的值定义为“残差”。
这样，“残差”是将实际转舵角与驾驶员模型转舵角的差分进行乘方平均的值，表示来自驾驶员模型的变动成分、驾驶员模型所包含的干扰成分、非线性成分等，是表示驾驶操作的稳定性和复杂的驾驶操作的指标。由此，能够根据该“残差”判断驾驶员的低觉醒的状态。
此外，由于上述“残差”不能在不同的驾驶员之间比较，因此通过使用“标准化残差”，而能够在不同的驾驶员之间进行比较，从而提高通用性及便利性，其中，所述“标准化残差”是利用恒定增益(增益线图中的频率ω＝10rad/sec时的增益)将“修均化残差”标准化后的残差，该“修均化残差”是将“残差”通过取移动平均等的方法修均化而得到的。
标准化残差＝修均化残差/恒定增益2
图3是以时间序列表示在使车辆以时速60km/h沿直线道路行驶的同时得到的“标准化残差”以及睡意的指标的图。睡意的指标是观察者对驾驶员的表情进行观察来判断的，并且分为五个阶段，1：“看起来完全不想睡”、2：“看起来有些想睡”、3：“看起来想睡”、4：“看起来相当想睡”、5：“看起来非常想睡”。
如从同一图中明示的那样，“标准化残差”的变化紧紧地追随睡意的指标的变化，并能确认在“修均化残差”为预设的判断阈值以上时能够高精度地检测出驾驶员的低觉醒的状态。
此外，用于“标准化残差”中的恒定增益，在相对于驾驶员模型的输入的频率区域为1rad/sec到10rad/sec时，能够以最高的精度判断驾驶员的低觉醒的状态。图3表示在波特线图中10rad/sec情况下的使用恒定增益的结果。
这样，在通过驾驶员状态判断机构M4判断驾驶员陷入了低觉醒的状态后，能够使图1所示的扬声器12动作从而用声响等使驾驶员觉醒。
如上述那样地，通过驾驶员状态判断机构M4将当前的实际转舵角与驾驶员模型转舵角的差作为“残差”算出，该“残差”成为对从驾驶员模型中得到的变动成分、干扰成分、非线性成分等进行表示的指标，并且根据该“残差”判断驾驶员的低觉醒的状态，因此能够以高精度判断驾驶员的低觉醒的状态。
尤其，驾驶员模型鉴别机构M2通过单纯的一次微分方程式来鉴别驾驶员模型，因此能够从其中只抽出单纯的驾驶操作。由此，在从实际的驾驶操作中取出通过驾驶员模型而抽出的单纯的驾驶操作后的“残差”中，包含有在单纯的驾驶员模型中不能完全鉴别的复杂的驾驶操作，并且能够根据该驾驶操作准确地判断驾驶员状态。另外，当在从实际的驾驶操作中取出通过驾驶员模型而抽出的单纯的驾驶操作后的“残差”中，几乎不包含复杂的驾驶操作的情况下，由于推断驾驶员继续进行单纯的驾驶操作，因此能够判断为驾驶员的驾驶操作稳定。
以上，说明了本发明的实施方式，但本发明在没有脱离其主旨的范围内能够进行各种设计变更。
例如，在实施方式中作为对驾驶员模型的输入而使用了方位角偏差，但还可以使用相对于白线的横向的横位移。

Claims (7)

1.一种驾驶员状态判断装置，其特征在于，具有：
操作目标值取得机构(M1)，根据搭载在车辆上的传感器(Sa)的输出而求出驾驶员的操作目标值；
实际动作量取得机构(Sb)，求出车辆的实际动作量；
实际操作量取得机构(Sc)，求出驾驶员的实际操作量；
驾驶员模型鉴别机构(M2)，将操作目标值与实际动作量的差作为驾驶员的输入，并将实际操作量作为驾驶员的输出，从而对表示驾驶员的输入输出关系的驾驶员模型进行鉴别；
驾驶员模型操作量取得机构(M3)，相对于由所述驾驶员模型鉴别机构(M2)所鉴别的驾驶员模型，通过输入当前的操作目标值与实际动作量的差而取得驾驶员模型操作量；和
驾驶员状态判断机构(M4)，将由所述实际操作量取得机构(Sc)求出的当前的实际操作量、与由所述驾驶员模型操作量取得机构(M3)求出的驾驶员模型操作量的差作为残差算出，并根据所述残差判断驾驶员状态。
2.根据权利要求1所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，所述驾驶员状态判断机构(M4)由修均化残差/恒定增益2而算出标准化残差，并根据所述标准化残差判断驾驶员状态。
3.根据权利要求2所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，所述驾驶员状态判断机构(M4)根据频率为10rad/sec的恒定增益的值而算出所述标准化残差。
4.根据权利要求2或3所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，所述驾驶员状态判断机构(M4)在所述标准化残差为判断阈值以上的情况下，判断驾驶员处于低觉醒的状态。
5.根据权利要求1所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，所述驾驶员模型鉴别机构(M2)通过一次微分方程式鉴别驾驶员模型。
6.根据权利要求1所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，具有滤波器机构(15)，其限制向所述驾驶员模型输入的信号的频率区域。
7.根据权利要求6所述的驾驶员状态判断装置，其特征在于，所述滤波器机构(15)将向所述驾驶员模型输入的信号的频率区域限制在1rad/sec到10rad/sec。
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