CN103300869A - 基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，包括一种人体呼吸信号的采集与处理装置和一种呼吸信号处理方法。本系统硬件部分由电源模块、呼吸信号采集模块、微处理器模块以及报警模块组成。其中呼吸信号提取模块由一条利用变极距式电容传感器原理做成的腰带和相应电路组成。对呼吸信号的处理，首先应用经验模态分解，去除噪声信号，再对信号进行时域分析，计算呼吸波周期及幅值，以及打哈欠个数。通过监测以上数值的变化情况来判定驾驶员的疲劳状况，并及时进行报警。

Description

基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，尤其涉及一种人体呼吸信号的采集装置和一种呼吸信号处理方法。

背景技术

疲劳驾驶导致的交通事故在所有道路交通事故中占有非常高的比例，如何控制疲劳驾驶以及对产生疲劳的驾驶员进行及时的提醒，对降低道路交通事故的发生具有非常重要的意义。国内外对汽车驾驶员疲劳驾驶的研究取得了一定成果，主要是通过监测驾驶员的生理信号，对车辆控制以及车辆行驶方面的信号等信息判断驾驶员是否是疲劳驾驶，同时通过一定装置对处于疲劳状态的驾驶员进行及时提醒。但是目前这些研究还存在很多问题，主要表现在接触式测量方法，会影响驾驶员的驾驶舒适度；采用基于视觉的监测方法，会受到天气状况的影响，同时监测设备价格一般比较高；采用基于多元信号的信息融合技术，系统太复杂，同时经常出现误判。基于以上考虑，开发一种不影响驾驶员正常驾驶，设备简单，价格便宜，具有一定准确性的驾驶员疲劳监测系统具有非常重要意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单，操作方便，能够实时，准确的监测汽车驾驶员疲劳状况并对已疲劳驾驶员进行提醒的系统。

本发明提出一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，该系统包括依次相连的电源模块、呼吸信号采集模块、微处理器模块和报警模块，其中电源模块为车载电源；呼吸信号采集模块包括专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带和与腰带相连接的处理电路。

根据本发明的优选实施方式，专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带由两层金属电极以及中间的弹性绝缘物质组成。

根据本发明的优选实施方式，专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带带有腰带接口，该腰带接口与车座上的车座接口相连。

根据本发明的优选实施方式，微处理器模块采用DSP控制芯片。

根据本发明的优选实施方式，报警模块采用声光报警形式。

本发明还提出一种利用所述的系统监测汽车驾驶员疲劳的方法，包括以下步骤：

A.将采集到的呼吸信号经AD转换，转化为数字信号；

B.将呼吸数字信号经过经验模态分解，去除白噪声信号，得到包含较少干扰信号的呼吸信号；

C.对上述经过处理的呼吸信号进行时域分析，提取呼吸信号的周期、幅值以及打哈欠情况；

D.实时计算呼吸信号的周期、幅值及打哈欠个数，根据这三个量的变化情况判断驾驶员是否疲劳。

本系统的电源模块采用将车载的12V直流电转化为5V，使用带USB的车载点烟器，所提供的电源平稳，滤波效果好，将该5V电源再经过滤波处理，作为整个控制系统的供电电源。

呼吸信号采集模块使用专门用于呼吸监测的智能腰带。该腰带的结构是由两侧金属电极以及一层绝缘弹性物质组成，组成变极距型电容传感器，当驾驶员呼吸时，电极中间的绝缘物质受力收缩，两电极之间的距离发生变化，导致电容值发生变化，通过监测电容值的变化来监测驾驶员的呼吸状况。

信号处理模块采用DSP作为控制芯片，运算速度快，能够实现实时对采集到的信号进行处理。

报警模块采用声光报警，当驾驶员正常驾驶时，系统亮绿灯，当判定驾驶员处于疲劳临界状态时，亮黄灯。当判断驾驶员处于疲劳状态，亮红灯，同时蜂鸣器发出声音，及时提醒驾驶员安全驾驶。

呼吸信号的组成成分非常复杂，对其进行时域分析时，呼吸间隔提取很容易存在误差，因此该系统对采集到的呼吸信号进行经典模态分解，将原始信号分解为白噪声信号和呼吸信号和，去除噪声信号得到呼吸信号，然后进行时域分析。采用波形法，对采集到的信号寻极值，判定波峰，波谷。再根据一定的阈值条件判定有效地波形，根据有效的波形计算波形周期，得到呼吸频率，同时求得有效呼吸波形的幅值。打哈欠是疲劳的重要表现，通过分析呼吸信号中哈欠信号的个数来判断打哈欠情况。通过计算呼吸周期、幅值以及打哈欠个数来判定驾驶员的疲劳状态。

附图说明

图1为基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳实时监测系统组成示意图；

图2为专用于监测驾驶员呼吸状况的腰带原理结构；

图3为基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳实时监测系统结构示意图；

图4为呼吸信号原始输出波形；

图5为经过处理的呼吸信号输出波形；

图6呼吸信号经验模态分解结果；

图7呼吸信号时域分析；

图8含有哈欠的呼吸信号波形。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统的总体结构包括依次相连的电源模块6，呼吸信号采集模块7，微处理器模块8以及报警模块9。其中电源模块6为车载电源，为系统提供5V直流电源，呼吸信号采集模块7包括专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带3，以及与腰带3相连接的处理电路。微处理器模块8采用DSP控制芯片，报警模块9利用声光结合报警方式。

如图2所示，专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带3的原理结构是一个变极距式电容传感器，由两层金属电极1以及中间的弹性绝缘物质2组成。驾驶员呼吸时，金属电极1在力的作用下，距离发生变化，由两极组成的电容的值随之变化，腰带3所连接的处理电路监测到电容的变化，将该变化转化为数字量变化，输送给微处理器模块8。

如图3所示，专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带3带有腰带接口4，该腰带接口4可以与车座上的车座接口5相连，当驾驶员进入驾驶室后，将腰带3上的腰带接口4与车座上的车座接口5连接在一起。车座上的车座接口5与本发明系统的微处理模块相连，可以将实时监测到的呼吸信号输送到微处理器模块8。当驾驶员需要离开驾驶室时，只需接接口分离，操作方便，不会对驾驶员的驾驶产生影响。

如图4所示，利用专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带3所采集到驾驶员的呼吸信号包含大量的干扰信号，为了有效地消除干扰同时保证呼吸信号不是真，本系统首先采用经验模态分解(EMD)方法将信号分解成为若干有限的内禀模态函数之和。去掉内禀模态函数中的白噪声成分，可以得到消噪后的信号如图5所示。

如图6所示，将呼吸信号经经验模态分解，得到单分量的信号。经验模态分解的原理为，首先找到原始信号的所有极点，将其中的极大值点和极小值点分别用样条曲线连接，得到原始信号的上下包络线，将两包络线的平均值机位K，那么原始信号S(t)与K的差记作M，即：

S(t)-K＝M

M当作S(t)，重复以上操作，直到M满足一定条件，记f1＝M，f1记作一个内禀模态函数，令

S(t)-f1＝R

将R视为新的S(t)，重复以上过程，依次得到f2，f3······，直到fn或R满足给定的终止条件时筛选终止。由此可将原始信号分解为多个内禀模态函数之和。

如图7所示，对处理过的呼吸信号进行时域分析，准确的提取呼吸信号两个相邻波谷的时间差，以及相邻的波峰与波谷的纵坐标差值即可得到呼吸信号的周期及幅值。将两信号作为驾驶员疲劳与清醒状态的特征参数。

如图8所示，由于人在疲劳时经常伴随打哈欠，通过对呼吸信号的时域分析，分辨出打哈欠信号，对于准确的判定驾驶员的疲劳状况具有非常大的意思。

Claims (5)

1.一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，其特征在于：该系统包括依次相连的电源模块(6)，呼吸信号采集模块(7)，微处理器模块(8)和报警模块(9)，其中电源模块(6)为车载电源；呼吸信号采集模块(7)包括专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带(3)和与腰带(3)相连接的处理电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，其特征在于：专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带(3)由两层金属电极(1)以及中间的弹性绝缘物质(2)组成。

3.根据权利要求1-2中的一项所述的一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，其特征在于：专门用于监测驾驶员呼吸状况的腰带(3)带有腰带接口(4)，该腰带接口(4)与车座上的车座接口(5)相连。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，其特征在于：微处理器模块(8)采用DSP控制芯片。

5.根据权利要求1-4中的一项所述的一种基于人体呼吸信号的汽车驾驶员疲劳监测系统，其特征在于：报警模块(9)采用声光报警形式。

一种利用在前权利要求所述的系统监测汽车驾驶员疲劳的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.将采集到的呼吸信号经AD转换，转化为数字信号；

B.将呼吸数字信号经过经验模态分解，去除白噪声信号，得到包含较少干扰信号的呼吸信号；

C.对上述经过处理的呼吸信号进行时域分析，提取呼吸信号的周期、幅值以及打哈欠情况；

D.实时计算呼吸信号的周期、幅值及打哈欠个数，根据这三个量的变化情况判断驾驶员是否疲劳。

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