CN104146722A - 一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，包括检测部和预警部，其中检测部与预警部相互之间通过无线形式连接，其中预警部还包括一预警模块，所述预警模块包括强度依次递增的第一预警单元和第二预警单元，从而实现分级预警功能；本发明还提供了一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警方法包括信号采集、信号处理、疲劳等级判定和实施预警动作四个步骤。与现有技术相比，本发明检测方便，准确性高，同时设备存在感低，对驾驶员影响小。

Description

一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置及方法

技术领域

本发明属于汽车驾驶设备技术领域，涉及一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置及方法。

背景技术

汽车驾驶员经过长时间的持续驾驶，尤其是高速公路行车和夜间行车，往往会导致驾驶员产生疲劳，其表现反应在注意力不集中、反应能力下降、打哈欠，严重时甚至会打瞌睡。疲劳驾驶长久以来一直是造成交通事故的主要原因之一。

目前针对驾驶疲劳检测方面的相关研究有很多，其手段大致可以归纳为以下三类：

一，根据观测驾驶员的面部特征，判断当前驾驶员是否正处于驾驶疲劳状态，其主要方法是利用摄像头获取驾驶员面部的图像信息，而后通过计算机将该信息进行处理，得到关于眨眼频率、眼睑尺寸变化等相关数据，以此为依据进行判断。

二，通过检测车辆参数变化，如方向盘转角、车辆加速度、车道线偏离程度等，判断驾驶员是否处于疲劳驾驶状态。

三，通过检测驾驶员脑电、皮电、心率等生理信息变化，从而判断当前驾驶员是否正处于驾驶疲劳状态。

其中，第一种方法对光线及环境变化较为敏感，在白天、黑夜、黄昏、迎光、背光等不同环境时测量结果偏差较大；并且驾驶员的头部角度及面部表情对检测效果影响也较明显，因此测量结果往往极不准确，容易引起不准确的预警，从而影响人员的正常驾驶。

第二种方法受道路曲率、驾驶员驾驶习惯影响较大，导致检测误警率高，另外驾驶员对车辆控制能力下降导致车辆参数异常时，往往已经发生严重驾驶疲劳，预警相对滞后，不利于安全行驶。

目前第三种方法较为普及，与以上两种方法相比更为可靠，但是现有技术中存在的缺陷也较为明显：缺陷一，往往只考虑了某一种疲劳特征，生理信号单一，准确性较差；缺陷二，通常欲采集驾驶员的生理信息，需要对人员粘贴多个电极，这样不仅会影响正常的驾驶，同时杂乱的导线也会引起驾驶员的抵触情绪。

在预警方面，现有技术当中，主要方式为声音提醒和闪光提醒，其对于轻度疲劳的驾驶员效果较好，而对严重驾驶疲劳导致瞌睡的驾驶员效果并不理想。除此之外有人提出方向盘震动提醒方式，但在目前驾驶疲劳检测误警率较高的情况下，方向盘突然的震动可能会造成驾驶员对方向盘控制的失误，同时增加了驾驶员心理负荷，干扰正常驾驶。

因此，有必要提供改进的技术方案以克服现有技术中存在的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：提供了一种基于头部生理信号的驾驶疲劳检测分级预警方法及装置。

一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，包括检测部和预警部，其特征在于：

所述检测部包括头戴式生理信号采集器和数据中心，所述头戴式生理信号采集器包含生理信号采集模块，所述生理信号采集模块包括三组干电极组，所述三组干电极组分别为颞处电势信号采集组、山根处电势信号采集组和耳垂处对比电势信号采集组；所述数据中心包括数据处理模块和第三无线通讯模块，所述数据处理模块包括处理单元和辨析单元，所述第三无线通讯模块包括第三信号发送单元；

所述预警部包括预警模块、第一无线通讯模块和第二无线通讯模块，所述预警模块包括强度依次递增的第一预警单元和第二预警单元，所述第一无线通讯模块安装于所述第一预警单元上，所述第二无线通讯模块安装于所述第二预警单元上，所述第一无线通讯模块包括第一信号接收单元，所述第二无线通讯模块包括第二信号接收单元。

将生理信号采集器设计为头戴式，不仅使得检测变得简便，增加检测的准确性，并且不会增加驾驶员的心理负荷。检测部配备有第三无线通讯模块，不仅避免了烦乱的导线影响到驾驶员的正常驾驶，并且使得多线传输变得更加方便。设置两个强度依次递增的预警单元，目的是为了可以针对驾驶员处在不同的疲劳等级而做出适当的反应。

所述头戴式生理信号采集器和数据中心一体设计。

所述第三无线通讯模块还包括第三信号接收单元，所述第一无线通讯模块还包括第一信号发送单元，所述第二无线通讯模块还包括第二信号发送单元。设计第一信号发送单元和第二信号发送单元和第三信号接收单元的目的在于，当第一预警单元或第二预警单元成功启动后，可以通过第一信号发送单元或第二信号发送单元向第三信号接收单元发送反馈信息，从而完成对预警部是否正常工作进行监测。优选地，本发明的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置还包括一报警部，所述报警部包括报警单元和第四无线通讯模块，所述第四无线通讯模块包括一第四信号接收单元。报警部的目的是在预警部不能正常工作的情况下对驾驶员进行报警，起到紧急预警或提示维修的作用，其主要工作原理是当当第三信号发送单元向第一信号接收单元或第二信号接收单元发送预警启动指令后，第三信号接收单元未接收到第一信号发送单元或第二信号发送单元的成功预警信号，则第三信号发送单元而后会向第四信号接收单元发送报警启动指令，此时报警单元进行报警。

为了更好的方便驾驶员佩戴，所述头戴式生理信号采集器为一眼镜。

所述第一预警单元为一语音报警器，所述第二预警单元为震动靠垫。

本发明还提供了一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警方法，其特征在于，包括以下四个步骤：

步骤一，采集驾驶员生理信号，其中采集部位包括颞处、山根处和耳垂处；

步骤二，数据处理模块获悉步骤一中采集到的颞处电势信号、山根处电势信号和对比电势信号，处理单元通过计算识别并分离出脑电信号和眼电信号，而后对脑电信号进行频域分析，提取出δ脑波(0～4Hz)、θ脑波(4～8Hz)、α脑波(8～13Hz)和β脑波(13～20Hz)，对眼电信号进行分解，提取眼睑运动特征参数，得到包括眼睑闭合时间T和眨眼频率M；

步骤三，处理单元将提取的特征参数输入到疲劳判断模型中，而后再将所得结果输入到辨析单元中，由辨析单元判断处于何种疲劳等级，疲劳等级分为三级，包括非疲劳驾驶状态、轻度疲劳驾驶状态或严重疲劳驾驶状态，而后辨析单元将判断结果反馈给处理单元，处理单元对第三无线通讯模块的第三信号发送单元发出指令，命令第三信号发送单元发送信号，具体发出何种信号遵循以下规则，若辨析单元判断结果为非疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则不发送预警启动指令，若辨析单元判断结果为轻度疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则对第一预警单元发送预警启动指令，若辨析单元判断结果为严重疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则对第二预警单元发送预警启动指令或对第一预警单元连同第二预警单元一起发送预警启动指令；

步骤四，当第一信号接收单元或/和第二信号接收单元接收到预警启动指令后，第一预警单元或/和第二预警单元做出预警动作提醒驾驶员注意；

其中，步骤三中所述疲劳判断模型指标如下：

脑电功率比值变化率L：对于设定的时间窗t₀，计算脑电功率比值K＝(θ+α)/β，K₀为时间窗起始时的脑电功率比值，对于脑电变化率L＝(K-K₀)/K₀，预设阈值L₀；

眼睑闭合时间T：对于眼睑闭合时间T，预先设置眼睑闭合时间阈值T₀；

眨眼频率M：对于检测的眨眼频率M，预先设置眨眼频率阈值M₀。

为了降低驾驶疲劳的误警率，以上三个指标，根据脑电功率比值变化率L判断驾驶员是否疲劳驾驶，根据眼睑闭合时间T和眨眼频率M判断驾驶员疲劳等级。所述疲劳等级判断标准如下：

若L<L₀，则驾驶员处于非疲劳驾驶状态；

若L≥L₀，同时T<T₀且M<M₀，则认为驾驶员处于轻度疲劳状态；

若L≥L₀成立，且T≥T₀，M≥M₀两式有一个以上情况成立，则认为驾驶员处于严重疲劳状态。

优选地，还包括步骤五：当第一预警单元或/和第二预警单元做出预警动作后，第一信号发送单元或/和第二信号发送单元向第三信号接收单元发送成功预警信号，完成预警信息反馈。

更优选地，还包括步骤六：当第三信号发送单元向第一信号接收单元或/和第二信号接收单元发送预警启动指令后，第三信号接收单元未接收到对方反馈回来的成功预警信号，则第三信号发送单元而后会向第四信号接收单元发送报警启动指令，此时报警单元进行报警。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

检测方便，准确性高，同时设备存在感低，对驾驶员影响小。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为设计为眼镜样式的头戴式生理信号采集器的结构示意图。

图2为脑电功率比值变化率时间窗选择示意图。

图3为本发明的工作原理示意图。

图4为震动靠垫。

图中1为山根处电势信号采集组、2为颞处电势信号采集组、3为数据处理模块、4为耳垂处对比电势信号采集组、5为语音报警器、6为第三无线通讯模块、7为第二无线通讯模块。

具体实施方式

参照图1、图4，本发明的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，包括检测部和预警部，所述检测部包括头戴式生理信号采集器和数据中心，所述头戴式生理信号采集器包含生理信号采集模块，所述生理信号采集模块包括三组干电极组，所述三组干电极组分别为颞处电势信号采集组2、山根处电势信号采集组1和耳垂处对比电势信号采集组4；所述数据中心包括数据处理模块3和第三无线通讯模块6，所述数据处理模块3包括处理单元和辨析单元，所述第三无线通讯模块6包括第三信号发送单元。本实施例中的头戴式生理信号采集器设计为眼镜样式，三组干电极组共有5个干电极，其中两个布置于靠近颞处的眼镜腿上，作为颞处电势信号采集组2，采集驾驶人颞部的电势信号；两个布置于眼镜鼻托处，作为山根处电势信号采集组1，采集驾驶人的电势信号；一个布置于与一侧眼镜腿相连的耳夹上，作为耳垂处对比电势信号采集组4，采集驾驶人耳垂的电势作为颞部和山根处电势变化的对比参考电势。

所述预警部包括预警模块、第一无线通讯模块和第二无线通讯模块7，所述预警模块包括强度依次递增的第一预警单元和第二预警单元，所述第一无线通讯模块安装于所述第一预警单元上，所述第二无线通讯模块7安装于所述第二预警单元上，所述第一无线通讯模块包括第一信号接收单元，所述第二无线通讯模块7包括第二信号接收单元。本实施例中的第一预警单元为一语音报警器5，第二预警单元为震动靠垫，震动靠垫可以通过束带固定在驾驶座椅上与驾驶人腰部接触，如果需要，可在震动靠垫上配备一变频装置，针对驾驶疲劳实施可变频率的震动。震动靠垫通过第二无线通讯模块7与头戴式生理信号采集器联系，语音报警器5通过第一无线通讯模块与头戴式生理信号采集器联系。

参照图2、图3，数据处理模块3从颞部、山根处生理信号中分离出脑电信号和眼电信号，对脑电信号进行频域分析，提取δ脑波(0～4Hz)、θ脑波(4～8Hz)、α脑波(8～13Hz)和β脑波(13～20Hz)；对眼电信号进行分解，提取眼睑运动特征参数，包括眼睑闭合时间T和眨眼频率M。

脑电功率比值变化率L：计算脑电功率比值K＝(θ+α)/β，作为一种优选，时间窗为t₀＝60s，K₀＝(θ+α)/β是60s之前的脑电功率比值，则脑电功率比值变化率L＝(K-K₀)/K₀，作为一种优选，设置阈值L₀＝20％；

眼睑闭合时间T：对于眼睑闭合时间T，作为一种优选，设置眼睑闭合时间阈值T₀＝0.4s；

眨眼频率M：对于眨眼频率M，作为一种优选，设置的眨眼频率M₀＝35次/分钟。

为了降低驾驶疲劳的误警率，针对以上三个指标中，进行疲劳等级判断，疲劳等级判断标准如下：

若L<L₀，则驾驶人处于非疲劳驾驶状态；

若L≥L₀，且T<0.4同时M<35，则认为驾驶人处于轻度疲劳状态；

若L≥L₀成立，且T≥0.4,M≥35两式有一个以上情况成立，则认为驾驶人处于严重疲劳状态。

针对上述驾驶疲劳检测方法判断的驾驶人疲劳水平，采用的驾驶人疲劳驾驶预警方案如下：

驾驶人处于非疲劳驾驶状态时，该装置不发出预警信息；

驾驶人处于轻度疲劳状态时，向驾驶人提供语音预警，提醒驾驶人安全驾驶；

驾驶人处于严重疲劳状态时，震动靠垫产生特定频率震动，将已经严重疲劳的驾驶人从睡眠状态唤醒，同时向驾驶人提供语音预警，提醒驾驶人及时停车休息。

当然以上各参数的预设值是可以修订和改变的，其主要影响因素包括环境因素的改变、受测对象的不同。

Claims (9)

1.一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，包括检测部和预警部，其特征在于： 

所述检测部包括头戴式生理信号采集器和数据中心，所述头戴式生理信号采集器包含生理信号采集模块，所述生理信号采集模块包括三组干电极组，所述三组干电极组分别为颞处电势信号采集组、山根处电势信号采集组和耳垂处对比电势信号采集组；所述数据中心包括数据处理模块和第三无线通讯模块，所述数据处理模块包括处理单元和辨析单元，所述第三无线通讯模块包括第三信号发送单元； 

所述预警部包括预警模块、第一无线通讯模块和第二无线通讯模块，所述预警模块包括强度依次递增的第一预警单元和第二预警单元，所述第一无线通讯模块安装于所述第一预警单元上，所述第二无线通讯模块安装于所述第二预警单元上，所述第一无线通讯模块包括第一信号接收单元，所述第二无线通讯模块包括第二信号接收单元。 

2.根据权利要求1所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，其特征在于：所述头戴式生理信号采集器和数据中心一体设计。 

3.根据权利要求1所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，其特征在于：所述第三无线通讯模块还包括第三信号接收单元，所述第一无线通讯模块还包括第一信号发送单元，所述第二无线通讯模块还包括第二信号发送单元。 

4.根据权利要求3所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，其特征在于：还包括一报警部，所述报警部包括报警单元和第四无线通讯模块，所述第四无线通讯模块包括一第四信号接收单元。 

5.根据权利要求1所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，其特征在于：所述头戴式生理信号采集器为一眼镜。 

6.根据权利要求1所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警装置，其特征在于：所述第一预警单元为一语音报警器，所述第二预警单元为震动靠垫。 

7.一种基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警方法，其特征在于： 

包括以下四个步骤 

步骤一，采集驾驶员生理信号，其中采集部位包括颞处、山根处和耳垂处； 

步骤二，数据处理模块获悉步骤一中采集到的颞处电势信号、山根处电势信号和对比电势信号，处理单元通过计算识别并分离出脑电信号和眼电信号，而后对脑电信号进行频域分析，提取出δ脑波0Hz～4Hz、θ脑波4Hz～8Hz、α脑波8Hz～13Hz和β脑波13Hz～20Hz，对眼电信号进行分解，提取眼睑运动特征参数，得到包括眼睑闭合时间T和眨眼频率M； 

步骤三，处理单元将提取的特征参数输入到疲劳判断模型中，而后再将所得结果输入到辨析单元中，由辨析单元判断处于何种疲劳等级，疲劳等级分为三级，包括非疲劳驾驶状态、轻度疲劳驾驶状态或严重疲劳驾驶状态，而后辨析单元将判断结果反馈给处理单元，处理单元对第三无线通讯模块的第三信号发送单元发出指令，命令第三信号发送单元发送信号，具体发出何种信号遵循以下规则，若辨析单元判断结果为非疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则不发送预警启动指令，若辨析单元判断结果为轻度疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则对第一预警单元发送预警启动指令，若辨析单元判断结果为严重疲劳驾驶状态，第三信号发送单元则对第二预警单元发送预警启动指令或对第一预警单元连同第二预警单元一起发送预警启动指令； 

步骤四，当第一信号接收单元或/和第二信号接收单元接收到预警启动指令后，第一预警单元或/和第二预警单元做出预警动作提醒驾驶员注意； 

其中，步骤三中所述疲劳判断模型指标如下： 

脑电功率比值变化率L：对于设定的时间窗t₀，计算脑电功率比值K＝(θ+α)/β，K₀为时间窗起始时的脑电功率比值，对于脑电变化率L＝(K-K₀)/K₀，预设阈值L₀； 

眼睑闭合时间T：对于眼睑闭合时间T，预先设置眼睑闭合时间阈值T₀； 

眨眼频率M：对于检测的眨眼频率M，预先设置眨眼频率阈值M₀。 

为了降低驾驶疲劳的误警率，以上三个指标，根据脑电功率比值变化率L判断驾驶员是否疲劳驾驶，根据眼睑闭合时间T和眨眼频率M判断驾驶员疲劳等级。所述疲劳等级判断标准如下： 

若L<L₀，则驾驶员处于非疲劳驾驶状态； 

若L≥L₀，同时T<T₀且M<M₀，则认为驾驶员处于轻度疲劳状态； 

若L≥L₀成立，且T≥T₀，M≥M₀两式有一个以上情况成立，则认为驾驶员处 于严重疲劳状态。 

8.根据权利要求7所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警方法，其特征在于：还包括步骤五 

当第一预警单元或/和第二预警单元做出预警动作后，第一信号发送单元或/和第二信号发送单元向第三信号接收单元发送成功预警信号，完成预警信息反馈。 

9.根据权利要求8所述的基于头部信号的驾驶疲劳检测分级预警方法，其特征在于：还包括步骤六 

当第三信号发送单元向第一信号接收单元或/和第二信号接收单元发送预警启动指令后，第三信号接收单元未接收到对方反馈回来的成功预警信号，则第三信号发送单元而后会向第四信号接收单元发送报警启动指令，此时报警单元进行报警。