CN104802800A - 基于方向盘检测的汽车驾驶员状态识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，包括方向盘运动传感器、脑电波检测头盔、无线通信接口和飞思卡尔IMX6处理器，方向盘运动传感器用于检测汽车方向盘的运动状态，脑电波检测头盔用于检测驾驶员的脑电波特征，IMX6处理器与方向盘运动传感器、脑电波检测头盔和无线通信接口分别连接，基于运动状态确定是否启动脑电波检测头盔的检测操作，并在启动检测操作后，根据对脑电波特征的分析结果确定驾驶员的当前驾驶状态，将当前驾驶状态发送给无线通信接口。通过本发明，能够在对汽车方向盘的运动状态的判断基础上，启动对驾驶员状态的分析，从而在保证检测效率的同时，减少不必要的系统功耗。

Description

基于方向盘检测的汽车驾驶员状态识别系统

技术领域

本发明涉及电子检测领域，尤其涉及一种基于方向盘检测的汽车驾驶员状态识别系统。

背景技术

由于汽车数量的增加，交通事故的发生也呈现越来越多的趋势，其中，驾驶员疲劳驾驶是一主要因素。驾驶员疲劳的原因有多种，例如饮用过多酒精，前天睡眠不足，听音乐或广播过于投入等，导致有时驾驶员是无法自测自身的疲劳状态，因而，需要电子检测的方式帮助驾驶员和相应管理部门及时发现疲劳驾驶的行为发生，以便于立即停车，更换另外的驾驶员继续行驶。

现有技术中的驾驶员状态电子检测方案存在以下缺陷：(1)无论采取哪种机制下的电子检测，对驾驶员的状态检测都是全程进行的，对于检测方案所使用的各个电子部件来说，其耗电量是巨大的，对于长久处于清醒状态的驾驶员来说，大部分耗电量是不必要的；(2)由于一些电子检测手段需要安装在驾驶员身上一些辅助设备，如果长时间安放，会造成驾驶员行动不畅，降低了驾驶员的行驶乐趣。

因而，需要一种新的驾驶员状态电子检测方案，只有在驾驶员可能产生疲惫状态的情况下，才启动状态的电子检测，而在其他情况下，暂停状态的电子检测，从而在保证检测效果的同时，减少系统的耗电量和驾驶员的负担。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，采用方向盘运动传感器检测汽车方向盘的运动状态，以汽车方向盘超过预定时间阈值为触发条件，启动驾驶员状态的检测，这样，解决了上述技术问题，同时高精度的脑电波检测技术保证了本发明的状态检测系统的检测效果。

根据本发明的一方面，提供了一种基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，所述识别系统包括方向盘运动传感器、脑电波检测头盔、无线通信接口和飞思卡尔IMX6处理器，所述方向盘运动传感器用于检测汽车方向盘的运动状态，所述脑电波检测头盔用于检测驾驶员的脑电波特征，所述飞思卡尔IMX6处理器与所述方向盘运动传感器、所述脑电波检测头盔和所述无线通信接口分别连接，基于所述运动状态确定是否启动所述脑电波检测头盔的检测操作，并在启动所述检测操作后，根据对所述脑电波特征的分析结果确定驾驶员的当前驾驶状态，将当前驾驶状态发送给所述无线通信接口。

更具体地，在所述基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统中，还包括：用户输入设备，用于根据用户的操作，接收用户输入的静止时间阈值、第一检测因子阈值和第二检测因子阈值，所述第一检测因子阈值大于所述第二检测因子阈值；SDRAM，连接所述用户输入设备，用于接收并存储所述静止时间阈值、所述第一检测因子阈值和所述第二检测因子阈值；高清摄像头，包括CMOS传感器和辅助光源，所述CMOS传感器对驾驶员面部进行拍摄以获得面部图像，所述辅助光源为所述CMOS传感器的拍摄提供照明辅助光，所述照明辅助光的强度与所述辅助光源周围环境的光线亮度成反比，所述面部图像的分辨率为1280×720；供电设备，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；所述无线通信接口与所述飞思卡尔IMX6处理器和所述高清摄像头分别连接，包括：图像复合单元，与所述飞思卡尔IMX6处理器和所述高清摄像头分别连接，用于将与睡眠状态信号、疲惫状态信号或清醒状态信号对应的提醒文字复合到所述面部图像上以形成复合图像；图像压缩单元，与所述图像复合单元连接，用于基于MPEG-4压缩标准对所述复合图像进行图像压缩以获得压缩复合图像；无线收发单元，与所述图像压缩单元连接，用于将所述压缩复合图像无线发送到驾驶员所在单位局域网和驾驶员所在单位负责人的移动终端；所述方向盘运动传感器连接汽车方向盘，用于检测汽车方向盘的静止持续时间；所述脑电波检测头盔包括：接地电极，放置于驾驶员的头前部中点，用于排除干扰；参考电极，作为驾驶员身体相对零电位点的电极，采用双耳垂接法放置于驾驶员的耳垂上；作用电极，放置于驾驶员的头皮上；信号接收单元，与所述接地电极、所述参考电极和所述作用电极分别连接，将所述作用电极接收到的信号减去所述参考电极接收到的信号以作为脑电波信号输出，所述脑电波信号的采样频率为256Hz；微控制器，与所述信号接收单元连接，从所述脑电波信号中解析出其中的α波、β波和θ波，所述α波的频率范围为8-14Hz，所述β波的频率范围为14-30Hz，所述θ波的频率范围为4-8Hz，分别计算功率以获得α波功率、β波功率和θ波功率，将α波功率和θ波功率相加后除以β波功率获得的除值作为脑电波状态检测因子；所述飞思卡尔IMX6处理器与所述SDRAM、所述脑电波检测头盔和所述方向盘运动传感器分别连接，当接收到的静止持续时间大于等于所述静止时间阈值时，进入状态检测模式，当接收到的静止持续时间小于所述静止时间阈值时，退出状态检测模式；其中，所述飞思卡尔IMX6处理器在状态检测模式中，当脑电波状态检测因子大于等于所述第一检测因子阈值时，输出睡眠状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第一检测因子阈值但大于等于所述第二检测因子阈值时，输出疲倦状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第二检测因子阈值时，输出清醒状态信号。

更具体地，在所述基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统中：所述用户输入设备为触摸屏或输入键盘。

更具体地，在所述基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统中，还包括：显示设备，与所述飞思卡尔IMX6处理器连接，用于实时显示与所述睡眠状态信号、所述疲倦状态信号或所述清醒状态信号对应的提醒文字。

更具体地，在所述基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统中：所述显示设备为液晶显示屏，所述用户输入设备为与所述液晶显示屏集成在一起的触摸屏。

更具体地，在所述基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统中：所述显示设备还与所述方向盘运动传感器连接，以实时显示汽车方向盘的静止持续时间。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统的无线通信接口的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统的实施方案进行详细说明。

当前，在世界的各个国家，汽车的拥有量都是一个庞大的数字，由于自动驾驶汽车尚未普及，汽车仍主要采用人工方式驾驶，这时，驾驶员如果过于疲劳而不自知，仍旧进行驾驶工作，将很容易造成交通事故，给他人和自身带来难以承受的身体伤害，同时还可能造成巨大的经济损失。

为了避免驾驶员疲劳驾驶，各国的交通管理部门都采用了一些惩罚机制对疲劳驾驶的驾驶员进行惩罚，然而，实际上，驾驶员在驾驶过程中，导致疲惫的原因可能有多种，例如前天睡眠不足，或者听音乐入迷，甚至想事情入神等，有时驾驶员是不了解自身的疲劳状态的，因而，光靠惩罚机制和驾驶员自我检查并不足以避免交通事故发生，还需要一些电子检测手段，以仪器的方式进行主动检测。

现有技术中的驾驶员状态电子检测方案都是全时段的电子检测，不能因地制宜启动或关闭状态检测，容易导致系统耗电量巨大，并给驾驶员驾驶全程带来驾驶负担。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，以方向盘的运动状态为触发条件，避免电子检测的全程进行，较大程度地降低了系统功耗和驾驶员的不适度。

图1为根据本发明实施方案示出的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统的结构方框图，所述识别系统包括方向盘运动传感器1、脑电波检测头盔2、无线通信接口3和飞思卡尔IMX6处理器4，所述方向盘运动传感器1用于检测汽车方向盘的运动状态，所述脑电波检测头盔2用于检测驾驶员的脑电波特征，所述飞思卡尔IMX6处理器4与所述方向盘运动传感器1、所述脑电波检测头盔2和所述无线通信接口3分别连接，基于所述运动状态确定是否启动所述脑电波检测头盔2的检测操作，并在启动所述检测操作后，根据对所述脑电波特征的分析结果确定驾驶员的当前驾驶状态，将当前驾驶状态发送给所述无线通信接口3。

接着，继续对本发明的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统的具体结构进行进一步的说明。

所述识别系统还包括：用户输入设备，用于根据用户的操作，接收用户输入的静止时间阈值、第一检测因子阈值和第二检测因子阈值，所述第一检测因子阈值大于所述第二检测因子阈值。

所述识别系统还包括：SDRAM，连接所述用户输入设备，用于接收并存储所述静止时间阈值、所述第一检测因子阈值和所述第二检测因子阈值。

所述识别系统还包括：高清摄像头，包括CMOS传感器和辅助光源，所述CMOS传感器对驾驶员面部进行拍摄以获得面部图像，所述辅助光源为所述CMOS传感器的拍摄提供照明辅助光，所述照明辅助光的强度与所述辅助光源周围环境的光线亮度成反比，所述面部图像的分辨率为1280×720。

所述识别系统还包括：供电设备，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

如图2所示，所述无线通信接口3与所述飞思卡尔IMX6处理器4和所述高清摄像头分别连接，包括以下部件：

图像复合单元31，与所述飞思卡尔IMX6处理器4和所述高清摄像头分别连接，用于将与睡眠状态信号、疲惫状态信号或清醒状态信号对应的提醒文字复合到所述面部图像上以形成复合图像；

图像压缩单元32，与所述图像复合单元31连接，用于基于MPEG-4压缩标准对所述复合图像进行图像压缩以获得压缩复合图像；

无线收发单元33，与所述图像压缩单元32连接，用于将所述压缩复合图像无线发送到驾驶员所在单位局域网和驾驶员所在单位负责人的移动终端。

所述方向盘运动传感器1连接汽车方向盘，用于检测汽车方向盘的静止持续时间。

所述脑电波检测头盔2包括以下部件：

接地电极，放置于驾驶员的头前部中点，用于排除干扰；

参考电极，作为驾驶员身体相对零电位点的电极，采用双耳垂接法放置于驾驶员的耳垂上；

作用电极，放置于驾驶员的头皮上；

信号接收单元，与所述接地电极、所述参考电极和所述作用电极分别连接，将所述作用电极接收到的信号减去所述参考电极接收到的信号以作为脑电波信号输出，所述脑电波信号的采样频率为256Hz；

微控制器，与所述信号接收单元连接，从所述脑电波信号中解析出其中的α波、β波和θ波，所述α波的频率范围为8-14Hz，所述β波的频率范围为14-30Hz，所述θ波的频率范围为4-8Hz，分别计算功率以获得α波功率、β波功率和θ波功率，将α波功率和θ波功率相加后除以β波功率获得的除值作为脑电波状态检测因子。

所述飞思卡尔IMX6处理器4与所述SDRAM、所述脑电波检测头盔2和所述方向盘运动传感器1分别连接，当接收到的静止持续时间大于等于所述静止时间阈值时，进入状态检测模式，当接收到的静止持续时间小于所述静止时间阈值时，退出状态检测模式。

其中，所述飞思卡尔IMX6处理器4在状态检测模式中，当脑电波状态检测因子大于等于所述第一检测因子阈值时，输出睡眠状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第一检测因子阈值但大于等于所述第二检测因子阈值时，输出疲倦状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第二检测因子阈值时，输出清醒状态信号。

可选地，在所述识别系统中：所述用户输入设备为触摸屏或输入键盘；所示识别系统还包括：显示设备，与所述飞思卡尔IMX6处理器4连接，用于实时显示与所述睡眠状态信号、所述疲倦状态信号或所述清醒状态信号对应的提醒文字；所述显示设备为液晶显示屏，所述用户输入设备为与所述液晶显示屏集成在一起的触摸屏；以及所述显示设备还与所述方向盘运动传感器1连接，以实时显示汽车方向盘的静止持续时间。

另外，现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块(比如加法器和乘法器)和内置的记忆体。因此一个有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

采用本发明的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，针对现有识别系统模式因为没有全程检测而导致功耗大、给驾驶员带来负担重的技术问题，采用方向盘运动传感器用于检测汽车方向盘的运动状态，以汽车方向盘静止持续时间为触发条件，触发或暂停对驾驶员的状态识别，同时依靠有效的实验室数据，提高了高精度的状态识别模式，使得本发明在保证识别效果的同时，避免供电设备电力的不必要的消耗，提高驾驶员的驾驶乐趣。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于，所述识别系统包括方向盘运动传感器、脑电波检测头盔、无线通信接口和飞思卡尔IMX6处理器，所述方向盘运动传感器用于检测汽车方向盘的运动状态，所述脑电波检测头盔用于检测驾驶员的脑电波特征，所述飞思卡尔IMX6处理器与所述方向盘运动传感器、所述脑电波检测头盔和所述无线通信接口分别连接，基于所述运动状态确定是否启动所述脑电波检测头盔的检测操作，并在启动所述检测操作后，根据对所述脑电波特征的分析结果确定驾驶员的当前驾驶状态，将当前驾驶状态发送给所述无线通信接口。

2.如权利要求1所述的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于，所述识别系统还包括：

用户输入设备，用于根据用户的操作，接收用户输入的静止时间阈值、第一检测因子阈值和第二检测因子阈值，所述第一检测因子阈值大于所述第二检测因子阈值；

SDRAM，连接所述用户输入设备，用于接收并存储所述静止时间阈值、所述第一检测因子阈值和所述第二检测因子阈值；

高清摄像头，包括CMOS传感器和辅助光源，所述CMOS传感器对驾驶员面部进行拍摄以获得面部图像，所述辅助光源为所述CMOS传感器的拍摄提供照明辅助光，所述照明辅助光的强度与所述辅助光源周围环境的光线亮度成反比，所述面部图像的分辨率为1280×720；

供电设备，包括太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

所述无线通信接口与所述飞思卡尔IMX6处理器和所述高清摄像头分别连接，包括：

图像复合单元，与所述飞思卡尔IMX6处理器和所述高清摄像头分别连接，用于将与睡眠状态信号、疲惫状态信号或清醒状态信号对应的提醒文字复合到所述面部图像上以形成复合图像；

图像压缩单元，与所述图像复合单元连接，用于基于MPEG-4压缩标准对所述复合图像进行图像压缩以获得压缩复合图像；

无线收发单元，与所述图像压缩单元连接，用于将所述压缩复合图像无线发送到驾驶员所在单位局域网和驾驶员所在单位负责人的移动终端；

所述方向盘运动传感器连接汽车方向盘，用于检测汽车方向盘的静止持续时间；

所述脑电波检测头盔包括：

接地电极，放置于驾驶员的头前部中点，用于排除干扰；

参考电极，作为驾驶员身体相对零电位点的电极，采用双耳垂接法放置于驾驶员的耳垂上；

作用电极，放置于驾驶员的头皮上；

信号接收单元，与所述接地电极、所述参考电极和所述作用电极分别连接，将所述作用电极接收到的信号减去所述参考电极接收到的信号以作为脑电波信号输出，所述脑电波信号的采样频率为256Hz；

微控制器，与所述信号接收单元连接，从所述脑电波信号中解析出其中的α波、β波和θ波，所述α波的频率范围为8-14Hz，所述β波的频率范围为14-30Hz，所述θ波的频率范围为4-8Hz，分别计算功率以获得α波功率、β波功率和θ波功率，将α波功率和θ波功率相加后除以β波功率获得的除值作为脑电波状态检测因子；

所述飞思卡尔IMX6处理器与所述SDRAM、所述脑电波检测头盔和所述方向盘运动传感器分别连接，当接收到的静止持续时间大于等于所述静止时间阈值时，进入状态检测模式，当接收到的静止持续时间小于所述静止时间阈值时，退出状态检测模式；

其中，所述飞思卡尔IMX6处理器在状态检测模式中，当脑电波状态检测因子大于等于所述第一检测因子阈值时，输出睡眠状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第一检测因子阈值但大于等于所述第二检测因子阈值时，输出疲倦状态信号，当脑电波状态检测因子小于所述第二检测因子阈值时，输出清醒状态信号。

3.如权利要求2所述的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于：

所述用户输入设备为触摸屏或输入键盘。

4.如权利要求2所述的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于，所述识别系统还包括：

显示设备，与所述飞思卡尔IMX6处理器连接，用于实时显示与所述睡眠状态信号、所述疲倦状态信号或所述清醒状态信号对应的提醒文字。

5.如权利要求4所述的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于：

所述显示设备为液晶显示屏，所述用户输入设备为与所述液晶显示屏集成在一起的触摸屏。

6.如权利要求4或5所述的基于方向盘检测的驾驶员状态识别系统，其特征在于：

所述显示设备还与所述方向盘运动传感器连接，以实时显示汽车方向盘的静止持续时间。