CN106004976A - 一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置，属于控制技术领域，其包括控制器，特征在于：还包括温度传感器、注射机构和喷药机构，温度传感器检测驾驶员的指尖温度并传送给控制器，控制器分别控制连接注射机构和喷药机构；注射机构中第一变频电动机上安装齿轮，齿轮上配装齿条，齿条的一端连接注射器的推杆，第一变频电动机连接控制器的第一控制信号输出端；喷药机构中第二变频电动机的机轴上安装凸轮，凸轮连接在喷雾器的推杆上，第二变频电动机连接控制器的第二控制信号输出端。采用此控制装置能够使驾驶员的血糖浓度维持在预设的血糖浓度预警范围，从而避免驾驶员在驾驶的过程中由于血糖问题引发交通事故。

Description

一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置

技术领域

本发明属于信号处理方法与装置技术领域，具体涉及一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置。

背景技术

随着人们生活节奏不断加快，工作等压力愈来愈大，糖尿病等代谢性疾病也快速增多，已成为威胁群众生命健康的公共卫生问题。自1980年第一次流行病学调查至今，我国糖尿病患病率从不足1％增至11.6％，总人数超过9200万，糖尿病前期患病率更是高达50.1％。而《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》显示我国18岁以上居民糖尿病知晓率仅为36.1％，治疗率为33.4％。

相关文献普遍认为，与正常驾驶员相比，患有糖尿病的驾驶员发生交通事故的风险增加12％～19％。另有数据显示。1型糖尿病驾驶员发生交通事故的风险是正常驾驶员的两倍还要多。因此，对这类人群驾驶过程中血糖进行实时监测，并合理进行调控，对于减少此类交通隐患具有重大意义。

现有的辅助驾驶系统主要是通过控制车身稳定性或在极端情况下代替驾驶员进行一些操作等(刹车、巡航等)，此驾驶系统虽然可以在一定程度上避免糖尿病人群由于丧失判断力而对周围车辆和人群造成伤害，但不能解除糖尿病并发症对驾驶员自身的危害。因此，开发一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置，在确保糖尿病人自身健康不受损害的前提下，确保道路交通安全，更具有现实意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置，能够根据驾驶员的指温信息和把持方向盘的握力自动调节其血糖浓度。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：发明一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置，包括控制器，其特征在于：还包括温度传感器、压力传感器、注射机构和喷药机构，温度传感器检测驾驶员的指尖温度并传送给控制器，压力传感器检测驾驶员把持方向盘的握力并传送给控制器，控制器分别控制连接注射机构和喷药机构；

所述注射机构包括第一变频电动机，第一变频电动机上安装齿轮，齿轮上配装齿条，齿条的一端连接注射器的推杆，第一变频电动机连接控制器的第一控制信号输出端；

所述喷药机构包括第二变频电动机，第二变频电动机的机轴上安装凸轮，凸轮连接在喷雾器的推杆上，第二变频电动机连接控制器的第二控制信号输出端；

所述控制器包括给定单元、处理器单元、显示单元、第一驱动电路和第二驱动电路，给定单元为处理器单元输入血糖浓度预警范围；

处理器单元的工作步骤为：

(1)读取血糖浓度预警范围；

(2)实时同时读取驾驶员的指尖温度x和检测指尖所在手掌把持方向盘的握力c；

(3)将驾驶员把持方向盘的握力c和指尖温度x代入由基因编程方法确立的数学模型中，计算出驾驶员的血糖浓度值y；

(4)判断y是否在步骤(1)的血糖浓度范围内，如果y在血糖浓度预警范围内，则无控制信号输出；如果y高于血糖浓度预警范围的上限值，则输出控制信号驱动第一驱动电路；如果y低于血糖浓度预警范围的下限值，则输出控制信号驱动第二驱动电路；

(5)重复执行步骤(2)～(4)，直至驾驶结束，并记录该驾驶员的初次使用时间；

显示单元显示处理器单元的工作状态；

处理器单元输出的第一控制信号驱动连接第一驱动电路、第二控制信号驱动连接第二驱动电路。

优选的，所述处理器单元中数学模型的确立步骤：

a、生成染色体：染色体由头部和尾部组成，头部的各基因位随机写入运算符，尾部的各基因位随机写入代表驾驶员把持方向盘握力的c或者代表指尖温度的x构成终结符；改变基因位的内容生成不同的染色体，当染色体的数量达到N时，终止生成操作，将生成的染色体作为初始种群；

b、构建染色体的表达式树：初始种群中各染色体由其头部的运算符和尾部的终结符按基因位构成表达式树；

c、进行M次以上检测驾驶员的毛细血管血糖浓度y₀，每次同时检测指尖温度x和把持方向盘的握力c，形成当年基准；

d、将每次检测的x和c代入步骤(b)中一染色体对应的表达式，计算血糖浓度值y，然后计算该染色体的适应度值：

其中

||·||_∞表示无穷范数

y_i表示利用第i次检测的x和c计算的血糖浓度

y_0i表示第i次测量的毛细血管血糖浓度值

e、重复步骤d，直至计算完步骤a初始种群中各染色体的适应度值，选最小的适应度值对应的染色体作为当代最优染色体；

f、对步骤a初始种群中的各染色体进行选择、交叉和变异操作产生新的染色体种群，重复步骤d和e，并与上一代最优染色体的适应度值比较，如果大于，则保留上代最优染色体和其最小适应度值；如果小于，则由当代最优染色体作为最优染色体，并记录其适应度值；

g、重复步骤f，直至进化代数达到Z次，由最优染色体的表达式作为该驾驶员的数学模型。

优选的，当同一驾驶员再次驾驶时，计算此次与初次使用之间的时间t，若t≥1年时，对该驾驶员检测L次毛细血管血糖浓度，每次同时检测指尖温度和手把持方向盘的握力，与上一年的基准值共同作为当年基准值，重复d、e、f和g，对数学模型进行校准，并将校准时间作为初次使用时间。

优选的，步骤a中20≤N≤200，步骤c中M≥30，步骤g中Z≥60。

优选的，L≥3。

优选的，所述第一驱动电路和第二驱动电路均包括三极管和继电器，处理器单元控制连接三极管的控制极，三极管控制继电器的通断。

优选的，所述给定单元为输入键盘。

优选的，所述显示单元为液晶显示器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明能够通过实时检测驾驶员的指尖温度，判定其血糖浓度是否在预警范围内，如果高于其上限，说明驾驶员的血糖浓度过高，则发出控制信号，对驾驶员注射胰岛素，使血糖浓度降回预警范围；如果低于其下限，则说明驾驶员的血糖浓度过低，则发出对驾驶员进补葡萄糖的信号，使血糖浓度上升至预警范围；如果血糖浓度值位于预警范围内，则没有控制信号，仍然维持驾驶员的目前状态，从而避免驾驶员在驾驶的过程中由于血糖问题引发交通事故。

2、通过基因编程的方法建立能反应驾驶员的血糖浓度、指尖温度和检测指尖所在手掌把持方向盘的握力之间关系的数学模型，技术成熟，便于实现。

3、通过建立含有20条以上染色体的初始种群、变异次数，以及初始的毛细血管血糖检测次数，能够拟合出更能反应驾驶员血糖浓度、指尖温度和把持方向盘的握力之间关系的数学模型，从而提高血糖浓度计算的精确度，使系统更好地为驾驶员服务。

4、本发明通过调节驾驶员体内的血糖浓度，避免糖尿病急性并发症的发生，不仅减少了交通事故的发生率，还大大降低疾病对驾驶员身体的损害，对糖尿病人群具有重要的现实意义，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是控制器的电路框图；

图3是处理器单元的程序流程图；

图4是染色体结构示意图；

图5是图4中染色体的表达式树。

附图标记为：1、温度传感器；2、控制器；3、第一变频电动机；4、凸轮；5、喷雾器；6、齿条；7、第二变频电动机；8、齿轮；9、注射器；10、输入键盘；11、液晶显示器；12、处理器单元；13、第一驱动电路；14、第二驱动电路；15、输入模块；16、运算模块；17、逻辑判断模块；18、输出模块；19、压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明中设置了控制器2、温度传感器1、压力传感器19、注射机构和喷药机构，温度传感器1检测驾驶员的指尖温度并传送给控制器2，压力传感器19检测驾驶员把持方向盘的握力并传送给控制器2，控制器2分别控制连接注射机构和喷药机构；注射机构中设置第一变频电动机3，第一变频电动机3上安装齿轮8，齿轮8上配装齿条6，齿条6的一端连接注射器9的推杆，第一变频电动机3连接控制器2的第一驱动电路13输出端；喷药机构中设置第二变频电动机7，第二变频电动机7的机轴上安装凸轮4，凸轮4连接在喷雾器5的推杆上，第二变频电动机7连接控制器2的第二驱动电路14输出端。

如图2所示，控制器2中设置了输入键盘10、处理器单元12、液晶显示器11、第一驱动电路13和第二驱动电路14。其中，输入键盘10为处理器单元12设定血糖浓度预警范围；液晶显示器11显示处理器单元12的工作状态；处理器单元12输出的控制信号传送给第一驱动电路13或者第二驱动电路14。处理器单元12的工作步骤为：

(1)读取血糖浓度预警范围；

(2)实时同时读取驾驶员的指尖温度x和检测指尖所在手掌把持方向盘的握力c；

(3)将驾驶员把持方向盘的握力c和指尖温度x代入由基因编程方法确立的数学模型中，计算出驾驶员的血糖浓度值y；

(4)判断y是否在步骤(1)的血糖浓度范围内，如果y在血糖浓度预警范围内，则无控制信号输出；如果y高于血糖浓度预警范围的上限值，则输出控制信号驱动第一驱动电路；如果y低于血糖浓度预警范围的下限值，则输出控制信号驱动第二驱动电路；

(5)重复执行步骤(2)～(4)，直至驾驶结束，并记录该驾驶员的初次使用时间。

如图3所示，上述处理器单元12中的程序系统根据功能可划分为输入模块15、运算模块16、逻辑判断模块17和输出模块18。其中，输入模块15主要是接收温度传感器1检测的指尖温度x和压力传感器19检测的把持方向盘的握力等外围输入信号，并将接收的输入信号提供给运算模块16，同时为逻辑判断模块17提供血糖浓度预警范围，作为比对基准。运算模块16主要是读取输入模块15中的握力数值c和指尖温度x，代入由基因编程方法确立的数学模型中，计算出驾驶员的血糖浓度值y；逻辑判断模块17则是接收运算模块16的计算结果，判断血糖浓度值y是否在血糖浓度预警范围内；如果高于血糖浓度预警范围的上限值，则对输出模块18发出第一控制信号，驱动第一驱动电路13对驾驶员注射胰岛素；如果低于血糖浓度预警范围的下限值，则对输出模块18发出第二控制信息，驱动第二驱动电路14对驾驶员进补葡萄糖；如果刚好位于血糖浓度预警范围内，则无控制信号输出。

上述运算模块16中计算所用的数学模型是依据如下方法确立的：

a、生成染色体：染色体由头部和尾部组成，头部的各基因位随机写入运算符，尾部的各基因位随机写入代表驾驶员把持方向盘握力的c或者代表指尖温度的x构成终结符；改变基因位的内容生成不同的染色体，当染色体的数量达到N时，终止生成操作，将生成的染色体作为初始种群，例如其中一染色体如图4所示；

b、构建染色体的表达式树：初始种群中各染色体由其头部的运算符和尾部的终结符分别按基因位从左到右的顺序逐位读取，并按层次顺序构成表达式数构成表达式树，图4所示染色体的表达式树如图5所示，其对应的表达式为：

$y=(c+x)*(c-x)+\frac{x}{c}*c=c^2-x^2+x;$

c、进行30次以上检测使用者的毛细血管血糖浓度y₀，每次同时检测指尖温度x和把持方向盘的握力c，形成当年基准；

d、将每次检测的x和c代入步骤(b)中一染色体对应的表达式，计算血糖浓度值y，计算与测量值y₀的偏差，取该染色体中偏差最大值作为该染色体的适应度值：

其中

||·||_∞表示无穷范数

y_i表示利用第i次检测的x计算的血糖浓度

y_0i表示第i次测量的毛细血管血糖浓度值

e、重复步骤d，直至计算完步骤a初始种群中各染色体的适应度值，选最小的适应度值对应的染色体作为当代最优染色体；

f、对步骤a初始种群中各染色体进行选择、交叉和变异操作产生新的染色体种群，为了简化迭代程序，选择优选为轮盘赌选择算子，交叉优选为两点交叉，交叉概率为0.6≤P_c≤1，变异优选为单点变异，变异概率为0.005≤P_m≤0.05，重复步骤d和e，并与上一代最优染色体的适应度值比较，如果大于，则保留上代最优染色体和其最小适应度；如果小于，则由当代最优染色体作为最优染色体，并记录其适应度值；

g、重复步骤f，直至进化代数达到20代以上染色体，由最优染色体的表达式作为该驾驶员的数学模型。

随着使用时间的延长，为了使计算所依据的数学模型能得到较好的校准，当同一驾驶员再次驾驶时，计算此次与初次使用之间的时间t，若t≥1年时，对该驾驶员检测3次以上毛细血管血糖浓度，每次同时检测指尖温度和把持方向盘的握力，与上一年的基准值共同作为当年基准值，重复d、e、f和g，对数学模型进行校准，并以校准时间作为初次使用时间。

本发明的工作过程如下：

在驾驶员驾驶的过程中，通过安装在方向盘的温度传感器1和压力传感器19实时读取驾驶员的指尖温度x和把持方向盘的握力c，此处系统虽然可以两侧测量，只需读取一侧的指尖温度和把持方向盘的握力，读取侧可以根据驾驶员操作习惯由驾驶员设定；控制器2根据握力c和指尖温度x，计算出驾驶员的血糖浓度值y，并判断y是否在步骤(1)的血糖浓度范围内，如果y高于血糖浓度预警范围的上限值，则驱动第一驱动电路13给驾驶员注射胰岛素；如果y低于血糖浓度预警范围的下限值，则驱动第二驱动电路14给驾驶员进补葡萄糖；如果刚好位于血糖浓度预警范围内，则无控制信号输出。如此使驾驶员体内的葡萄糖浓度始终处于血糖浓度预警范围内，使其血糖正常，直至驾驶结束。

控制器2还显示其工作信息，并自动记录该驾驶员的初次使用时间，以后使用时自动计算与初次使用间的时间段t，若t≥1年时，则通过液晶显示器11提醒驾驶员输入3次以上检测的毛细血管血糖浓度，每次同时检测指尖温度和把持方向盘的握力，与上一年的基准值共同作为当年基准值，重复d、e、f和g，对数学模型进行校准，并以校准时间作为初次使用时间。

上述第一驱动电路13和第二驱动电路14均由三极管T和继电器K构成，处理器单元12对输出模块18输出第一控制信号，第一驱动电路13中的三极管T导通，继电器K的线圈得电，进入工作状态；如果处理器单元12对输出模块18输出第二控制信号，则第二驱动电路14工作。

此系统已对26名在指定路段进行驾驶的驾驶员测试，对于每位驾驶员每隔5分钟测量一次中指指尖的毛细血管血糖浓度和中指指尖温度，然后利用该系统计算的指尖血糖浓度进行对比，秩和检验的统计结果显示，毛细血管血糖浓度与利用基因编程方法取得的血糖浓度无显著差异(P>0.05)，因此使用该系统监测驾驶员驾驶过程中的血糖浓度可以认同于利用指尖测量毛细血管血糖浓度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以组合、变更或改型均为本发明的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种辅助糖尿病人驾驶的控制装置，包括控制器，其特征在于：还包括温度传感器、压力传感器、注射机构和喷药机构，温度传感器检测驾驶员的指尖温度并传送给控制器，压力传感器检测驾驶员把持方向盘的握力并传送给控制器，控制器分别控制连接注射机构和喷药机构；

所述注射机构包括第一变频电动机，第一变频电动机上安装齿轮，齿轮上配装齿条，齿条的一端连接注射器的推杆，第一变频电动机连接控制器的第一控制信号输出端；

所述喷药机构包括第二变频电动机，第二变频电动机的机轴上安装凸轮，凸轮连接在喷雾器的推杆上，第二变频电动机连接控制器的第二控制信号输出端；

所述控制器包括给定单元、处理器单元、显示单元、第一驱动电路和第二驱动电路，给定单元为处理器单元输入血糖浓度预警范围；

处理器单元的工作步骤为：

(1)读取血糖浓度预警范围；

(2)实时同时读取驾驶员的指尖温度x和检测指尖所在手掌把持方向盘的握力c；

(3)将驾驶员把持方向盘的握力c和指尖温度x代入由基因编程方法确立的数学模型中，计算出驾驶员的血糖浓度值y；

(4)判断y是否在步骤(1)的血糖浓度范围内，如果y在血糖浓度预警范围内，则无控制信号输出；如果y高于血糖浓度预警范围的上限值，则输出控制信号驱动第一驱动电路；如果y低于血糖浓度预警范围的下限值，则输出控制信号驱动第二驱动电路；

(5)重复执行步骤(2)～(4)，直至驾驶结束，并记录该驾驶员的初次使用时间；

显示单元显示处理器单元的工作状态；

处理器单元输出的第一控制信号驱动连接第一驱动电路、第二控制信号驱动连接第二驱动电路。

2.根据权利要求1所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：所述处理器单元中数学模型的确立步骤：

a、生成染色体：染色体由头部和尾部组成，头部的各基因位随机写入运算符，尾部的各基因位随机写入代表驾驶员把持方向盘握力的c或者代表指尖温度的x构成终结符；改变基因位的内容生成不同的染色体，当染色体的数量达到N时，终止生成操作，将生成的染色体作为初始种群；

b、构建染色体的表达式树：初始种群中各染色体由其头部的运算符和尾部的终结符按基因位构成表达式树；

c、进行M次以上检测驾驶员的毛细血管血糖浓度y₀，每次同时检测指尖温度x和把持方向盘的握力c，形成当年基准；

d、将每次检测的x和c代入步骤(b)中一染色体对应的表达式，计算血糖浓度值y，然后计算该染色体的适应度值：

其中

||·||_∞表示无穷范数

y_i表示利用第i次检测的x和c计算的血糖浓度

y_0i表示第i次测量的毛细血管血糖浓度值

e、重复步骤d，直至计算完步骤a初始种群中各染色体的适应度值，选最小的适应度值对应的染色体作为当代最优染色体；

f、对步骤a初始种群中的各染色体进行选择、交叉和变异操作产生新的染色体种群，重复步骤d和e，并与上一代最优染色体的适应度值比较，如果大于，则保留上代最优染色体和其最小适应度值；如果小于，则由当代最优染色体作为最优染色体，并记录其适应度值；

g、重复步骤f，直至进化代数达到Z次，由最优染色体的表达式作为该驾驶员的数学模型。

3.根据权利要求2所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：当同一驾驶员再次驾驶时，计算此次与初次使用之间的时间t，若t≥1年时，对该驾驶员检测L次毛细血管血糖浓度，每次同时检测指尖温度和手把持方向盘的握力，与上一年的基准值共同作为当年基准值，重复d、e、f和g，对数学模型进行校准，并将校准时间作为初次使用时间。

4.根据权利要求3所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：步骤a中20≤N≤200，步骤c中M≥30，步骤g中Z≥60。

5.根据权利要求4所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：L≥3。

6.根据权利要求1至5任一所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：所述第一驱动电路和第二驱动电路均包括三极管和继电器，处理器单元控制连接三极管的控制极，三极管控制继电器的通断。

7.根据权利要求6所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：所述给定单元为输入键盘。

8.根据权利要求7所述的辅助糖尿病人驾驶的控制装置，其特征在于：所述显示单元为液晶显示器。