CN107123340A - 一种自动检测驾驶人观察状态的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动检测驾驶人观察状态的方法，采用分别安装在驾驶人头部和机动车车上的三轴陀螺仪来实时检测驾驶人和机动车的空间姿态，再通过计算得到驾驶人相对于机动车的运动姿态，从而得到机动车行驶过程中的驾驶人观察状态，并结合当前进行的考试项目和评判标准，对驾驶人考试成绩进行自动评判，实现驾驶人道路驾驶技能考试的自动化。本发明结构简单，设计巧妙，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及机动车驾驶管理部门的道路驾驶技能考试系统技术领域，具体为一种自动检测驾驶人观察状态的方法。
背景技术
根据公安部《机动车驾驶证申领和使用规定》的最新要求，在机动车驾驶证申领过程中，申请人必须通过道路交通安全法律、法规和相关知识考试科目(简称“科目一”)、场地驾驶技能考试科目(简称“科目二”)、道路驾驶技能和安全文明驾驶常识考试科目(简称“科目三”)三个科目的考试。规定中对每个科目的考试评判要求做了明确说明。
在道路驾驶技能(科目三)考试科目中，对申请人在驾驶程中是否能适时地观察后视镜和左右方交通情况做了重点考核要求，分别有：
(1)视线离开行驶方向超过2秒的，不合格；
(2)起步前，未观察内、外后视镜，未侧头观察后方交通情况的，不合格；
(3)直线行驶时，不适时通过内、外后视镜观察后方交通情况的，扣10分；
(4)变更车道前，未通过内、外后视镜观察后方道路交通情况的，不合格；
(5)停车前，不通过内、外后视镜观察后方和右侧交通情况的，不合格；
(6)停车后，在车内开门前不侧头观察侧后方和左侧交通情况的，不合格；
(7)路口直行、路口左转、路口右转时，不观察左、右方交通情况，转弯通过路口时，未观察侧前方交通情况的，不合格；
(8)通过人行横道、学校区域、公交站台时，不观察左、右方交通情况的，不合格；
(9)超车时，未侧头观察被超越车辆动态的，不合格；
(10)掉头时，不能正确观察交通情况选择掉头时机的，不合格。
这些考试项目都要求对驾驶人的观察状态进行实时检测，并根据考试评判规则自动给出驾驶人的考试成绩。
目前国内在用的科目三考试系统对这些考核要求或者采用由考试员人工评判、或者采用计算机视频图像处理技术来完成。采用由考试员人工评判的方法，在警力不足的情况下(国内很多科目三考场只配备1至2名考试员)，这些考核要求基本被忽略，造成考试难度降低，达不到筛选合格驾驶员的目的。采用计算机视频图像处理技术来检测驾驶人观察状态的方法，是利用摄像机实时采集驾驶人的面部视频流，并送入计算机处理，计算机通过对输入的视频图像处理，确定驾驶人的面部(或眼睛)特征，进而确定驾驶人的视线方向，也即确定驾驶人的观察状态；这种方法受外界光线变化影响大，容易产生误判，导致检测准确度不高，难于在实际考试中真正使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自动检测驾驶人观察状态的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于其包括该自动检测驾驶人观察状态的方法包括驾驶人和机动车的空间姿态检测、驾驶人相对于机动车的运动姿态检测和驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判；其中：
驾驶人和机动车的空间姿态检测中驾驶人、机动车在实际空间中的姿态用三维立体坐标系进行描述，采用东北天坐标系来描述驾驶人和机动车在空间中的姿态、以及驾驶人相对于机动车的观察姿态，该坐标系以指向正东方的坐标轴为X轴，以指向正北方的坐标轴为Y轴，以垂直向上的坐标轴为Z轴；在驾驶人、机动车姿态发生绕X轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕Y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕Z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示，采用分别安装在驾驶人头部和机动车车上的三轴陀螺仪来实时检测的机动车空间姿态αC、βC、γC、和驾驶人的空间姿态αD、βD、γD，安装在驾驶人头部的三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，Z轴垂直向上，而安装在机动车车上的三轴陀螺仪固定在驾驶室顶部且Y轴与机动车前后车身方向保持平行，并指向机动车行驶正前方，Z轴垂直向上；
由此获得驾驶人相对于机动车的运动姿态，其中：
△αD＝αD-αC；
△βD＝βD-βC；
△γD＝γD-γC；
由于α、β、γ分别表示驾驶人、机动车绕X轴偏转的俯仰角、绕Y轴偏转的横滚角和绕Z轴偏转的偏航角，所以△αD表示驾驶人与机动车在X轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的抬头或低头运动，△αD为正表示抬头，为负表示低头，等于零表示与机动车行驶方向保持一致；△βD表示驾驶人与机动车在Y轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的歪头运动，△βD为正表示向右歪头，为负表示向左歪头，等于零表示头部与机动车行驶方向保持垂直，即正常驾驶姿势；△γD表示驾驶人与机动车在Z轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的头部偏转运动，△γD为正表示头部向左偏转，观察视线指向机动车左边，为负表示头部向右偏转，观察视线指向机动车右边，等于零表示头部视线方向与机动车行驶方向保持一致，即指向正前方。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
优选地，所述三轴陀螺仪采用JY901倾角仪，其核心为运动处理传感器MPU6050；MPU6050是一种集成了一个嵌入式3轴MEMS陀螺仪、一个3轴MEMS加速度计和一个数字运动处理器的片上系统，可以实时检测运动物体的三维加速度、三维角速度、三维角度等参数，其三维加速度、三维角速度、三维角度的检测精度分别达到0.01g、0.05°/s和0.01°；JY901倾角仪采集数据输出及与上位机的通讯采用串口RS232模式。
优选地，在实际采集驾驶人观察状态之前，把一片JY901倾角仪水平安装在机动车车身上，保持其上MPU6050的Y轴与机动车前后车身保持平行并指向机动车行驶前方；把一片JY901倾角仪镶嵌在织带上，考试时该织带戴在驾驶人头上，使织带上的JY901倾角仪与地面保持平行，其上MPU6050的Y轴方向与驾驶人视线方向保持一致；采用一个串口服务器ETH002把二片JY901倾角仪连接到驾驶人车载考试系统，该串口服务器ETH002把二路串口RS232数据与以太网口数据进行双向互传，把二片JY901倾角仪通过串口连接线分别连接到ETH002的串口，把串口服务器ETH002通过网线连接到车载考试系统的交换机，实现考试系统工控机与二片JY901倾角仪的数据通信。
优选地，驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判的具体步骤如下：
步骤一、对二片JY901倾角仪的二片工作状态进行设置；设置回传数据为三维角度值，JY901倾角仪回传基于东北天坐标系的角度值回传，即只回传采集的俯仰角、横滚角和偏航角；设置JY901倾角仪RS232串口通信速率为9600bps；设置回传数据的刷新率为10Hz，即对驾驶人、机动车的空间姿态每隔100ms采样1次，满足采样实时性要求；设置JY901倾角仪的X轴、Y轴和Z轴的角速度零偏值为零；
步骤二、正式考试前，车载考试系统发出语音提示，提醒驾驶人保持正确坐姿，眼睛平视前方，此时车载工控机从机动车JY901倾角仪读取机动车的空间姿态为αC0、βC0、γC0，从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态为αD0、βD0、γD0，计算：
△αD0＝αD0-αC0，
△γD0＝γD0-γC0，
△αD0、△γD0作为驾驶人个性化观察姿态值；
步骤三、开始考试后，工控机每间隔100毫秒分别从机动车JY901倾角仪读取1次机动车的空间姿态αC、βC、γC，以及从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态αD、βD、γD；
步骤四、对机动车空间姿态的俯仰角αC、偏航角γC和驾驶人头部空间姿态的俯仰角αD、偏航角γD进行条件滑窗滤波，消除检测过程中的干扰和噪声，滑窗的数据个数值N＝8，得到第i次检测时机动车空间姿态值αCi、γCi和驾驶人头部空间姿态值αDi、γDi。
步骤五，考虑驾驶人个性化观察姿态值，计算：
△αDi＝αDi-αCi-△αD0，
△γDi＝γDi-γCi-△γD0，
△αDi、△γDi为考虑驾驶人个性化观察姿态后相对于考车的观察状态，也即驾驶人的实际观察状态；
步骤六、归一化驾驶人的观察状态：
△αDi<-15°，驾驶人低头，观察视线向下，指向机动车仪表板或其以下；
-15°≤△αDi≤15°，驾驶人观察视线居中，为正常驾驶状态；
△αDi>15°，驾驶人抬头，观察视线向上，指向机动车车顶；
△γDi<-60°，驾驶人向右偏头，视线向右，观察机动车右边交通状况；
-60°≤△γDi≤45°，驾驶人观察视线向前，与机动车行驶方向一致，观察机动车前方交通状况；
△γDi>45°，驾驶人向左偏头，视线向左，观察机动车左边交通状况。
步骤七、统计△αDi<-15°，△αDi>15°，△γDi<-60°，△γDi>45°连续出现的次数是否达到20次，如果达到，评判驾驶人视线偏离机动车行驶方向连续超过2秒，考试成绩不合格；
步骤八、结合正在进行的驾驶技能考试项目，统计在规定时间内△γDi<-60°，△γDi>45°出现的次数，连续出现的算1次，给出驾驶人考试时观察状态的成绩；
步骤九、考试结束，给出驾驶人包括驾驶观察状态在内的评判结果和总成绩；然后转入步骤二，对下一个驾驶人进行考试。
优选地，所述驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判为驾驶人考试开始前，需要把一个三轴陀螺仪安装在机动车上，使机动车上的三轴陀螺仪的Y轴与机动车前后车身方向保持平行并指向机动车行驶正前方，其Z轴垂直向上；同时把一个三轴陀螺仪佩戴在驾驶人头部，使头上的三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，其Z轴垂直向上，考试开始后，车上的三轴陀螺仪通过串口或USB口，定时把机动车的空间姿态αC、βC、γC发送到考试系统的车载工控机，驾驶人头部的三轴陀螺仪也通过串口或USB口，定时把驾驶人头部的空间姿态αD、βD、γD发送到考试系统的车载工控机；车载工控机接收到αC、βC、γC、αD、βD、γD数据后，对αC、γC、αD、γD四个参数进行条件滑窗滤波处理，消除检测过程中的干扰和噪声，而后求出参数△αD和△γD的数值，对驾驶人的视线观察方向进行判断，结合正在进行的具体考试项目对驾驶人观察视线的要求，完成对驾驶人考试成绩的评判。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对机动车、驾驶人空间姿态的测量，在计算出驾驶人相对于机动车的姿态变化后得到驾驶人的观察状态，进而实现驾驶人道路驾驶技能考试的自动化，并且：
(1)本发明实现了驾驶人视线观察方向的自动检测和考试成绩的自动评判，避免出现以前因不检测而导致的考试标准降低问题，或因人工检测带来的人为因素对考试结果的消极影响；
(2)本发明采用三轴陀螺仪结合计算机抗干扰算法，实现驾驶人视线观察方向的检测，不受外界光干扰的任何影响，也能有效抑制外界电磁干扰对检测结果的影响，可适用于任何需要检测驾驶人观察视线的场合；
(3)本发明检测精度高，因三轴陀螺仪是成熟的惯性导航传感器，相比原来基于视频图像处理的检测方法，能够对驾驶人观察视线方向进行定量检测，得到高精度的驾驶人观察视线方向数据；
(4)本发明工作稳定可靠；三轴陀螺仪通常应用于各种飞行器的运动姿态检测，对环境温度、湿度适应性广，抗颠簸、震动性好，用于驾驶人观察视线方向的检测具有极高的工作稳定性；
(5)本发明安装简单，车上安装的三轴陀螺仪只要用螺丝水平固定在车身上、保持三轴陀螺仪Y轴与车身前后方向保持平行就可以，驾驶人佩戴的三轴陀螺仪只要事先镶嵌在一条头带内，考试时将头带套在头上就可以；
(6)本发明使用成本低，价格便宜；本发明使用的三轴陀螺仪已普遍采用微机电系统(MEMS)技术生产制造，集成度高，价格便宜，本方法使用的计算机也是考试系统中原有的工控机，几乎无需增加其它设备。
附图说明
图1为本发明的功能模块图；
图2为本发明中东北天坐标系的示意图；
图3为本发明中三轴陀螺仪安装位置的示意图；
图4为本发明中驾驶技能考试观察状态评分表的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，本发明提供一种自动检测驾驶人观察状态的方法的具体实施例，包括驾驶人和机动车的空间姿态检测、驾驶人相对于机动车的运动姿态检测、驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判；其中：
驾驶人和机动车的空间姿态检测中驾驶人、机动车在实际空间中的姿态可以用三维立体坐标系进行描述，采用东北天坐标系来描述驾驶人和机动车在空间中的姿态、以及驾驶人相对于机动车的观察姿态，该坐标系以指向正东方的坐标轴为X轴，以指向正北方的坐标轴为Y轴，以垂直向上的坐标轴为Z轴；在驾驶人、机动车姿态发生绕X轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕Y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕Z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示，三轴陀螺仪是一种自动检测空间物体运动姿态的传感器，它通过对物体在三维空间里三个方向(X、Y、Z)的角速度测量，可以实时检测出物体的空间姿态(α、β、γ)，采用分别安装在驾驶人头部和机动车车上的三轴陀螺仪来实时检测驾驶人和机动车的空间姿态(αD、βD、γD)、(αC、βC、γC)，安装在驾驶人头部的三轴陀螺仪用头带固定在驾驶人头上，同时保持三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，Z轴垂直向上，安装在机动车车上的三轴陀螺仪用螺丝固定在驾驶室顶部，同时保持三轴陀螺仪的Y轴与机动车前后车身方向保持平行，并指向机动车行驶正前方，Z轴垂直向上；
驾驶人相对于机动车的运动姿态检测通过三轴陀螺仪的检测和数据处理后，已知机动车的空间姿态(αC、βC、γC)，即通过安装在车身上的三轴陀螺仪可以实时检测得到机动车的行驶方向；已知驾驶人的空间姿态(αD、βD、γD)，即通过固定在驾驶人头部的三轴陀螺仪可以实时检测得到驾驶人的头部运动姿态，进而得到驾驶人的空间视线方向(即空间观察状态)；驾驶人相对于机动车的运动姿态，或驾驶人相对于机动车的视线方向(即观察状态)为(△αC、△βC、△γC)，其中：
△αD＝αD-αC；
△βD＝βD-βC；
△γD＝γD-γC；
由于α、β、γ分别表示驾驶人、机动车绕X轴偏转的俯仰角、绕Y轴偏转的横滚角和绕Z轴偏转的偏航角，所以△αD表示驾驶人与机动车在X轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的抬头或低头运动，△αD为正表示抬头，为负表示低头，等于零表示与机动车行驶方向保持一致；△βD表示驾驶人与机动车在Y轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的歪头运动，△βD为正表示向右歪头，为负表示向左歪头，等于零表示头部与机动车行驶方向保持垂直，即正常驾驶姿势；△γD表示驾驶人与机动车在Z轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的头部偏转运动，△γD为正表示头部向左偏转，观察视线指向机动车左边，为负表示头部向右偏转，观察视线指向机动车右边，等于零表示头部视线方向与机动车行驶方向保持一致，即指向正前方；
驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判为驾驶人考试开始前，需要把一个三轴陀螺仪安装在考车上，使车上的三轴陀螺仪的Y轴与机动车前后车身方向保持平行并指向机动车行驶正前方，其Z轴垂直向上；同时把一个三轴陀螺仪镶嵌在头带上，并佩戴在驾驶人头部，使头上的三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，其Z轴垂直向上，考试开始后，车上的三轴陀螺仪通过串口或USB口，定时把机动车的空间姿态(αC、βC、γC)发送到考试系统的车载工控机，驾驶人头部的三轴陀螺仪也通过串口或USB口，定时把驾驶人头部的空间姿态(αD、βD、γD)发送到考试系统的车载工控机；车载工控机接收到(αC、βC、γC)、(αD、βD、γD)数据后，对αC、γC、αD、γD四个参数进行条件滑窗滤波处理，消除检测过程中的干扰和噪声，而后求出参数△αD和△γD的数值，对驾驶人的视线观察方向进行判断，结合正在进行的具体考试项目对驾驶人观察视线的要求，完成对驾驶人考试成绩的评判。其中条件滑窗滤波处理中，若本次测量值偏差绝对值大于前期测量值偏差绝对平均值的3倍，则用上一个测量值来取代本次测量值，以消除外界干扰的影响；若本次测量值偏差绝对值不大于前期测量值偏差绝对平均值的3倍，则用本次测量值与最近7次测量值的平均值作为本次测量结果输出，以平滑噪声对测量值的影响。条件滑窗滤波处理的具体参考文献可以参见数字滤波理论。
三轴陀螺仪采用JY901倾角仪，用来检测机动车和驾驶人的空间姿态，JY901倾角仪的尺寸为15.24mm×15.24mm×2mm；JY901倾角仪的核心是运动处理传感器MPU6050，MPU6050是一种集成了一个嵌入式3轴MEMS陀螺仪、一个3轴MEMS加速度计和一个数字运动处理器的片上系统，可以实时检测运动物体的三维加速度、三维角速度、三维角度等参数，其三维加速度、三维角速度、三维角度的检测精度分别达到0.01g、0.05°/s和0.01°；JY901倾角仪采集数据输出及与上位机的通讯采用串口RS232模式。
在实际采集驾驶人观察状态前，把一片JY901倾角仪水平安装在考车车身上，只要保持其上MPU6050的Y轴与考车前后车身保持平行并指向考车行驶前方，安装在任何位置都可以；把一片JY901倾角仪镶嵌在丝绵织带上，考试时该丝绵织带戴在驾驶人头上，使丝绵织带上的JY901倾角仪与地面保持平行，其上MPU6050的Y轴方向与驾驶人视线方向保持一致；采用一个串口服务器ETH002把二片JY901倾角仪连接到驾驶人车载考试系统，该串口服务器ETH002可以把二路串口RS232数据与以太网口数据进行双向互传，把二片JY901倾角仪通过串口连接线分别连接到ETH002的串口，把串口服务器ETH002通过网线连接到车载考试系统的交换机，实现考试系统工控机(即姿态检测单元的上位机)与二片JY901倾角仪的数据通信。
驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判的具体步骤如下：
步骤一，对二片JY901倾角仪的二片工作状态进行设置；设置回传数据为三维角度值，JY901倾角仪采集的数据类型众多，这里只选择其回传基于东北天坐标系的角度值回传，即只回传采集的俯仰角、横滚角和偏航角；设置JY901倾角仪RS232串口通信速率为9600bps；设置回传数据的刷新率为10Hz，即对驾驶人、机动车的空间姿态每隔100ms采样1次，满足采样实时性要求；设置JY901倾角仪的X轴、Y轴和Z轴的角速度零偏值为零。
步骤二，正式考试前，车载考试系统发出语音提示，提醒驾驶人保持正确坐姿，眼睛平视前方，此时车载工控机从考车JY901倾角仪读取考车的空间姿态为(αC0、βC0、γC0)，从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态为(αD0、βD0、γD0)，计算：
△αD0＝αD0-αC0，
△γD0＝γD0-γC0，
△αD0、△γD0作为驾驶人个性化观察姿态值。
步骤三，开始考试后，工控机每间隔100毫秒分别从考车JY901倾角仪读取1次考车的空间姿态(αC、βC、γC)，以及从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态(αD、βD、γD)。
步骤四，对考车空间姿态的俯仰角αC、偏航角γC和驾驶人头部空间姿态的俯仰角αD、偏航角γD进行条件滑窗滤波，消除检测过程中的干扰和噪声，滑窗的数据个数值N＝8，得到第i次检测时考车空间姿态(αCi、γCi)值和驾驶人头部空间姿态(αDi、γDi)值。
步骤五，考虑驾驶人个性化观察姿态值，计算：
△αDi＝αDi-αCi-△αD0，
△γDi＝γDi-γCi-△γD0，
△αDi、△γDi为考虑驾驶人个性化观察姿态后相对于考车的观察状态，也即驾驶人的实际观察状态。
步骤六，归一化驾驶人的观察状态：
△αDi<-15°，驾驶人低头，观察视线向下，指向机动车仪表板或其以下；
-15°≤△αDi≤15°，驾驶人观察视线居中，为正常驾驶状态；
△αDi>15°，驾驶人抬头，观察视线向上，指向机动车车顶；
△γDi<-60°，驾驶人向右偏头，视线向右，观察机动车右边交通状况；
-60°≤△γDi≤45°，驾驶人观察视线向前，与机动车行驶方向一致，观察机动车前方交通状况；
△γDi>45°，驾驶人向左偏头，视线向左，观察机动车左边交通状况。
步骤七，统计△αDi<-15°，△αDi>15°，△γDi<-60°，△γDi>45°连续出现的次数是否达到20次，如果达到，评判驾驶人视线偏离考车行驶方向连续超过2秒，考试成绩不合格。
步骤八，结合正在进行的驾驶技能考试项目，统计在规定时间内△γDi<-60°，△γDi>45°出现的次数，连续出现的算1次，给出驾驶人考试时观察状态的成绩，具体根据图4的表进行评判。
步骤九，考试结束，给出驾驶人包括驾驶观察状态在内的评判结果和总成绩；然后转入步骤二，对下一个驾驶人进行考试。
本发明通过对机动车、驾驶人空间姿态的测量，在计算出驾驶人相对于机动车的姿态变化后得到驾驶人的观察状态，进而实现驾驶人道路驾驶技能考试的自动化，并且：
(1)本发明实现了驾驶人视线观察方向的自动检测和考试成绩的自动评判，避免出现以前因不检测而导致的考试标准降低问题，或因人工检测带来的人为因素对考试结果的消极影响；
(2)本发明采用三轴陀螺仪结合计算机抗干扰算法，实现驾驶人视线观察方向的检测，不受外界光干扰的任何影响，也能有效抑制外界电磁干扰对检测结果的影响，可适用于任何需要检测驾驶人观察视线的场合；
(3)本发明检测精度高，因三轴陀螺仪是成熟的惯性导航传感器，相比原来基于视频图像处理的检测方法，能够对驾驶人观察视线方向进行定量检测，得到高精度的驾驶人观察视线方向数据；
(4)本发明工作稳定可靠；三轴陀螺仪通常应用于各种飞行器的运动姿态检测，对环境温度、湿度适应性广，抗颠簸、震动性好，用于驾驶人观察视线方向的检测具有极高的工作稳定性；
(5)本发明安装简单，车上安装的三轴陀螺仪只要用螺丝水平固定在车身上、保持三轴陀螺仪Y轴与车身前后方向保持平行就可以，驾驶人佩戴的三轴陀螺仪只要事先镶嵌在一条头带内，考试时将头带套在头上就可以；
(6)本发明使用成本低，价格便宜；本发明使用的三轴陀螺仪已普遍采用微机电系统(MEMS)技术生产制造，集成度高，价格便宜，本方法使用的计算机也是考试系统中原有的工控机，几乎无需增加其它设备。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于其包括该自动检测驾驶人观察状态的方法包括驾驶人和机动车的空间姿态检测、驾驶人相对于机动车的运动姿态检测和驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判；其中：
驾驶人和机动车的空间姿态检测中驾驶人、机动车在实际空间中的姿态用三维立体坐标系进行描述，采用东北天坐标系来描述驾驶人和机动车在空间中的姿态、以及驾驶人相对于机动车的观察姿态，该坐标系以指向正东方的坐标轴为X轴，以指向正北方的坐标轴为Y轴，以垂直向上的坐标轴为Z轴；在驾驶人、机动车姿态发生绕X轴偏转时，其偏转角称为俯仰角，用α表示；绕Y轴偏转时，其偏转角称为横滚角，用β表示；绕Z轴偏转时，其偏转角称为偏航角，用γ表示，采用分别安装在驾驶人头部和机动车车上的三轴陀螺仪来实时检测的机动车空间姿态αC、βC、γC、和驾驶人的空间姿态αD、βD、γD，安装在驾驶人头部的三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，Z轴垂直向上，而安装在机动车车上的三轴陀螺仪固定在驾驶室顶部且Y轴与机动车前后车身方向保持平行，并指向机动车行驶正前方，Z轴垂直向上；
由此获得驾驶人相对于机动车的运动姿态，其中：
△αD＝αD-αC；
△βD＝βD-βC；
△γD＝γD-γC；
由于α、β、γ分别表示驾驶人、机动车绕X轴偏转的俯仰角、绕Y轴偏转的横滚角和绕Z轴偏转的偏航角，所以△αD表示驾驶人与机动车在X轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的抬头或低头运动，△αD为正表示抬头，为负表示低头，等于零表示与机动车行驶方向保持一致；△βD表示驾驶人与机动车在Y轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的歪头运动，△βD为正表示向右歪头，为负表示向左歪头，等于零表示头部与机动车行驶方向保持垂直，即正常驾驶姿势；△γD表示驾驶人与机动车在Z轴向发生的角度偏离，即驾驶人相对于机动车发生的头部偏转运动，△γD为正表示头部向左偏转，观察视线指向机动车左边，为负表示头部向右偏转，观察视线指向机动车右边，等于零表示头部视线方向与机动车行驶方向保持一致，即指向正前方。
2.如权利要求1所述的一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于：所述三轴陀螺仪采用JY901倾角仪，其核心为运动处理传感器MPU6050。
3.如权利要求2所述的一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于：在实际采集驾驶人观察状态之前，把一片JY901倾角仪水平安装在机动车车身上，保持其上MPU6050的Y轴与机动车前后车身保持平行并指向机动车行驶前方；把一片JY901倾角仪镶嵌在织带上，考试时该织带戴在驾驶人头上，使织带上的JY901倾角仪与地面保持平行，其上MPU6050的Y轴方向与驾驶人视线方向保持一致；采用一个串口服务器ETH002把二片JY901倾角仪连接到驾驶人车载考试系统，该串口服务器ETH002把二路串口RS232数据与以太网口数据进行双向互传，把二片JY901倾角仪通过串口连接线分别连接到ETH002的串口，把串口服务器ETH002通过网线连接到车载考试系统的交换机，实现考试系统工控机与二片JY901倾角仪的数据通信。
4.如权利要求2所述的一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于：驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判的具体步骤如下：
步骤一、对二片JY901倾角仪的二片工作状态进行设置；设置回传数据为三维角度值，JY901倾角仪回传基于东北天坐标系的角度值回传，即只回传采集的俯仰角、横滚角和偏航角；设置JY901倾角仪RS232串口通信速率为9600bps；设置回传数据的刷新率为10Hz，即对驾驶人、机动车的空间姿态每隔100ms采样1次，满足采样实时性要求；设置JY901倾角仪的X轴、Y轴和Z轴的角速度零偏值为零；
步骤二、正式考试前，车载考试系统发出语音提示，提醒驾驶人保持正确坐姿，眼睛平视前方，此时车载工控机从机动车JY901倾角仪读取机动车的空间姿态为αC0、βC0、γC0，从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态为αD0、βD0、γD0，计算：
△αD0＝αD0-αC0，
△γD0＝γD0-γC0，
△αD0、△γD0作为驾驶人个性化观察姿态值；
步骤三、开始考试后，工控机每间隔100毫秒分别从机动车JY901倾角仪读取1次机动车的空间姿态αC、βC、γC，以及从驾驶人头戴JY901倾角仪读取驾驶人头部的空间姿态αD、βD、γD；
步骤四、对机动车空间姿态的俯仰角αC、偏航角γC和驾驶人头部空间姿态的俯仰角αD、偏航角γD进行条件滑窗滤波，消除检测过程中的干扰和噪声，滑窗的数据个数值N＝8，得到第i次检测时机动车空间姿态值αCi、γCi和驾驶人头部空间姿态值αDi、γDi。
步骤五，考虑驾驶人个性化观察姿态值，计算：
△αDi＝αDi-αCi-△αD0，
△γDi＝γDi-γCi-△γD0，
△αDi、△γDi为考虑驾驶人个性化观察姿态后相对于考车的观察状态，也即驾驶人的实际观察状态；
步骤六、归一化驾驶人的观察状态：
△αDi<-15°，驾驶人低头，观察视线向下，指向机动车仪表板或其以下；
-15°≤△αDi≤15°，驾驶人观察视线居中，为正常驾驶状态；
△αDi>15°，驾驶人抬头，观察视线向上，指向机动车车顶；
△γDi<-60°，驾驶人向右偏头，视线向右，观察机动车右边交通状况；
-60°≤△γDi≤45°，驾驶人观察视线向前，与机动车行驶方向一致，观察机动车前方交通状况；
△γDi>45°，驾驶人向左偏头，视线向左，观察机动车左边交通状况。
步骤七、统计△αDi<-15°，△αDi>15°，△γDi<-60°，△γDi>45°连续出现的次数是否达到20次，如果达到，评判驾驶人视线偏离机动车行驶方向连续超过2秒，考试成绩不合格；
步骤八、结合正在进行的驾驶技能考试项目，统计在规定时间内△γDi<-60°，△γDi>45°出现的次数，连续出现的算1次，给出驾驶人考试时观察状态的成绩；
步骤九、考试结束，给出驾驶人包括驾驶观察状态在内的评判结果和总成绩；然后转入步骤二，对下一个驾驶人进行考试。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种自动检测驾驶人观察状态的方法，其特征在于：所述驾驶人考试时观察状态及考试成绩评判为驾驶人考试开始前，需要把一个三轴陀螺仪安装在机动车上，使机动车上的三轴陀螺仪的Y轴与机动车前后车身方向保持平行并指向机动车行驶正前方，其Z轴垂直向上；同时把一个三轴陀螺仪佩戴在驾驶人头部，使头上的三轴陀螺仪的Y轴指向驾驶人视线正前方，其Z轴垂直向上，考试开始后，车上的三轴陀螺仪通过串口或USB口，定时把机动车的空间姿态αC、βC、γC发送到考试系统的车载工控机，驾驶人头部的三轴陀螺仪也通过串口或USB口，定时把驾驶人头部的空间姿态αD、βD、γD发送到考试系统的车载工控机；车载工控机接收到αC、βC、γC、αD、βD、γD数据后，对αC、γC、αD、γD四个参数进行条件滑窗滤波处理，消除检测过程中的干扰和噪声，而后求出参数△αD和△γD的数值，对驾驶人的视线观察方向进行判断，结合正在进行的具体考试项目对驾驶人观察视线的要求，完成对驾驶人考试成绩的评判。
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