CN108113671A - 一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，包括检测模块、预警实施模块；所述检测模块由电源单元、电极单元、带通滤波放大电路单元、蓝牙信号发射单元组成，主要完成人体表面肌电信号的采集与传输工作；所述预警实施模块由蓝牙信号接收单元、信号处理单元、语音报警单元、电机震动单元组成，主要完成人体表面肌电信号的处理，与预警实施工作；该本发明结构设计合理，节约成本，采用多选择进行人体肌肉的表面肌电信号采集，并且能够快速、准确识别肌肉疲劳状态，对利用表面肌电信号进行疲劳驾驶预警具有很大的促进作用。

Description

一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统

技术领域

本发明涉及安全驾驶领域，尤其涉及的是，一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统。

背景技术

近年来，全球汽车保有量持续递增。尤其在我国，由于人民经济条件的提高和汽车价格的下降，汽车几乎成为了每个家庭的必备品。汽车在带给我们出行便利的同时，也带来了很多的安全隐患，尤其是疲劳驾驶。虽然国家通过法律法规明令禁止疲劳驾驶，但是仍然有很多驾驶员由于长时间持续行车，产生生理机能和心理机能的失调，进而发生交通事故。并且，疲劳驾驶经常出现在高速公路，很容易酿成恶性交通事故。这主要由于两个方面：第一，由于驾驶人主观上不以为然，存在侥幸心理；第二，驾驶人主观上没有认知到自己处于疲劳驾驶，而在客观上却出现了驾驶技能下降的现象。研究表明，在驾驶员出现疲劳驾驶时，对其进行报警干预，可大大降低交通事故的发生。因此，对驾驶人进行实时监控，以及必要时刻的预警，是非常有必要的。

经过对现有技术的检索发现，中国发明专利公布号：CN 105662407A，公布日期：2016年6月15日，名称：一种基于表面肌电技术的驾驶员疲劳检测系统。该发明公开了一种基于表面肌电技术的驾驶员疲劳检测系统,包括疲劳检测终端设备和远程监控中心两部分,其中,疲劳检测终端设备设计为可穿戴头环,可穿戴头环上包括启动关闭按钮、表面肌电检测电极、数据处理与控制器、振动电机和无线发射装置。该发明利用表面肌电检测技术的原理对眼部范围内表面肌电信号的检测实现疲劳状态的检测。该实施例的方法通过本地检测预警和网络后台预警联动,可以为驾驶员疲劳检测提供了一种原理简单、实现难度相对较低、参数相关性大、准确性高的检测系统。但是该方法在进行眼部开闭运动检测时，需要将表面肌电检测电极放置于眼部周围位置，这可能会影响驾驶员的视野，或者给驾驶员造成额外的驾驶负担。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，在生物信号采集与处理领域，提供一种基于表面肌电信号技术的驾驶员疲劳检测系统，系统主要通过检测电极，检测驾驶员的肱二头肌，或者其他能够表征驾驶疲劳的肌肉的表面肌电信号，并通过放大电路和带通滤波电路进行放大、滤波处理，从而得到较为纯净的人体表面肌电信号；之后，利用傅里叶变换得到肱二头肌的频域信息，根据中心频率的变化，判断肌肉的疲劳程度，从而实现疲劳状态的检测。通过检测系统与预警系统联合工作，不仅可以实现对驾驶员驾驶状态的实时监测，并可以实现提醒功能。

为实现上述目的，本发明所采用了下述的技术方案：一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，包括检测模块、预警实施模块；所述检测模块由电源单元、电极单元、带通滤波放大电路单元、蓝牙信号发射单元组成，主要完成人体表面肌电信号的采集与传输工作；所述预警实施模块由蓝牙信号接收单元、信号处理单元、语音报警单元、电机震动单元组成，主要完成人体表面肌电信号的处理，与预警实施工作；

所述检测模块为双层结构，下层为表面肌电信号采集板，上层为无线蓝牙发射单元；所述预警实施模块为非封闭式手环结构，外体由弹性塑胶密封；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元设于表面肌电信号采集板上；所述电极单元由两片40*40mm电极片组成，并且设于检测模块最下方，直接接触被测肌肉表皮；所述电极单元与表面肌电信号采集板，通过2个纽扣式接口连接；所述表面肌电信号采集板为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；

所述无线蓝牙发射单元为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；所述表面肌电信号采集板与无线蓝牙发射单元通过4根绝缘塑料柱连接；

所述电源单元与电极单元相连，电源单元为电极单元提供5伏电压；

所述电源单元与蓝牙信号发射单元相连，电源单元为蓝牙信号发射单元提供5伏电压；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元相连，电极单元为带通滤波放大电路单元提供检测到的人体表面肌电信号，带通滤波放大电路单元将检测到的人体表面肌电信号进行滤波和放大处理；

所述带通滤波放大电路单元与蓝牙信号发射单元相连，带通滤波放大电路单元为蓝牙信号发射单元提供滤波和放大处理后的人体表面肌电信号，蓝牙信号发射单元将该信号发射给预警实施模块的蓝牙信号接收单元；

所述蓝牙信号接收单元与信号处理单元相连，蓝牙信号接收单元接收由蓝牙信号发射单元发射的人体表面肌电信号，并将其输送给信号处理单元；

所述的信号处理单元与语音报警单元相连，信号处理单元为语音报警单元提供启动信号；

所述的信号处理单元与电机震动单元相连，信号处理单元为电机震动单元提供启动信号。

优选的，所述检测模块根据实际情况，采集人体不同肌肉的表面肌电信号；将表面肌电信号进行放大与带通滤波；将表面肌电信号进行A/D转换。

优选的，所述带通滤波放大电路单元将所述的表面肌电信号进行放大处理，放大倍数为1000倍；

所述带通滤波放大电路单元中的带通滤波器的带宽设置为20赫兹到2000赫兹，用于过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。

相对于现有技术的有益效果是，采用上述方案，本发明是一种基于人体表面肌电信号的驾驶员疲劳驾驶识别系统，可实现高精度表面肌电信号数据采集，能够高效率完成数据处理与肌肉状态识别，并通过语音与电机震动两种途径进行预警，大大提高了驾驶的安全性；本发明结构设计合理，节约成本，采用多选择进行人体肌肉的表面肌电信号采集，并且能够快速、准确识别肌肉疲劳状态，对利用表面肌电信号进行疲劳驾驶预警具有很大的促进作用。

附图说明

图1为本发明各模块功能示意图；

图2为本发明工作流程图；

图3为本发明A/D转换电路图；

图4为本发明检测模块硬件结构示意图；

图5为本发明预警实施模块硬件结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。

如图1-5所示，该基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，包括检测模块、预警实施模块；所述检测模块由电源单元、电极单元、带通滤波放大电路单元、蓝牙信号发射单元组成，主要完成人体表面肌电信号的采集与传输工作；所述预警实施模块由蓝牙信号接收单元、信号处理单元、语音报警单元、电机震动单元组成，主要完成人体表面肌电信号的处理，与预警实施工作；

所述检测模块为双层结构，下层为表面肌电信号采集板，上层为无线蓝牙发射单元；所述预警实施模块为非封闭式手环结构，外体由弹性塑胶密封；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元设于表面肌电信号采集板上；所述电极单元由两片40*40mm电极片组成，并且设于检测模块最下方，直接接触被测肌肉表皮；所述电极单元与表面肌电信号采集板，通过2个纽扣式接口连接；所述表面肌电信号采集板为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；

所述无线蓝牙发射单元为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；所述表面肌电信号采集板与无线蓝牙发射单元通过4根绝缘塑料柱连接；

所述电源单元与电极单元相连，电源单元为电极单元提供5伏电压；

所述电源单元与蓝牙信号发射单元相连，电源单元为蓝牙信号发射单元提供5伏电压；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元相连，电极单元为带通滤波放大电路单元提供检测到的人体表面肌电信号，带通滤波放大电路单元将检测到的人体表面肌电信号进行滤波和放大处理；

所述带通滤波放大电路单元与蓝牙信号发射单元相连，带通滤波放大电路单元为蓝牙信号发射单元提供滤波和放大处理后的人体表面肌电信号，蓝牙信号发射单元将该信号发射给预警实施模块的蓝牙信号接收单元；

所述蓝牙信号接收单元与信号处理单元相连，蓝牙信号接收单元接收由蓝牙信号发射单元发射的人体表面肌电信号，并将其输送给信号处理单元；

所述的信号处理单元与语音报警单元相连，信号处理单元为语音报警单元提供启动信号；

所述的信号处理单元与电机震动单元相连，信号处理单元为电机震动单元提供启动信号。

优选的，所述检测模块根据实际情况，采集人体不同肌肉的表面肌电信号；将表面肌电信号进行放大与带通滤波；将表面肌电信号进行A/D转换。

优选的，所述带通滤波放大电路单元将所述的表面肌电信号进行放大处理，放大倍数为1000倍；

所述带通滤波放大电路单元中的带通滤波器的带宽设置为20赫兹到2000赫兹，用于过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。

该基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统涉及一种人体表面肌电信号的采集与识别方法，包括：检测模块，预警实施模块。所述的检测模块主要由电源单元、电极单元、带通滤波放大电路单元、蓝牙信号发射单元，共4部分组成，主要完成人体表面肌电信号的采集与传输工作，其中电源单元、带通滤波放大电路单元集成于表面肌电信号采集板上；所述的预警实施模块主要由蓝牙信号接收单元、信号处理单元、语音报警单元、电机震动单元，共4部分组成，主要完成人体表面肌电信号的处理，与预警实施工作。

所述的检测模块，可完成人体表面肌电信号的采集与传输工作。所述的预警实施模块，可完成信号的处理与预警动作实施工作。第一，电源单元给整个检测模块供电。第二，电极单元采集由于肌肉细胞收缩而产生的表面肌肉电信号。第三，带通滤波放大电路单元将表面肌肉电信号进行放大和带通滤波处理。第四，蓝牙信号发射单元将经过放大和带通滤波处理后的信号发射给预警实施模块的蓝牙信号接收单元。第五，蓝牙信号接收单元接收检测模块最终处理后的人体表面肌电信号。第六，信号处理单元将所接收到的信号进行频域分析，得到信号的频域信息，并根据得到的频域信息判断肌肉是否处于疲劳状态，并决定是否要进行预警。第七，当频域信息表明肌肉已经处于疲劳状态时，语音报警单元通过语音播报的形式提醒驾驶员需要休息，电机震动单元通过震动的形式提醒驾驶员需要休息。

本发明第一方面提供一种表面肌电信号的采集与传输方法，包括：

根据需要采集不同肌肉的表面肌电信号；

将表面肌电信号进行放大与带通滤波；

将表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送。

结合本发明第一方面，在本发明第一方面的第一种可能的实现方式中，所述根据需要采集不同肌肉的表面肌电信号，包括：可采集人体不同肌肉的表面肌电信号，例如：肱二头肌、肱三头肌、三角肌、斜方肌等肌肉。

将所述的表面肌电信号进行放大与带通滤波处理，利用电路将表面肌电信号进行1000倍放大，设置带宽为20赫兹到2000赫兹的带通滤波器，用来过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。

将所述的滤波后的表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送，利用AD7714微控制器进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号。并通过IIC接口传输给以TICC254为处理核心的蓝牙传送单元。

本发明第二方面提供一种基于表面肌电信号的肌肉疲劳检测方法，包括：根据需要采集不同肌肉的表面肌电信号；

将表面肌电信号进行放大与带通滤波；

将表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送；

特征提取；

模式识别。

结合本发明第二方面，在本发明第二方面的第一种可能的实现方式中，所述同时采集不同肌肉的表面肌电信号，包括：

可采集人体不同肌肉的表面肌电信号，例如：肱二头肌、肱三头肌、三角肌、斜方肌等肌肉。

将所述的表面肌电信号进行放大与带通滤波处理，利用差分放大电路将表面肌电信号进行1000倍放大，设置带宽为20赫兹到2000赫兹的带通滤波器，用来过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。

将所述的滤波后的表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送，利用AD7714微控制器进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号。并通过IIC接口传输给以TICC254为处理核心的蓝牙传送单元。

将所述的表面肌电信号进行特征提取，利用TIC5509芯片作为中央处理器，将表面肌电信号进行傅里叶变换，获得表面肌电信号的功率谱中心频率。

所述的模式识别，将所获得的表面肌电信号的功率谱中心频率，与驾驶员最初驾驶时所测量的功率谱中心频率进行比较，当功率谱中心频率下降20％时，即认为驾驶员出现疲劳现象。

本发明第三方面提供驾驶员疲劳驾驶预警方法，包括：

根据需要采集不同肌肉的表面肌电信号；

将表面肌电信号进行放大与带通滤波；

将表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送；

特征提取；

模式识别；

语音报警；

电机震动报警。

结合本发明第三方面，在本发明第三方面的第一种可能的实现方式中，所述同时采集不同肌肉的表面肌电信号，包括：

可采集人体不同肌肉的表面肌电信号，例如：肱二头肌、肱三头肌、三角肌、斜方肌等肌肉。

将所述的表面肌电信号进行放大与带通滤波处理，利用差分放大电路将表面肌电信号进行1000倍放大，设置带宽为20赫兹到2000赫兹的带通滤波器，用来过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。

将所述的滤波后的表面肌电信号进行A/D转换，并进行无线蓝牙传送，利用AD7714微控制器进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号。并通过IIC接口传输给以TICC254为处理核心的蓝牙传送单元。

将所述的表面肌电信号进行特征提取，利用TIC5509芯片作为中央处理器，将表面肌电信号进行傅里叶变换，获得表面肌电信号的功率谱中心频率。

所述的模式识别，将所获得的表面肌电信号的功率谱中心频率，与驾驶员最初驾驶时所测量的功率谱中心频率进行比较，当功率谱中心频率下降20％时，即认为驾驶员出现疲劳现象。

所述的语音报警，当判断驾驶员出现疲劳现象时，通过扬声器播报“您已出现疲劳驾驶现象，请立即休息”。

所述的电机震动报警，当判断驾驶员出现疲劳现象时，通过电机震动的方式提醒驾驶员已经出现疲劳驾驶现象。

本发明的进一步改进在于：能够实现高准确率的肌肉疲劳现象识别。

本发明的进一步改进在于：能够实现根据需要，测量不同部位的肌肉。本发明的进一步改进在于：能够实现多途径疲劳驾驶预警。

本发明硬件部分主要由两部分构成，即检测模块和预警实施模块。

其中，检测模块如图4所示，为上下两层结构。其中图4-a为检测模块仰视图，图4-b为检测模块侧视图。主要包括肌电信号采集电路板100，电极201，电极202，纽扣式连接口301，纽扣式连接口302，塑料柱401，塑料柱402，无线蓝牙发射单元500.

其中，预警实施模块如图5所示，为非封闭手环形状。主要包括中央处理单元600，无线蓝牙接收模块700，震动电机800，扬声器900.

步骤1、在驾驶员进行驾驶前，根据实际情况，将检测模块安置在肱二头肌或者斜方肌，或者三角肌上，安置前，用医用酒精将被测试肌肉表面进行擦拭，以提高表面肌电信号采集效果。如图4所示，在进行电极的粘贴时，将电极201置于肌肉群的中心位置，电极202置于肌肉群的末梢位置。电极201与202通过纽扣式接口301与302与肌电信号采集板连接，可在使用完毕后直接取下，更换新的电极。将预警实施模块佩戴在手腕部位，并打开开关。

步骤2、人体肌肉收缩产生生物电信号，电极201与202将人体表面肌电信号感应到，通过肌电信号采集电路板100进行放大1000倍和带通滤波处理(带通频段为20～2000Hz)。

步骤3、经过放大滤波后的表面肌肉电信号，通过IIC总线传送给无线蓝牙发射单元500，无线蓝牙发射单元500将表面肌肉电信号以无线蓝牙的形式发送出去。

步骤4、无线蓝牙接收模块700接收无线蓝牙发射单元500所传送的表面肌肉电信号，并将其送给中央处理单元600。

步骤5、中央处理单元600，将接收到的信号进行傅里叶变换，获取功率谱中心频率。

步骤6、重复步骤2～步骤5，并将实时得到的功率谱中心频率与驾驶员最初驾驶时的功率谱中心频率进行比较。当当功率谱中心频率下降20％时，即认为驾驶员出现疲劳现象，此时执行步骤7，否则继续执行步骤6.步骤7、通过扬声器播报“您已出现疲劳驾驶现象，请立即休息”。同时，电机震动20s，通过电机震动的方式提醒驾驶员已经出现疲劳驾驶现象。5分钟后执行步骤2～步骤5。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，其特征在于，包括检测模块、预警实施模块；所述检测模块由电源单元、电极单元、带通滤波放大电路单元、蓝牙信号发射单元组成，主要完成人体表面肌电信号的采集与传输工作；所述预警实施模块由蓝牙信号接收单元、信号处理单元、语音报警单元、电机震动单元组成，主要完成人体表面肌电信号的处理，与预警实施工作；

所述检测模块为双层结构，下层为表面肌电信号采集板，上层为无线蓝牙发射单元；所述预警实施模块为非封闭式手环结构，外体由弹性塑胶密封；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元设于表面肌电信号采集板上；所述电极单元由两片40*40mm电极片组成，并且设于检测模块最下方，直接接触被测肌肉表皮；所述电极单元与表面肌电信号采集板，通过2个纽扣式接口连接；所述表面肌电信号采集板为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；

所述无线蓝牙发射单元为45*90圆角长方形，四角开有圆孔；所述表面肌电信号采集板与无线蓝牙发射单元通过4根绝缘塑料柱连接；

所述电源单元与电极单元相连，电源单元为电极单元提供5伏电压；

所述电源单元与蓝牙信号发射单元相连，电源单元为蓝牙信号发射单元提供5伏电压；

所述电极单元与带通滤波放大电路单元相连，电极单元为带通滤波放大电路单元提供检测到的人体表面肌电信号，带通滤波放大电路单元将检测到的人体表面肌电信号进行滤波和放大处理；

所述带通滤波放大电路单元与蓝牙信号发射单元相连，带通滤波放大电路单元为蓝牙信号发射单元提供滤波和放大处理后的人体表面肌电信号，蓝牙信号发射单元将该信号发射给预警实施模块的蓝牙信号接收单元；

所述蓝牙信号接收单元与信号处理单元相连，蓝牙信号接收单元接收由蓝牙信号发射单元发射的人体表面肌电信号，并将其输送给信号处理单元；

所述的信号处理单元与语音报警单元相连，信号处理单元为语音报警单元提供启动信号；

所述的信号处理单元与电机震动单元相连，信号处理单元为电机震动单元提供启动信号。

2.根据权利要求1所述的基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，其特征在于，所述检测模块根据实际情况，采集人体不同肌肉的表面肌电信号；将表面肌电信号进行放大与带通滤波；将表面肌电信号进行A/D转换。

3.根据权利要求1所述的基于人体表面肌电信号的驾驶疲劳检测系统，其特征在于，所述带通滤波放大电路单元将所述的表面肌电信号进行放大处理，放大倍数为1000倍；

所述带通滤波放大电路单元中的带通滤波器的带宽设置为20赫兹到2000赫兹，用于过滤由于心跳、电子设备、环境噪声所产生的干扰，得到滤波后的表面肌电信号。