CN109147278A - 一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置 - Google Patents

一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置，该装置借助脑机接口实现，能够直接有效获取司机的大脑活动状态，并根据大脑的活动状态对发出一系列控制命令，如果有必要还会和当地交通管理部门建立连接，防止出现交通意外事故。本发明能够更为直接准确地测量司机的睡眠情况，如果司机处于轻度睡眠状态，那么可以借助辅助手段比如驾驶室内喷洒刺激性气体来使得司机保持清醒；如果司机处于深度睡眠状态，那么联系当地交管部门强制其停车休息，避免发生交通事故，更利于安全出行。

Description

一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置
技术领域
本发明属于疲劳驾驶监测技术领域，具体涉及一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置。
背景技术
随着社会的发展，货物运输行业为了谋求经济利益最大化，常常存在疲劳驾驶或者超载的违法行为，而疲劳驾驶造成的后果是司机反应迟钝，进入睡眠状态以致注意力下降，进而引发交通事故。根据美国汽车交通安全基金会的一项调查表明：疲劳驾驶在美国的交通事故死亡事件中占据21％的比例，可见疲劳驾驶占交通事故的比例是非常之高。
目前，司机疲劳驾驶监测技术有很多种，如跟踪司机眼球的运动、眼皮眨动频率等间接测量疲劳的方法，这些方法属于间接测量，存在着一些诸如监测疲劳的客观指标不科学，造成测量结果不理想的影响。如果是对司机的脑功能状态进行分析，即直接获取脑电波的波段，根据波段进行睡眠状态分析；另外，脑机接口技术的出现，可以达到最直接、准确、灵敏地实时监测驾驶员的疲劳状态。
脑电波与人类的生理状态息息相关，成年人睡意朦胧的时候脑电波为Theta波，当进入深睡状态时脑电波变为Delta波，其他波段可以认为没有睡意；我们可以利用收集的脑电波数据对司机的大脑状态进行分析，最后输出的结果为深度睡眠、轻度睡眠以及清醒三个状态。
另外，监测到司机疲劳驾驶之后，如果是轻度睡眠状态，可以通过在驾驶室内喷洒刺激性气体给予司机有效的刺激，就能够预防司机疲劳驾驶。考虑到刺激的次数达到一定量之后，就会失去效果，所以需要设定一个刺激次数阈值，如果达到这个阈值，发送实时位置数据给当地的交通管理部门，让其找到车辆并迫使司机停车休息；如果是深度睡眠状态，不但要喷洒大量刺激性气体提高司机的注意力，而且还要立即发送实时位置给当地的交通管理部门，让其找到车辆并迫使司机休息，避免发生交通意外事故；如果是清醒状态，既不喷洒刺激性气体，也不发送实时的位置数据。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置，其采用最为直接、准确、灵敏地实时监测司机的疲劳驾驶状态，并及时实施刺激司机兴奋等应急措施。
一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置，包括：
脑电信号采集装置，用于采集司机的脑电信号并对其进行预处理；
信号分析模块，用于对预处理后的脑电信号进行波段分析，并在脑电信号处于Theta和Delta波段时输出相应的触发信号；
刺激装置，根据所述触发信号在车内释放刺激性药剂喷雾，提高司机的注意力。
进一步地，所述脑电信号采集装置包括脑电采集电极以及与脑电采集电极相连接的脑电信号预处理模块。
进一步地，所述脑电信号预处理模块包括脑电放大电路和A/D转换电路，脑电放大电路用于对电极采集到的脑电信号进行功率放大，A/D转换电路用于对放大后的脑电信号进行模数转换。
进一步地，所述信号分析模块根据信号频率范围对应的大脑节律性生理活动将脑电信号划分为5个波段：Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma；其中，Delta波段对应成人深度睡眠的状态，Theta波段对应成人睡意朦胧的状态，Alpha波段对应成人闭眼清醒放松的状态，Beta波段对应成人积极思考或者紧张的状态，Gamma波段对应成人躯体正常运动的状态。
进一步地，所述刺激装置包括刺激性药剂喷雾器及控制单元，控制单元接收信号分析模块输出的触发信号作为指令，从而输出控制信号控制刺激性药剂喷雾器开启，以使其在车内释放刺激性药剂喷雾。
进一步地，所述司机疲劳驾驶监测装置还包括信息预警模块，其接收信号分析模块输出的触发信号作为指令，从而采用4G通讯方式向当地的交通管理部门发出司机疲劳驾驶的预警信号。
进一步地，所述司机疲劳驾驶监测装置还包括GPRS模块，其通过卫星实时获取车辆的位置信息，用以提供给当地的交通管理部门。
进一步地，当刺激装置受触发的次数达到一定阈值之后，GPRS模块实时将车辆的位置信息发送给当地的交通管理部门，交通管理部门收到司机疲劳驾驶预警信号之后便于查看跟踪定位车辆，迫使其停车休息。
本发明的有益技术效果在于：更为直接准确的测量司机的睡眠情况，如果司机处于轻度睡眠状态，那么可以借助辅助手段比如驾驶室内喷洒刺激性气体来使得司机保持清醒；如果司机处于深度睡眠状态，那么联系当地交管部门强制其停车休息，避免发生交通事故，更利于安全出行。
附图说明
图1为本发明司机疲劳驾驶监测装置的结构示意图。
图2为本发明司机疲劳驾驶监测装置的工作流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明司机疲劳驾驶监测装置，包括脑电波信号采集装置、脑电波信号波段分析装置、刺激装置、GPRS模块以及信息预警模块，其中：
脑电波(Electroencephalogram，EEG)是一种使用电生理指标记录大脑活动的方法，大脑在活动时大量神经元同步发生的突触后电位经总和后形成的，它记录大脑活动时的电波变化，是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。脑电波来源于锥体细胞顶端树突的突触后电位，脑电波同步节律的形成还与皮层丘脑非特异性投射系统的活动有关，脑电波是脑科学的基础理论研究，脑电波监测广泛运用于其临床实践应用中。
我们可以通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性活动，它包含了大量的生理和病理信息，是神经系统机能检查的方法之一。脑电波反映了大脑组织的活动以及功能状态，其基本特征包括振幅、周期、相位等，通过在头皮安放电极，经导线连接到脑电放大电路，可以把脑细胞活动产生的电位差所形成的波形记录下来，成为脑电波。
脑电波根据其频率范围对应的大脑节律性生理活动，可划分为5个波段，即Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma，相关研究表明，Delta波段对应成人深度睡眠，Theta波段对应睡意朦胧的成人，Alpha波段对应闭眼清醒放松状态，Beta波段对应积极思考或者紧张的状态，Gamma波段对应躯体正常运动状态；我们可以对其进行三个大类的划分：轻度睡眠状态Theta波段、深度睡眠状态Delta波段以及清醒状态其他波段。
脑电波信号采集装置包括脑电采集电极，与脑电采集电极相连接的脑电信号预处理模块；脑电信号预处理模块包括脑电放大电路和A/D转换电路。
脑电波信号波段分析装置的输入端与脑电信号预处理模块输出端相连接，并且装有对脑电信号进行波段分析的软件，如果其输出端在脑电波信号为Theta波段的时候，输出控制刺激装置，喷洒适量刺激性药剂气体，提高司机的注意力，刺激次数达到阈值之后，系统会判定刺激性药剂气体对司机不会有效果，需要连接当地的交通管理部门，给其发送车辆的实时位置，让其找到改车辆并迫使司机停车休息；如果其输出端脑电波信号为Delta波段，持续喷洒大量的刺激性药剂气体以提高司机的注意力，同时连接当地的交通管理部门，给其发送车辆的实时位置，让其找到改车辆并迫使司机停车休息，避免发生交通意外事故。如果为其他波段，则说明司机处于清醒状态，既不需要为其喷洒刺激性药剂气体，也不需要连接当地交通管理部门。
刺激装置的输入端与脑电波信号波段分析装置的输出端相连接，接收到控制信号后，释放适量刺激性药剂气体，以提高司机的注意力；刺激装置包括刺激药剂喷雾装置本体及控制单元，控制单元接受脑电波信号波段分析装置的输出信号作为指令，输出控制信号，释放刺激性药剂喷雾。
GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS可以说是GSM的延续，GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(Packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜，GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。位置信息的数据包一般会包含时间戳、经度以及维度，这些信息量都比较小，所以这里采用GPRS模块是比较合适的。
GPRS模块接收两个控制，一方面来自脑电波信号波段分析装置的输出端，如果其输出端为Delta波段，需要发出控制信号给GPRS模块，另一方面来自刺激装置，如果刺激次数达到一定阈值，需要发出控制信号给GPRS模块，让其实时上传车辆的位置信息给当地的交通管理部门。
信息预警模块接收接受脑电波信号波段分析装置的输出信号作为指令，采用4G通讯方式发出司机疲劳驾驶预警指令给交通管理部门，交通管理部门所维护的平台大屏展示界面会对车辆的图标变红并让其闪烁，说明当前车辆的驾驶者处于疲劳驾驶危险状态，需要快速出动警员跟踪所定位的车辆防止发生交通意外事故。
交通管理部门派出交警，让其根据收到的位置信息，快速跟踪所定位到的车辆，迫使司机到服务区停车休息，交通管理部门所维护的平台的大屏展示界面会对车辆图标进行更改，让其回到正常状态。
在本实施例中，假设脑电信号已经采集并存储到脑电波段信号波段处理装置，如图2所示，脑电波信号波段处理装置对采集的脑电信号利用离散数字信号处理算法实时提取脑电波信号的波段信息，最终输出为我们所关注的三个类别状态。如果属于Theta波段，说明司机轻度睡眠状态，控制刺激装置释放刺激性药剂气体20秒，并对刺激次数加1，然后判断刺激次数是否达到阈值。如果大于等于所设定的阈值，发送司机疲劳驾驶预警指令给当地的交通管理部门，交通管理部门收到指令后，根据实时上传的位置数据，快速跟踪所定位的车辆，迫使司机停车休息。考虑到刺激次数的阈值会因人而异，所以需要根据人的生理特征，比如年龄、身高、体重以及对刺激的敏感程度对刺激阈值进行动态设置，从而使这个阈值更具有说服力和信服力。如果属于Delta波段，说明司机深度睡眠状态，需要大量的刺激性气体来刺激司机，即延长喷洒装置的喷洒时间。控制刺激装置释放刺激性药剂气体120秒，并立即发送司机疲劳驾驶预警指令给当地的交通管理部门，交通管理部门收到指令后，根据实时上传的位置数据，快速跟踪所定位的车辆，迫使司机到服务区停车休息。延长喷洒装置的喷洒时间提升刺激性药剂气体的释放量，从而提高加大对司机的刺激提高司机的注意力，到底延长多少呢？需要考虑人的体质存在多样性，所以需要根据人的生理特征，比如年龄、身高、体重以及对刺激的敏感程度对这个延长时间进行动态设置，从而使这个延长时间更具有说服力和信服力。如果是其他波段，既不需要喷洒刺激性药剂气体，也不需要发送实时位置给当地的交通管理部门。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于脑机接口的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于，包括：
脑电信号采集装置，用于采集司机的脑电信号并对其进行预处理；
信号分析模块，用于对预处理后的脑电信号进行波段分析，并在脑电信号处于Theta和Delta波段时输出相应的触发信号；
刺激装置，根据所述触发信号在车内释放刺激性药剂喷雾，提高司机的注意力。
2.根据权利要求1所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：所述脑电信号采集装置包括脑电采集电极以及与脑电采集电极相连接的脑电信号预处理模块。
3.根据权利要求2所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：所述脑电信号预处理模块包括脑电放大电路和A/D转换电路，脑电放大电路用于对电极采集到的脑电信号进行功率放大，A/D转换电路用于对放大后的脑电信号进行模数转换。
4.根据权利要求1所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：所述信号分析模块根据信号频率范围对应的大脑节律性生理活动将脑电信号划分为5个波段：Delta、Theta、Alpha、Beta、Gamma；其中，Delta波段对应成人深度睡眠的状态，Theta波段对应成人睡意朦胧的状态，Alpha波段对应成人闭眼清醒放松的状态，Beta波段对应成人积极思考或者紧张的状态，Gamma波段对应成人躯体正常运动的状态。
5.根据权利要求1所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：所述刺激装置包括刺激性药剂喷雾器及控制单元，控制单元接收信号分析模块输出的触发信号作为指令，从而输出控制信号控制刺激性药剂喷雾器开启，以使其在车内释放刺激性药剂喷雾。
6.根据权利要求1所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：还包括信息预警模块，其接收信号分析模块输出的触发信号作为指令，从而采用4G通讯方式向当地的交通管理部门发出司机疲劳驾驶的预警信号。
7.根据权利要求1所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：还包括GPRS模块，其通过卫星实时获取车辆的位置信息，用以提供给当地的交通管理部门。
8.根据权利要求7所述的司机疲劳驾驶监测装置，其特征在于：当刺激装置受触发的次数达到一定阈值之后，GPRS模块实时将车辆的位置信息发送给当地的交通管理部门，交通管理部门收到司机疲劳驾驶预警信号之后便于查看跟踪定位车辆，迫使其停车休息。
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