CN109907756A - 基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，包括：信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块；所述信号采集模块包括头部姿态信号采集模块和眼电信号采集模块；所述信号处理模块包括头部姿态信号处理模块和眼电信号处理模块。本发明的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统结合头部姿态信息和眼电信息对驾驶员进行疲劳判断，采用的算法简单，参数少、鲁棒性好、准确性高；当驾驶员处于疲劳状态时，通过预警模块能对驾驶员进行促醒，并提醒驾驶员休息，能实时监测驾驶员的疲劳状态，使驾驶员在工作过程中保持清醒，提高作业能力，从而达到了减少交通事故的目的。

Description

基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统

技术领域

本发明涉及疲劳监测技术领域，特别涉及一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高，汽车已经走进千家万户，驾驶人员的数量迅速增加，道路安全问题也已尤为突出，而疲劳驾驶是造成交通事故的一大重要原因，而如何监测驾驶员的驾驶状态，并能够分辨出其是否处于疲劳状态，并在疲劳时给予科学的干预，提高其作业能力，以减少交通事故的发生显得尤为重要。

监测驾驶员驾驶状态的方法大概分为两种，一类是利用前置摄像头采集到的驾驶员面部姿态等信息经计算机处理后作为判断驾驶员是否疲劳驾驶的依据，但是这类监测容易受到光线影像，并且要求驾驶员不能带墨镜等，且检测率不高；另一类是采用医学上的方法，通过监测脑电信号等来判断驾驶员的驾驶状态，这类监测虽然准确但是对监测环境要求高，不易在驾驶过程中实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，用以至少部分解决因疲劳问题引起交通事故的问题

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，包括：信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块；

所述信号采集模块包括头部姿态信号采集模块和眼电信号采集模块，用于采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号；

所述信号处理模块包括头部姿态信号处理模块和眼电信号处理模块，用于对所述信号采集模块采集的头部姿态信号和眼电信号进行分析处理；

所述疲劳判定模块根据所述信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态；当判断驾驶员处于疲劳状态时，通过所述预警模块对驾驶员进行预警刺激。

优选的是，所述信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块依次连接。

优选的是，该系统的检测方法包括以下步骤：

1)通过所述信号采集模块采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号；

2)所述信号处理模块对采集的头部姿态信号和眼电信号进行依次分析；

3)所述疲劳判定模块根据所述信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态；

4)当所述疲劳判定模块判断驾驶员处于疲劳状态时，所述预警模块对驾驶员进行预警刺激。

优选的是，所述信号处理模块的处理方法为：首先利用所述头部姿态信号处理模块对采集的头部姿态信号进行分析，判断头部姿态角是否处于正常角度范围，以及是否长时间处于角度不变的状态，只要头部姿态角满足不在正常角度范围或长时间角度不变两个条件之一，则判定头部姿态角处于非正常状态，然后利用所述眼电信号处理模块进行眼电信号分析；反之，则继续进行头动信号分析。

优选的是，所述头部姿态信号处理模块利用四元数法融合卡尔曼滤波的方法对头部姿态信号进行分析，获取得到头部姿态角。

优选的是，所述眼电信号处理模块的处理方法为：将得到的眼电信号进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

优选的是，所述疲劳判定模块的处理方法为：根据眼电信号处理模块得到的功率谱，分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)，然后将R和清醒-疲劳临界值进行对比，当R不小于清醒-疲劳临界值时，则判定驾驶员处于疲劳状态。

优选的是，所述眼电信号处理模块的处理方法具体包括以下步骤：

2-1)对于眼电信号，首先对有限长的序列进行分段，然后对每段进行均值滤波处理以除杂去噪；

2-2)进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

优选的是，所述疲劳判定模块的处理方法具体包括以下步骤：

3-1)根据眼电信号处理模块得到的功率谱，通过以下公式(1)分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)；

式中：f_u为频带i的上限，f_d为频带i的下限，l表示低频带，h表示高频带，P_x(f)为信号的功率谱密度；

3-2)整合每个分段求取的R值形成一条曲线，在曲线中比对清醒和疲劳状态，选取得到清醒-疲劳临界值；然后将实时处理的R值与得到的清醒-疲劳临界值比较，如果R值大于或等于清醒-疲劳临界值，则判定处于疲劳状态；反之判定处于非疲劳状态，继续进行眼电信号处理。

本发明的有益效果是：本发明的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统结合头部姿态信息和眼电信息对驾驶员进行疲劳判断，采用的算法简单，参数少、鲁棒性好、准确性高；当驾驶员处于疲劳状态时，通过预警模块能对驾驶员进行促醒，并提醒驾驶员休息，能实时监测驾驶员的疲劳状态，使驾驶员在工作过程中保持清醒，提高作业能力，从而达到了减少交通事故的目的。

附图说明

图1为本发明的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统的结构框图；

图2为本发明的一种实施例中的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1所示，本实施例的一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，包括：信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块；

信号采集模块包括头部姿态信号采集模块和眼电信号采集模块，用于采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号；

信号处理模块包括头部姿态信号处理模块和眼电信号处理模块，用于对信号采集模块采集的头部姿态信号和眼电信号进行分析处理；

疲劳判定模块根据信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态；当判断驾驶员处于疲劳状态时，通过预警模块对驾驶员进行预警刺激。

其中，信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块依次连接。

参照图2，该系统的检测方法包括以下步骤：

1)通过信号采集模块采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号。

2)信号处理模块对采集的头部姿态信号和眼电信号进行依次分析，其处理方法为：首先利用头部姿态信号处理模块对采集的头部姿态信号进行分析，判断头部姿态角是否处于正常角度范围，以及是否长时间处于角度不变的状态，只要头部姿态角满足不在正常角度范围或长时间角度不变两个条件之一，则判定头部姿态角处于非正常状态，然后利用眼电信号处理模块进行眼电信号分析；反之，则继续进行头动信号分析。

在一种优选的实施例中，头部姿态信号处理模块利用四元数法融合卡尔曼滤波的方法对头部姿态信号进行分析，获取得到头部姿态角的最优结果，实现对头部姿态角的最优估计；然后判断该头部姿态角是否处于正常角度范围，以及是否长时间处于角度不变的状态，只要头部姿态角满足不在正常角度范围或长时间角度不变两个条件之一，则判定头部姿态角处于非正常状态，然后利用眼电信号处理模块进行眼电信号分析；反之，则继续进行头动信号分析。

在一种优选的实施例中，眼电信号处理模块的处理方法为：将得到的眼电信号进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

3)疲劳判定模块根据信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态，其处理方法为：根据眼电信号处理模块得到的功率谱，分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)，然后将R和清醒-疲劳临界值进行对比，当R不小于清醒-疲劳临界值时，则判定驾驶员处于疲劳状态。

4)当疲劳判定模块判断驾驶员处于疲劳状态时，预警模块对驾驶员进行预警刺激。预警刺激可以包括声音刺激、光刺激和振动刺激，以促使驾驶员觉醒，提醒驾驶员休息。同时预警刺激还可以包括发送至后台监控中心的的预警信息，以通过台监控中心向驾驶员发出进一步预警。

在上述实施例中，眼电信号处理模块的处理方法具体包括以下步骤：

2-1)对于眼电信号，首先对有限长的序列进行分段，然后对每段进行均值滤波处理以除杂去噪；

2-2)进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

在上述实施例中，疲劳判定模块的处理方法具体包括以下步骤：

3-1)根据眼电信号处理模块得到的功率谱，通过以下公式(1)分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)；

式中：f_u为频带i的上限，f_d为频带i的下限，l表示低频带，h表示高频带，P_x(f)为信号的功率谱密度；

3-2)整合每个分段求取的R值形成一条曲线，在曲线中比对清醒和疲劳状态，选取得到清醒-疲劳临界值；然后将实时处理的R值与得到的清醒-疲劳临界值比较，如果R值大于或等于清醒-疲劳临界值，则判定处于疲劳状态；反之判定处于非疲劳状态，继续进行眼电信号处理。采用上述算法能显著提高疲劳状态判断结果的准确性。

本发明的系统结合头部姿态信息和眼电信息对驾驶员进行疲劳判断，采用的算法简单，准确性高；当驾驶员处于疲劳状态时，通过预警模块能对驾驶员进行促醒，并提醒驾驶员休息，能实时监测驾驶员的疲劳状态，使驾驶员在工作过程中保持清醒，从而达到了减少交通事故的目的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (9)

1.一种基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，包括：信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块；

所述信号采集模块包括头部姿态信号采集模块和眼电信号采集模块，用于采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号；

所述信号处理模块包括头部姿态信号处理模块和眼电信号处理模块，用于对所述信号采集模块采集的头部姿态信号和眼电信号进行分析处理；

所述疲劳判定模块根据所述信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态；当判断驾驶员处于疲劳状态时，通过所述预警模块对驾驶员进行预警刺激。

2.根据权利要求1所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述信号采集模块、信号处理模块、疲劳判定模块及预警模块依次连接。

3.根据权利要求1所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，该系统的检测方法包括以下步骤：

1)通过所述信号采集模块采集驾驶员的头部姿态信号和眼电信号；

2)所述信号处理模块对采集的头部姿态信号和眼电信号进行依次分析；

3)所述疲劳判定模块根据所述信号处理模块的分析处理结果判断驾驶员是否处于疲劳状态；

4)当所述疲劳判定模块判断驾驶员处于疲劳状态时，所述预警模块对驾驶员进行预警刺激。

4.根据权利要求3所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述信号处理模块的处理方法为：首先利用所述头部姿态信号处理模块对采集的头部姿态信号进行分析，判断头部姿态角是否处于正常角度范围，以及是否长时间处于角度不变的状态，只要头部姿态角满足不在正常角度范围或长时间角度不变两个条件之一，则判定头部姿态角处于非正常状态，然后利用所述眼电信号处理模块进行眼电信号分析；反之，则继续进行头动信号分析。

5.根据权利要求4所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述头部姿态信号处理模块利用四元数法融合卡尔曼滤波的方法对头部姿态信号进行分析，获取得到头部姿态角。

6.根据权利要求5所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述眼电信号处理模块的处理方法为：将得到的眼电信号进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

7.根据权利要求6所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述疲劳判定模块的处理方法为：根据眼电信号处理模块得到的功率谱，分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)，然后将R和清醒-疲劳临界值进行对比，当R不小于清醒-疲劳临界值时，则判定驾驶员处于疲劳状态。

8.根据权利要求7所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述眼电信号处理模块的处理方法具体包括以下步骤：

2-1)对于眼电信号，首先对有限长的序列进行分段，然后对每段进行均值滤波处理以除杂去噪；

2-2)进行快速傅里叶变换得到眼电信号频谱图，再利用周期图法得到功率谱。

9.根据权利要求8所述的基于头部姿态信息和眼电信息的驾驶疲劳监测系统，其特征在于，所述疲劳判定模块的处理方法具体包括以下步骤：

3-1)根据眼电信号处理模块得到的功率谱，通过以下公式(1)分别提取低频平均功率P(l)和高频平均功率P(h)，计算得到疲劳系数R，R＝P(h)/P(l)；

式中：f_u为频带i的上限，f_d为频带i的下限，l表示低频带，h表示高频带，P_x(f)为信号的功率谱密度；

3-2)整合每个分段求取的R值形成一条曲线，在曲线中比对清醒和疲劳状态，选取得到清醒-疲劳临界值；然后将实时处理的R值与得到的清醒-疲劳临界值比较，如果R值大于或等于清醒-疲劳临界值，则判定处于疲劳状态；反之判定处于非疲劳状态，继续进行眼电信号处理。