CN110171465A - 智能方向盘及工作方法 - Google Patents

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CN110171465A CN201910500226.0A CN201910500226A CN110171465A CN 110171465 A CN110171465 A CN 110171465A CN 201910500226 A CN201910500226 A CN 201910500226A CN 110171465 A CN110171465 A CN 110171465A
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涂辉
路雪琦
邱俊发
吴宏达
叶汉彬
胡铭凯
陈智浩
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    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/318Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
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    • B60K28/00Safety devices for propulsion-unit control, specially adapted for, or arranged in, vehicles, e.g. preventing fuel supply or ignition in the event of potentially dangerous conditions
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Abstract

本发明提出一种智能方向盘及工作方法,其特征在于,包括:依次连接的光源、入射光引导光纤、紧贴汽车方向盘外侧边缘的最高点固定的传感光纤、出射光引导光纤、光探测器和处理器;所述处理器连接汽车的电路和控制系统;所述汽车方向盘的外侧边缘至少有一部分的表面带有凹凸形状;所述传感光纤外部覆盖有弹性护套。其通过较为简易的装置即一体化地实现了对汽车驾驶员的身份认证和生命体征监测(包括醉驾检测和疲劳检测等)。其实现简单,成本低廉,且可靠性高,具备足够的商业和推广价值。

Description

智能方向盘及工作方法
技术领域
本发明属于汽车配件、传感监测领域,尤其涉及一种智能方向盘及工作方法。
背景技术
随着汽车数量的逐年增加,汽车防盗所受到的关注也越来越多。目前市场上用于汽车防盗的技术主要是指纹识别,但是指纹识别存在以下问题:因为职业或者疾病使指纹模糊的人,难于得到高品质的指纹,使否决率FRR相当高;手指的湿度、清洁度也会影响到识别的结果;每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕,而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。
目前市场上对驾驶员进行生命体征监测的传感器主要是半导体传感器,该传感器存在以下问题:一种传感器只能实现监测一项生命体征参数,如血压、心率、血糖等;该半导体传感器需要很好的欧姆接触,若司机戴手套行驶,则位于方向盘处的半导体传感器无法采集到驾驶员的生命体征参数。
如专利CN106650685A提供了一种基于心电图信号的身份识别方法及装置,通过对心电周期集中包含的心电周期的功率谱特征求平均确定心电周期集对应的待识别的心电图信号对应的身份特征从而进行身份认证;专利US5574641提出利用心电图进行生命体征监测的方法,专利CN102469948A提出了一种利用心电图进行身份认证和生命体征监测的方法。但以上方法均要求驾驶员与半导体传感器欧姆接触,如果驾驶员戴手套行驶则完全失效。
生活中因酒驾而引起的交通事故越来越多,如何有效避免酒后驾驶成为了社会一大热点问题。目前市场上应用的主要是车载酒精传感器,驾驶员行驶前酒精传感器会进行酒精浓度检测,若达到酒驾标准则无法启动汽车,同时在行驶过程中司机若饮酒,传感器仍会实时检测。但这种车载传感器存在以下问题:驾驶员未饮酒,车内其他乘客饮酒可能也会导致检测失误;若司机大开窗户,酒精浓度会降低,照样可以发动汽车;目前国内市场上半导体型传感器一般无法达到标准GA307-2001“呼出气体酒精含量探测器”的要求。
如专利CN108297688A公开了一种酒驾检测装置、智能汽车及其预防酒驾方法,既能进行身份认证又能检测酒精浓度,但如果是车内其他乘客饮酒可能也会导致检测失误。
目前因疲劳驾驶而引发交通事故的案例越来越多,为了解决这个问题,常见装备的疲劳监测系统被称为"疲劳驾驶预警系统(BAWS)"。它是基于驾驶员生理图像反应,由ECU和摄像头两大模块组成,利用驾驶员的面部特征、眼部信号、头部运动性等推断驾驶疲劳驾驶预警系统员的疲劳状态,并进行报警提示和采取相应措施的装置。对驾乘者给予主动智能的安全保障。但该技术难点主要在于脸部图像灰度阈值的选取,环境不同阈值也不一样,而且少数人瞌睡时眼睛睁开、戴眼镜测量难度较大,误报警率很高。
专利CN106805986A提出了驾驶员红外疲劳检测装置,包括检测装置壳体、红外信号采集处理模块、摄像头、多功能触摸按键、控制器、红外传感器、OLED显示屏、蓝牙双模。该装置利用驾驶员的面部特征、眼部信号、瞳孔张开度等判断驾驶员是否疲劳驾驶,但该技术难于脸部图像灰度阈值的选取,外界环境不同阈值也不同,而且如果驾驶员戴眼镜行驶,检测较复杂麻烦;专利CN108216113A提出了一种基于心电信号检测的安全带报警装置,所述的装置包括外壳、装置固定模块、主控模块、信号采集模块、报警模块、通信模块和移动终端模块。该方法对不系安全带行驶的驾驶员则完全无效,并且该专利只实现了疲劳检测功能。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提出一种基于光纤的集身份认证和驾驶员体征监控于一体的智能方向盘,本发明具体采用以下技术方案:
一种智能方向盘,其特征在于,包括:依次连接的光源、入射光引导光纤、紧贴汽车方向盘外侧边缘的最高点固定的传感光纤、出射光引导光纤、光探测器和处理器;所述处理器连接汽车的电路和控制系统;所述汽车方向盘的外侧边缘至少有一部分的表面带有凹凸形状;所述传感光纤外部覆盖有弹性护套。
优选地,所述汽车方向盘表面带有凹凸形状的外侧边缘为齿状带。
优选地,所述齿状带相邻两齿之间的间距为1mm-20mm。
优选地,所述齿状带相邻两齿之间的间距满足以下公式:
其中,等效于相邻两齿之间的间距;为传感光纤的纤芯半径;为传感光纤的折射率;为传感光纤的数值孔径。
优选地,所述光源采用发光二极管或激光光源,所述光探测器与光源的工作波段相匹配。
优选地,所述处理器连接报警器。
以及根据以上智能方向盘的工作方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:当汽车上电之后,所述光探测器接收出射光引导光纤传递的出射光信号并转换成电信号,所述处理器将电信号解调为心冲击图信息;
步骤S2:所述处理器将解调获得的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为吻合时,执行步骤S3;
步骤S3:解锁汽车的点火启动系统,并实时获取驾驶员的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为心冲击图信息异常时,启动告警。
优选地,在步骤S1-步骤S3中,所述处理器将心冲击图的波峰和波谷作为特征点。
优选地,在步骤S3中,当比对结果为心冲击图信息异常时,触发延时之后锁闭汽车的点火启动系统的动作。
优选地,在步骤S2中,所述预存储的驾驶员心冲击图信息为驾驶员健康状态下的心冲击图信息;所述预存储的驾驶员心冲击图信息在步骤S1之前通过智能方向盘录入并保存在处理器的存储模块中。
与现有技术相比,本发明及其优选方案通过较为简易的装置即一体化地实现了对汽车驾驶员的身份认证和生命体征监测(包括醉驾检测和疲劳检测等)。其实现简单,成本低廉,且可靠性高,具备足够的商业和推广价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:
图1为本发明装置实施例侧视示意图;
图2为本发明装置当中传感光纤和齿状带位置关系示意图(夸张化);
图3为本发明装置各组件连接关系示意图;
图4为本发明方法实施例示意图;
图5为心冲击波形特征示意图;
图中:1-汽车方向盘;2-传感光纤;3-弹性护套;4-入射光引导光纤;5-出射光引导光纤;6-光源;7-光探测器;11-齿状带。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,作详细说明如下:
如图3所示,为实现本发明目的,本发明实施例的装置部分包括:依次连接的光源6、入射光引导光纤4、紧贴汽车方向盘1外侧边缘的最高点固定的传感光纤2、出射光引导光纤5、光探测器7和处理器;处理器连接汽车的电路和控制系统,以及报警器。
在本实施例中,传感光纤2外部覆盖有弹性护套3,其起到保护传感光纤2,以及更好地传递振动的作用。
基于微弯光纤的实现机制,在本实施例中,汽车方向盘1的外侧边缘至少有一部分为表面带有凹凸形状的齿状带11(其表面为类似有齿轮的形状,在该种形状下既能够满足微弯光纤的工作需求,也能够保护光纤不受损伤)。该齿状带11的设置意义在于,传感光纤2在受力的情况下能够容易形成微弯的结构,从而能够吻合微弯光纤损耗的模型。
如图2所示,提供了夸张化的传感光纤和齿状带位置关系示意图(夸张之处在于为了更便于理解,将齿状带11的凹凸形状的齿与汽车方向盘1的比例放大了,实际上齿的尺寸相对汽车方向盘1的尺寸是较小的),在该图提供的设计方案当中,齿状带11覆盖了整个汽车方向盘1的周部,传感光纤2紧贴齿状带11的最高点固定,当其局部受力时,即在该局部形成微弯光纤的结构。
考虑到由于正确的握方向盘姿势必须要求驾驶员手触碰汽车方向盘1外沿的两个对角,因此,齿状带11一般也可以选择性地设计于方向盘的45°角及其对称的位置附近。
基于微弯光纤损耗理论,临界机械周期满足以下公式:
其中,在本实施例中,意味着临界机械周期等效于相邻两齿之间的间距,当齿状带11相邻两齿之间的间距满足以上关系时,本实施例能够起到最佳的效果,根据实测的经验,齿状带11相邻两齿之间的间距取1mm-20mm,能够取得较佳的效果,并能够较好地适配各种类型的光纤参数;为传感光纤的纤芯半径;为传感光纤的折射率;为传感光纤的数值孔径。
此时,依次连接的光源6、入射光引导光纤4、紧贴汽车方向盘1外侧边缘固定的传感光纤2、出射光引导光纤5和光探测器7的结构实际上构成了一个光纤部分限定为特异形态的光纤传感器,其中入射光引导光纤4和出射光引导光纤5仅作为传入和输出光的用途,传感光纤2可以采用单模光纤或多模光纤,其工作原理在于,当汽车上电后,上述光纤传感器即开始工作,在没有外力介入的情况下,光探测器7可以接收到稳定的光信号,而当驾驶员手握汽车方向盘1时,即会引起传感光纤2发生形变,同时,由于驾驶员心脏跳动引起的身体振动同时也会传递给传感光纤2,光探测器7接收到带有驾驶员身体振动信息的光信号并转换成电信号,通过一系列的数据处理(包括模数转换等)解调后即可以得到得到驾驶员的心冲击图信号。
在本发明中光源6采用发光二极管或激光光源,光探测器7与光源6的工作波段相匹配。
如图4所示,基于以上装置实施例,本发明还提供了相应的工作方法,包括以下步骤:
步骤S1:当汽车上电之后,光探测器7接收出射光引导光纤传递5的出射光信号并转换成电信号,处理器将电信号解调为心冲击图信息;
步骤S2:处理器将解调获得的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为吻合时,执行步骤S3;
步骤S3:解锁汽车的点火启动系统,并实时获取驾驶员的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为心冲击图信息异常时,启动告警。
如图5所示,在步骤S1-步骤S3中,处理器将心冲击图的波峰和波谷作为特征点。其原理在于:每个存活的个体都能够产生心冲击图,并且不同个体因心脏具体位置、大小、年龄、性别、身高、体重等因素影响产生的心冲击图而具有唯一性。心冲击图包括一系列的波峰(F,H,J,L,N)和波谷(G,I,K,M),每个波峰到波谷的时间不同,最后根据此特点来提取特征点。酒后心率总体上高于正常状态,平均心率高于正常状态约10%,变异系数低于正常状态约30%。当驾驶员疲劳时,心率逐渐下降,当驾驶员处于入眠状态时,心率显著下降。
在步骤S2中,预存储的驾驶员心冲击图信息为驾驶员健康状态下的心冲击图信息。驾驶员必须先把自己正常的心冲击图录入处理器中的存储模块中,以便于下次使用本实施例装置时,系统通过采集当前的心冲击图,在数据分析模块(主要是通过差分阈值方法)中与人体信号存储模板库中的数据作比对,顺利进行身份认证、生命体征监测和酒精浓度检测以及疲劳检测。
在步骤S3中,当比对结果为心冲击图信息异常时,触发延时之后锁闭汽车的点火启动系统的动作。
也就是说,光纤传感器获得的驾驶员生理信息经处理器处理分析比对后,只有满足非酒驾、非疲劳、身份认证成功和生命体征正常才能打开汽车点火装置,实现正常行驶,其余情况均无法正常行驶。由于光纤传感器实时在工作,若驾驶员上车前一切正常,汽车也正常行驶,但在行驶过程中饮酒或者突发身体疾病以及疲劳驾驶也会触发语音报警器提示司机及时靠边安全停车,隔几分钟后汽车点火系统锁闭,汽车缓慢停下。
本专利不局限于上述最佳实施方式,任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的智能方向盘及工作方法,凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰,皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种智能方向盘,其特征在于,包括:依次连接的光源、入射光引导光纤、紧贴汽车方向盘外侧边缘的最高点固定的传感光纤、出射光引导光纤、光探测器和处理器;所述处理器连接汽车的电路和控制系统;所述汽车方向盘的外侧边缘至少有一部分的表面带有凹凸形状;所述传感光纤外部覆盖有弹性护套。
2.根据权利要求1所述的智能方向盘,其特征在于:所述汽车方向盘表面带有凹凸形状的外侧边缘为齿状带。
3.根据权利要求2所述的智能方向盘,其特征在于:所述齿状带相邻两齿之间的间距为1mm-20mm。
4.根据权利要求2所述的智能方向盘,其特征在于:所述齿状带相邻两齿之间的间距满足以下公式:
其中,等效于相邻两齿之间的间距;为传感光纤的纤芯半径;为传感光纤的折射率;为传感光纤的数值孔径。
5.根据权利要求1所述的智能方向盘,其特征在于:所述光源采用发光二极管或激光光源,所述光探测器与光源的工作波段相匹配。
6.根据权利要求1所述的智能方向盘,其特征在于:所述处理器连接报警器。
7.根据权利要求1-5其中任一所述的智能方向盘的工作方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:当汽车上电之后,所述光探测器接收出射光引导光纤传递的出射光信号并转换成电信号,所述处理器将电信号解调为心冲击图信息;
步骤S2:所述处理器将解调获得的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为吻合时,执行步骤S3;
步骤S3:解锁汽车的点火启动系统,并实时获取驾驶员的心冲击图信息与预存储的驾驶员心冲击图信息的特征点进行比对,当比对结果为心冲击图信息异常时,启动告警。
8.根据权利要求6所述的智能方向盘的工作方法,其特征在于:在步骤S1-步骤S3中,所述处理器将心冲击图的波峰和波谷作为特征点。
9.根据权利要求6所述的智能方向盘的工作方法,其特征在于:在步骤S3中,当比对结果为心冲击图信息异常时,触发延时之后锁闭汽车的点火启动系统的动作。
10.根据权利要求6所述的智能方向盘的工作方法,其特征在于:在步骤S2中,所述预存储的驾驶员心冲击图信息为驾驶员健康状态下的心冲击图信息;所述预存储的驾驶员心冲击图信息在步骤S1之前通过智能方向盘录入并保存在处理器的存储模块中。
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