CN110667686B - 基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘 - Google Patents

基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘 Download PDF

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Abstract

本发明提供了基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，包括：方向盘套、心电检测模块、握力检测模块、CPU微处理器、显示面板以及预警模块；所述心电检测模块检测驾驶员的心电信号；所述握力检测模块检测驾驶员对方向盘的握力信号；所述CPU微处理器提取出心电信号和握力信号的特征，并运算得到疲劳驾驶综合指数；所述显示面板实时显示驾驶员的疲劳驾驶指数；当预警模块接收到疲劳倾向指令时，发出语音提示，当预警模块接收到疲劳驾驶指令时，发出语音提示和微机械刺激。本发明能通过显示面板实时监测驾驶员的疲劳驾驶状态，在驾驶员具有疲劳倾向时即会产生提示，在驾驶员疲劳驾驶时能发出微刺激，可以有效降低疲劳驾驶的发生率。

Description

基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘
技术领域
本发明涉及机动车安全行驶技术领域，特别是涉及一种疲劳驾驶监测/预警的方向盘。
背景技术
随着交通运输和国民经济的发展，我国的机动车拥有量逐年激增，与此同时，每年因交通事故导致的人员伤亡和国民财产损失也明显增加，万车死亡率已超过2.0，而在这些伤亡事故中，约有30％是由驾驶员疲劳驾驶导致的。因此，对驾驶员疲劳驾驶进行监测及预防，对保障道路交通安全、维护国民财产具有重大意义。
目前，疲劳驾驶的检测方法可分为主观检测和客观检测两类，而客观检测的科学性与可靠性要远高于主动检测，也是使用得最广泛的一类检测方法。在客观检测中，常用的检测方法有以下几种：(1)生理参数检测，如脑电信号、心电信号、肌电信号、脉搏、呼吸、血氧浓度等。这类检测方法，具有检测准确率高、数据处理量小的优点，但头部佩戴配套的电极系统或检测装置可能对驾驶员造成一定的干扰，大众接受程度有待提高。(2)面部特征检测，如眼部行为检测、头部动作检测等。这种检测方法与驾驶员之间无任何接触，不影响驾驶，但容易受到光线、遮挡等因素的影响。(3)车辆行驶数据检测，通过检测方向盘、油门踏板、刹车踏板等部位的数据，实现疲劳驾驶的及时监测。这种方法对驾驶员没有任何侵扰影响，但个体差异明显，普适性较差，在路况复杂的道路上很容易发生误判，检测结果的可靠性偏低。
随着生物电检测与分析技术的发展，生物电在疲劳驾驶检测中得到越来越广泛的应用，但其市场化对检测系统的轻便化提出了很高的要求，因此，开发出一种低干扰、形式简单的生物电疲劳驾驶检测系统，具有十分明显的应用意义；另外，各类非接触式的疲劳驾驶检测系统，对疲劳驾驶的防治作用还不强，因此，开发出一种带有刺激警示功能的疲劳驾驶监测系统，对降低疲劳驾驶的发生率具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于针对在一般的生物电疲劳驾驶监测系统中，检测装置干扰正常驾驶过程以及缺少有效的疲劳驾驶防治措施，提供了一种低驾驶干扰且带疲劳驾驶防治的方向盘。
为实现上述目的，本发采用如下的技术方案：
基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，包括：方向盘套、心电检测模块、握力检测模块、CPU微处理器、显示面板以及预警模块；
所述心电检测模块检测驾驶员的心电信号；所述握力检测模块检测驾驶员对方向盘的握力信号；所述CPU微处理器提取出心电信号和握力信号的特征，并运算得到疲劳驾驶综合指数；所述显示面板实时显示驾驶员的疲劳驾驶指数；
所述CPU微处理器提取出心电信号和握力信号的特征，并运算得到疲劳驾驶综合指数的具体步骤为：
步骤1：通过压力分布来表征计算左手的握力信号Fc；
步骤2：提取并计算一段瞬时T内握力信号的特征值，包括但不限于平均值
Figure BDA0002214862790000021
和最大值max{Fc}；
步骤3：通过握力信号的特征值计算握力信号的疲劳特征值AF；
步骤4：计算基于握力信号的疲劳驾驶指数QF；
步骤5：提取每一心电周期的R峰值，即最大值max{ECG}；
步骤6：计算同一段瞬时T内的心电信号特征值AE；
步骤7：计算基于心电信号的疲劳驾驶指数QE；
步骤8：根据QF和QE加权计算疲劳驾驶综合指数Q；
步骤9：根据预先设定好的疲劳倾向阈值H1和疲劳断定阈值H2，当 H1≤Q＜H2时，控制预警模块发出语音预报疲劳倾向，当Q≥H2时，控制预警模块产生微机械刺激并提示休息。
在一较佳实施例中：所述心电检测模块包括了导电电极、心电信号放大器、 A/D转换器以及数据采集卡。
在一较佳实施例中：所述导电电极包括参考电极、正电极、负电极，分布于方向盘圆周的上下表面。
在一较佳实施例中：所述导电电极附着安装于方向盘套表面，心电信号放大器、A/D转换器以及数据采集卡嵌入安装于方向盘套内，与电极之间通过屏蔽导线连接。
在一较佳实施例中：所述握力检测模块为在方向盘套表面均匀分布有压力传感器阵列，与嵌入在方向盘套内的数据采集卡通过屏蔽导线连接。
在一较佳实施例中：所述疲劳驾驶综合指数Q根据实际的传感器检测精度调整式QF和QE的权重。
在一较佳实施例中：所述预警模块包括车载语音提示装置和方向盘圆周上的埋藏式软锥阵列。
在一较佳实施例中：当判断出驾驶员处于疲劳倾向状态时，所述预警模块发出“您有疲劳驾驶倾向，建议停车休息”提示语音；当判断出驾驶员处于疲劳驾驶状态时，所述预警模块发出“您已疲劳驾驶，请尽快停车休息”提示语音，方向盘内的埋藏式软锥也会自动弹出，产生示警性的机械微刺激。
与现有技术相比，本发明的工作原理及有益效果如下：
本发明所述的方向盘，由心电检测模块、握力检测模块、CPU微处理器、显示面板以及预警模块组成；握力检测模块实时检测驾驶员的左手握力信号，传输到CPU微处理器中，CPU微处理器提取出握力的幅值特征，计算得到疲劳驾驶握力指数QF，显示在显示面板上；心电检测模块实时检测驾驶员的心电信号，放大并传输到CPU微处理器中，CPU微处理器提取出心电信号的R峰值，计算得到疲劳驾驶心电指数QE，显示在显示面板上；CPU微处理器根据QF和 QE计算得到疲劳驾驶综合指数Q，显示在显示面板上，随后，根据设定的疲劳阈值判断驾驶员的疲劳驾驶状态并向预警模块发送指令；当预警模块接收到疲劳倾向指令时，发出语音提示，当预警模块接收到疲劳驾驶指令时，发出语音提示和微机械刺激。本发明能通过显示面板实时监测驾驶员的疲劳驾驶状态，在驾驶员具有疲劳倾向时即会产生提示，在驾驶员疲劳驾驶时能发出微刺激，可以有效降低疲劳驾驶的发生率。
附图说明
图1为本发明中方向盘的俯视图；
图2为本发明中方向盘的剖视图；
图3为本发明的逻辑流程图。
具体实施方式
下文就本发明的具体实施方法作进一步的说明，但本发明的具体实施方法不限于此。
参见图1和图2，基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘包括：方向盘套、握力检测模块1、心电检测模块2、CPU微处理器3、显示模块4、预警模块5；所述CPU微处理器模块3分别于握力检测模块1、心电检测模块2、显示模块4以及预警模块5连接；所述握力检测模块1、心电检测模块2以及预警模块3均集成在方向盘套上，并安装于方向盘上。
所述握力信号检测模块1，包含压力传感器和数据采集卡。压力传感器，排布在方向盘套外表面；数据采集卡嵌入于方向盘套内。
所述心电信号检测模块2，包括导电电极、心电信号放大器与A/D转换器。导电电极采用三块不锈钢薄块，附于方向盘套上右手掌心、右手拇指腹、左手食指腹所在区域；心电放大器、A/D转换器采、数据采集卡均嵌入安装于方向盘套内。
所述CPU微处理器3包含握力信号处理单元、心电信号处理单元、计算单元、存储单元、显示信号发射单元及预警信号发射单元。
所述显示模块4接收CPU微处理器3发送的显示信号，显示出疲劳驾驶握力指数QF、疲劳驾驶心电指数QE、疲劳驾驶综合指数Q。
所述预警模块5包括语音提示装置和软锥阵列，由CPU微处理器3发射的预警信号进行控制。语音提示装置与车载语音媒体连接，软锥阵列埋藏安装于方向盘套内，检测到驾驶员疲劳驾驶时，软锥阵列则会弹出。
驾驶员的疲劳驾驶监测及预警过程如图3所示，以下为方向盘的疲劳驾驶监测及预警的具体实施过程，但本专利的实时过程并不限于此：
车辆行驶过程中，方向盘套上的压力传感器阵列检测到压力信号，通过数据采集卡传输到CPU微处理器，CPU处理器计算压力分布的均方根来表征驾驶员左手的握力信号Fc：
Figure BDA0002214862790000061
式中，pi为每个压力传感器检测到的压力值，n为与左手接触的压力传感器个数；
CPU微处理器计算5s内的握力信号的平均值
Figure BDA0002214862790000062
和最大值max{Fc}，并存储于存储单元；
CPU微处理器按照如下公式计算握力信号的疲劳特征值AF，并存储于存储单元；
Figure BDA0002214862790000063
CPU微处理器计算握力疲劳驾驶指数QF，存储于存储单元并显示在显示模块上；
Figure BDA0002214862790000064
式中，AF0为在驾驶员清醒状态下的疲劳驾驶特征值；
心电检测模块通过三个导电电极检测到驾驶员的心电信号，放大并传输到 CPU微处理器；
CPU微处理器识别并提取出每一心电周期的R峰值，即最大值max{ECG}；
CPU微处理器每5s计算一次心电R峰值平方和AE，并存储于存储单元；
Figure BDA0002214862790000065
CPU微处理器计算心电疲劳驾驶指数QE，存储于存储单元并显示在显示模块上；
Figure BDA0002214862790000066
式中，AE0为在驾驶员清醒状态下的心电R峰值平方和，由于疲劳时心电信号峰值会降低，因此QE≤1；
CPU微处理器计算疲劳驾驶综合指数Q，存储于存储单元并显示在显示模块上；
Q＝aQF+bQE
式中，取a＝0.4，b＝0.6；
在CPU微处理器中输入疲劳倾向阈值H1＝0.5和疲劳断定阈值H2＝0.75，当 H1≤Q＜H2时，控制预警模块发出语音提示“您即将疲劳驾驶”；当Q≥H2时，控制预警模块发出语音提示“您正在疲劳驾驶，请及时停车休息”，埋藏式软锥弹出，对驾驶员产生微刺激警示。
上文所述，仅为本发明较佳的实施范例，不能依此限定本发明实施的范围。即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于包括：方向盘套、心电检测模块、握力检测模块、CPU微处理器、显示面板以及预警模块；
所述心电检测模块检测驾驶员的心电信号；所述握力检测模块检测驾驶员对方向盘的握力信号；所述CPU微处理器提取出心电信号和握力信号的特征，并运算得到疲劳驾驶综合指数；所述显示面板实时显示驾驶员的疲劳驾驶指数；
所述CPU微处理器提取出心电信号和握力信号的特征，并运算得到疲劳驾驶综合指数的具体步骤为：
步骤1：通过压力分布来表征计算左手的握力信号
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2：提取并计算一段瞬时T内握力信号的特征值，包括平均值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤3：通过握力信号的特征值计算握力信号的疲劳特征值
Figure DEST_PATH_IMAGE008
Figure DEST_PATH_IMAGE010
步骤4：计算基于握力信号的疲劳驾驶指数
Figure DEST_PATH_IMAGE012
：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为在驾驶员清醒状态下的疲劳驾驶特征值；
步骤5：提取每一心电周期的R峰值，即最大值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；
步骤6：计算同一段瞬时T内的心电信号特征值
Figure DEST_PATH_IMAGE020
：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
步骤7：计算基于心电信号的疲劳驾驶指数
Figure DEST_PATH_IMAGE024
：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为在驾驶员清醒状态下的心电R峰值平方和，疲劳时心电信号峰值降低，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤8：根据
Figure 123867DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 181953DEST_PATH_IMAGE024
加权计算疲劳驾驶综合指数Q；
步骤9：根据预先设定好的疲劳倾向阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE032
和疲劳断定阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，当
Figure DEST_PATH_IMAGE036
时，控制预警模块发出语音预报疲劳倾向，当
Figure DEST_PATH_IMAGE038
时，控制预警模块产生微机械刺激并提示休息。
2.根据权利要求1所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述心电检测模块包括了导电电极、心电信号放大器、A/D转换器以及数据采集卡。
3.根据权利要求2所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述导电电极包括参考电极、正电极、负电极，分布于方向盘圆周的上下表面。
4.根据权利要求2所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述导电电极附着安装于方向盘套表面，心电信号放大器、A/D转换器以及数据采集卡嵌入安装于方向盘套内，与电极之间通过屏蔽导线连接。
5.根据权利要求1所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述握力检测模块为在方向盘套表面均匀分布有压力传感器阵列，与嵌入在方向盘套内的数据采集卡通过屏蔽导线连接。
6.根据权利要求1所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述疲劳驾驶综合指数Q根据实际的传感器检测精度调整式
Figure 853368DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 655102DEST_PATH_IMAGE024
的权重。
7.根据权利要求1所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：所述预警模块包括车载语音提示装置和方向盘圆周上的埋藏式软锥阵列。
8.根据权利要求1所述的基于心电与握力信号的疲劳驾驶监测/预警的方向盘，其特征在于：当判断出驾驶员处于疲劳倾向状态时，所述预警模块发出“您有疲劳驾驶倾向，建议停车休息”提示语音；当判断出驾驶员处于疲劳驾驶状态时，所述预警模块发出“您已疲劳驾驶，请尽快停车休息”提示语音，方向盘内的埋藏式软锥也会自动弹出，产生示警性的机械微刺激。
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