CN110696718B - 一种基于皮电反应确定汽车防撞预警系统预警时刻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于皮电反应确定汽车防撞预警系统预警时刻的方法。汽车防撞预警系统是一种先进的主动安全驾驶辅助系统，对于该系统而言，确定预警时刻是实现主动安全辅助功能的关键。由于皮电反应可以有效反应人的心理状态变化，因此本发明基于皮电反应确定驾驶人危险感知时刻，作为汽车防撞预警系统的预警时刻，更符合驾驶人的心理特性。具体方法为：采集驾驶人在风险驾驶过程中的实时皮电数据；在判定驾驶人因风险驾驶环境刺激产生皮电反应后确定确定皮电反应起始时刻；皮电反应起始时刻减去皮电反应潜伏期的时间，即可获得汽车防撞预警系统预警时刻。
Description
技术领域
本发明属于交通安全领域，涉及皮电反应与汽车防撞预警系统的相关技术，从驾驶人心理层面提供一种确定汽车防撞预警系统预警时刻的方法。
背景技术
汽车防撞预警系统是一种先进的主动安全驾驶辅助系统，主要用于协助驾驶人避免追尾，与行人碰撞等重大交通事故。该系统利用现代信息技术、传感技术等获得道路、车辆信息，并针对汽车行车状态作出安全评估，提醒驾驶人注意危险或辅助驾驶人操纵车辆，从而避免碰撞发生或者尽可能降低碰撞事故对人体的伤害。对于汽车防撞预警系统而言，确定预警时刻是该系统实现主动安全辅助功能的关键，如果过早预警，可能会降低驾驶人对防撞预警系统的信任度，如果过迟预警，则无法避免交通事故的发生。
从认知心理学的角度，驾驶人在面对驾驶环境中的潜在风险，其认知过程分为三个阶段：接受信息、感知风险、做出决策。现有技术确定汽车防撞预警系统预警时刻的方法为：采用固定的几个预警指标(碰撞时间TTC，车头时距THW等)，而后通过分析实际风险驾驶状态下的驾驶行为数据设置预警阈值，以此确定系统的预警时刻。这种方式获得的预警时刻实质是驾驶人应该做出决策的时刻，然而驾驶人从接收预警信号到做出行为决策，需要一定的反应时间，该方法忽略驾驶人反应时间这一因素，可能会导致系统预警过迟，无法起到安全辅助作用。相较于从行为层面确定汽车防撞预警系统的预警时刻，以驾驶人感知风险的时刻作为预警时刻，不仅符合驾驶人的心理特性，而且给驾驶人留有一定的反应时间，避免预警过迟的情况发生。
皮电反应是一种受脑高级皮层调节，中枢神经系统参与的精神性出汗行为。人在紧张或者突然受刺激状态会导致体内交感神经兴奋，促使汗腺分泌出更多汗液，进而使皮肤表面的导电能力增强，产生明显的皮电信号波动，即皮电反应。过去研究表明，在驾驶过程中的一些潜在风险因素(比如跟车状态下的前车制动行为，突然横穿交叉口的行人、车辆)，会使驾驶人突然受到刺激，出现皮电反应。因此可以通过分析驾驶人的皮电反应，找到驾驶人感知外界刺激(风险)的时刻，以该时刻作为汽车防撞预警系统的预警时刻。
发明内容
为了解决现有汽车防撞预警系统预警时忽略驾驶人反应时间，预警较迟的问题，本发明基于驾驶人的皮电反应，提供一种确定汽车防撞预警系统预警时刻的方法。该方法可以确定驾驶人在风险驾驶过程中感知交通风险的时刻，以该时刻作为汽车防撞预警系统的预警时刻，能够给驾驶人留有一定的反应时间进行避险操作。
本发明的技术方案包括以下内容：
步骤一、采集驾驶人在风险驾驶过程中的实时皮电数据
本发明对风险驾驶过程的定义为：在跟车驾驶时前车突然制动的驾驶过程。风险驾驶环境可以为实车驾驶环境，也可为模拟驾驶环境。实时皮电数据采集装置为，能通过在人体外施加电流来采集人皮肤电电导信号变化、且数据采集频率不低于10Hz的装置。皮电采集时驾驶人所处环境温度应保持在22-24℃，环境相对湿度保持在40％-50％。
步骤二、确定汽车防撞预警系统的预警时刻
预设时刻A为风险驾驶过程中刺激产生的时刻，即为前车开始制动时刻；时刻B为驾驶人危险感知时刻，也是汽车防撞预警系统的预警时刻；时刻C为驾驶人皮电反应的起始时刻；时刻D为驾驶人皮电反应的峰值时刻。预设皮电数据为y，皮电反应波形的振幅为H,皮电衰减期为S(皮电从峰值时刻值衰减至初始时刻值所用的时间)。预设前车制动踏板总有效行程为X，驾驶过程中前车制动踏板有效行程为x。
确定汽车防撞预警系统预警时刻B的具体步骤为:
1、确定刺激产生时刻A。
时刻A为前车制动踏板有效行程初次满足x≥0.1X的时刻。
2、确定皮电反应峰值时刻D。
1)确定时刻A后皮电数据初次一阶导为0，二阶导为负的时刻为时刻d。
2)若时刻d满足衰减期S>1s且振幅H＝yd-yA≥0.01uS(微西门子)，则时刻d为皮电反应峰值时刻D。
3)若时刻d不满足前一步所述条件，以时刻d作为时刻A，返回第一步。
3、确定皮电反应起始时刻C。
在时刻D前5s内寻找皮电反应曲线的曲率K最大的时刻，该时刻可确定为皮电反应起始时刻C,曲率K计算公式为：
其中，
为皮电数据的一阶导，
为皮电数据的二阶导。
4、确定汽车防撞预警系统预警时刻B。
被试从感知外界刺激到开始出现皮电反应，存在一段皮电潜伏期，因此汽车防撞预警系统预警时刻B为：
tB＝tC-t潜伏期 (2)
皮电潜伏期时长一般为1-3s(可能会多于3s，但不能小于1s，因为交感神经信号的传输与汗液从导管甚至渗透至表皮都需要一定时间)。本发明在研究过程中设置皮电潜伏期为1s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：以驾驶人感知到外界刺激的时刻作为汽车防撞预警系统的预警时刻，为驾驶人提供了充足的反应时间，更大程度帮助驾驶人规避碰撞风险。
附图说明
图1为模拟驾驶环境示意图
图2为皮电信号采集示意图
图3为前车制动与皮电反应的示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施方案对本发明进行详细描述，应理解该实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的研究环境为模拟驾驶环境。由于本发明需要研究驾驶人在风险驾驶过程中的皮电数据，实车环境无法保证研究的安全性，因此选用模拟驾驶仿真平台进行研究。本实例中设置的模拟驾驶场景为跟驰过程中的前车制动场景。其中前车由模拟驾驶系统控制，后车由驾驶人控制。研究中设计前车以一定速度匀速行驶，到达特定地点后触发前车制动减速行为，持续制动一段时间后再加速至初始速度向前行驶。整个过程中，驾驶人手动操纵后车以自认为的舒适且安全的跟车距离跟随前车行驶，当发现前车制动减速时，被试需作出适当操作以避免碰撞。
如图2所示，在被试开始模拟驾驶实验前需要完成生理仪系统的设置与穿戴。研究中选用BIOPAC公司生产的MP150生理测试设备实现驾驶人皮电信号的实时采集，驾驶人左手食指、中指通过贴片电极、电极线与MP150生理测试设备的EDA模块连接。
如图3所示，为前车制动过程与皮电反应相结合的示意图。本实例选取同一特定时段的前车制动踏板系数与皮电信号值进行分析，该时段包括一段完整的前车制动过程和皮电反应过程，时长为20s。图中A时刻为风险驾驶环境中外界刺激的产生时刻，也就是前车开始制动时刻；B时刻为驾驶人危险感知时刻，也是汽车防撞预警系统的预警时刻；C时刻为驾驶人皮电反应起始时刻；D时刻为驾驶人皮电反应峰值时刻。下面结合该图具体说明确定汽车防撞预警系统预警时刻的步骤。
(1)根据前车制动踏板系数的变化情况确定前车开始制动时刻A。制动踏板系数为踩下制动踏板的行程，数值变化范围为[0,1]，其中0表示未踩下制动踏板，1表示完全踩下制动踏板。由于实验场景中道路颠簸程度变化会扰动制动踏板系数产生微小波动，因此定义制动踏板系数初次大于0.1的时刻为前车开始制动的时刻。
(2)确定皮电反应峰值时刻D。在时刻A之后先确定时刻d，时刻d在离散皮电数据中表示为初次一阶差分由正变负的时刻。该实例中时刻d满足衰减期S>1s且振幅H＝yd-yA≥0.01uS(微西门子)，因此时刻d为皮电反应峰值时刻D。
(3)确定皮电反应起始时刻C。确定时刻D后，在时刻D前5s范围内寻找C时刻，该时刻在离散皮电数据中的表现形式为皮电反应曲线的曲率最大点。在分析过程中，分别采用一阶差分值、二阶差分值代替一阶导数据和二阶导数据。
(4)确定驾驶人感知危险的时刻B。皮电反应起始时刻减去皮电反应潜伏期，即为驾驶人感知危险的时刻。本发明中设定潜伏期为1s，因此tB＝tC-1。
以上详细描述了本发明的具体实施过程，但本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。需要说明的是，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于皮电反应的汽车防撞预警系统预警时刻的确定方法，其特征在于，该方法的实现过程包括以下步骤：
步骤一、采集驾驶人在风险驾驶过程中的实时皮电数据
本发明对风险驾驶过程的定义为：在跟车驾驶时前车突然制动的驾驶过程，风险驾驶环境可以为实车驾驶环境，也可为模拟驾驶环境；实时皮电数据采集装置为，能通过在人体外施加电流来采集人皮肤电电导信号变化、且数据采集频率不低于10Hz的装置，皮电采集时驾驶人所处环境温度应保持在22-24℃，环境相对湿度保持在40％-50％；
步骤二、确定汽车防撞预警系统的预警时刻
预设时刻A为风险驾驶过程中刺激产生的时刻，即为前车开始制动时刻；时刻B为驾驶人危险感知时刻，也是汽车防撞预警系统的预警时刻；时刻C为驾驶人皮电反应的起始时刻；时刻D为驾驶人皮电反应的峰值时刻；预设皮电数据为y，皮电反应波形的振幅为H，皮电衰减期为S(皮电从峰值时刻值衰减至初始时刻值所用的时间)；预设前车制动踏板总有效行程为X，驾驶过程中前车制动踏板有效行程为x；
确定汽车防撞预警系统预警时刻B的具体步骤为:
1、确定刺激产生时刻A
时刻A为前车制动踏板有效行程初次满足x≥0.1X的时刻；
2、确定皮电反应峰值时刻D
1)确定时刻A后皮电数据初次一阶导为0，二阶导为负的时刻为时刻d；
2)若时刻d满足衰减期S>1s且振幅H＝yd-yA≥0.01uS(微西门子)，则时刻d为皮电反应峰值时刻D；
3)若时刻d不满足衰减期S>1s且振幅H＝yd-yA≥0.01uS(微西门子)，以时刻d作为时刻A，返回第一步；
3、确定皮电反应起始时刻C
在D时刻前5s内寻找皮电反应曲线的曲率K最大的时刻，该时刻可确定为皮电反应起始时刻C,曲率K计算公式为：
其中，
为皮电数据的一阶导，
为皮电数据的二阶导；
4、确定汽车防撞预警系统预警时刻B
被试从感知外界刺激到开始出现皮电反应，存在一段皮电潜伏期，因此汽车防撞预警系统预警时刻B为：
tB＝tC-t潜伏期 (2)
其中，tB为汽车防撞预警系统预警时刻B，tC为皮电反应起始时刻C，t潜伏期为皮电潜伏期，定义为被试感知风险刺激到开始产生皮电反应的时间间隔，在本发明中规定t潜伏期＝1s。
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