CN110712650B - 一种电刺激防疲劳系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电刺激防疲劳系统及控制方法，利用疲劳状态检测模块检测驾驶员疲劳状态并将检测到的驾驶员疲劳状态信息反馈至控制模块，通过控制模块根据接收到的驾驶员疲劳状态信息匹配控制信号，并将控制信号传输至电刺激模块，然后利用设置于驾驶员座椅上的电刺激模块根据接收到的控制信号产生刺激电流对驾驶员进行电流刺激，通过电刺激模块将电脉冲施加到驾驶员的皮肤，从而利用流过电极的电流刺激皮肤内的触觉感受器来进行工作的，同时因处于疲劳状态下的驾驶人对于外界信号的感知能力降低，而电刺激能直接作用于人体神经，大脑更易感知，从而达到使驾驶人保持清醒状态目的，本装置结构简单，佩戴方便，刺激效果明显。

Description

一种电刺激防疲劳系统及控制方法
技术领域
本发明属于汽车主动安全领域，特别涉及一种电刺激防疲劳系统及控制方法。
背景技术
疲劳驾驶是道路交通领域的一个主要安全隐患。驾驶人因长时间的驾驶、夜间和清晨的驾驶以及睡眠不足等等因素，造成自身疲劳。疲劳会降低驾驶人的注意力，增加驾驶人的反应时间，影响驾驶安全性。所以，在疲劳状态识别完成的条件下，如何使驾驶人保持清醒，即采用合理有效的方法使处于疲劳状态下驾驶人清醒过来，具有重要意义。常用的驾驶疲劳检测方法有基于驾驶人生理学特征的检测、基于驾驶人行为特征的检测、基于车辆行为特征的检测以及基于多源信息融合的检测方法。现有疲劳检测系统综合其多种检测方法与检测系统已经能够实时、准确、高效地识别驾驶人疲劳状态，为防疲劳系统的研究提供了一定的技术条件。驾驶人疲劳状态识别之后，需采用一定的方法对驾驶人进行一定的激励，使驾驶人感知疲劳并保持其清醒状态，以保证驾驶的安全性。现有的激励方式多采用蜂鸣器(声响刺激)、灯光报警器(灯光刺激)、振动器(振动刺激)，或者主要是依靠驾驶员自身意识和依靠提神药物或者饮品刺激驾驶员，使驾驶员保持清醒，但是效果欠佳，对于长时间使用提神食品，不仅造成驾驶员身体损伤，更甚者会造成驾驶员抗药性；在疲劳状态下，驾驶人对声响、灯光以及振动等刺激的感触会下降，故现有的防疲劳装置存在提醒力度不足、防止程度具有一定局限性，从而导致无法使驾驶人保持清醒状态的缺点。另外，现有的防疲劳装置，如防疲劳眼镜和防疲劳座椅，均需驾驶人自行佩戴或者对车内装置有巨大改动，所以对现有车辆实施应用起来极度不便。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电刺激防疲劳系统及控制方法，以克服现有技术不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电刺激防疲劳系统，包括疲劳状态检测模块、控制模块和电刺激模块；
疲劳状态检测模块用于检测驾驶员疲劳状态并将检测到的驾驶员疲劳状态信息反馈至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳状态信息匹配控制信号，并将控制信号传输至电刺激模块，电刺激模块设置于驾驶员座椅上，电刺激模块根据接收到的控制信号产生刺激电流。
进一步的，疲劳状态检测模块包括驾驶员检测模块和车辆检测模块，驾驶员检测模块用于驾驶人行为检测，驾驶员检测模块包括摄像头和驾驶人行为识别装置，摄像头和驾驶人行为识别装置线路连接；车辆检测模块用于车辆行为检测，车辆检测模块包括制动踏板力传感器和车辆行为识别装置，制动踏板力传感器和车辆行为识别装置通过线路连接；驾驶员检测模块和车辆检测模块与控制模块采用无线连接或者有线连接。
进一步的，电刺激模块包括电压调节器与电刺激触头装置，电压调节器与控制模块通过线路连接，电刺激触头装置包括电刺激触头基座以及固定于电刺激触头基座上的电刺激触头电极基座，电刺激触头电极基座上设有电刺激触头正极和电刺激触头负极，电刺激触头正极和电刺激触头负极连接于电压调节器。
进一步的，电压调节器包括中央控制盒以及固定于中央控制盒内的控制电路和信号收发模块，信号收发模块连接于控制模块，信号收发模块将控制信号传输至控制电路，控制电路输出端连接电刺激触头正极和电刺激触头负极。
进一步的，中央控制盒上安装有松紧皮带，松紧皮带一端通过皮带连接扣与中央控制盒一侧固定，松紧皮带另一端固定有松紧皮带端部锁紧扣，中央控制盒另一侧固定有壳体端部锁紧扣，与松紧皮带端部锁紧扣配合锁紧。
进一步的，还包括用于检测车内环境信息的辅助模块，辅助模块连接于控制模块，辅助模块包括疲劳等级评测器、湿度传感器和时间计时器，疲劳等级评测器通过控制模块获取驾驶员疲劳状态信息并进行疲劳等级判断，然后将驾驶员疲劳等级信息反馈至控制模块；湿度传感器用于获取车内湿度等级信息，并将车内湿度等级信息反馈至控制模块；时间计时器用于记录时间信息，并将时间信息传输至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳等级信息、车内湿度信息和时间信息将相对应的控制型号发送至电刺激模块。
进一步的，电刺激触头装置还包括电刺激触头开关、电刺激触头锁止机构和电刺激触头安全机构，电刺激触头基座包括电刺激触头外壳以及设置于电刺激触头外壳内的安全机构内壳；电刺激触头外壳和安全机构内壳上端均设有开口，安全机构内壳内设有电刺激触头触电基座，电刺激触头电极基座固定于电刺激触头触电基座上端；安全机构内壳内壁设有定位挡块，电刺激触头触电基座下端外侧设有能够与定位挡块下端接触的定位部，定位部下侧设有电刺激触头弹出弹簧，电刺激触头触电基座内设有用于控制电刺激触头触电基座上下移动的电刺激触头驱动装置；
电刺激触头开关包括设置于电刺激触头外壳与安全机构内壳之间的电刺激触头开关外壳，电刺激触头开关外壳上端和下端分别设有上接触部和下接触部，电刺激触头开关外壳的下接触部下端设有电刺激触头开关外壳回位弹簧和电刺激触头开关，电刺激触头开关外壳的上接触部上端面设有热敏感应电阻；电刺激触头外壳上端内侧设有水平阻挡部，电刺激触头开关外壳的下接触部上端面能够与电刺激触头外壳的水平阻挡部下端面接触；
电刺激触头锁止机构包括设置于电刺激触头开关外壳与安全机构内壳之间的安全机构外壳，安全机构外壳的上端内侧设有水平安装部，电刺激触头开关外壳内侧安装有能够沿电刺激触头开关外壳上下滑动的传动拉杆，传动拉杆下端通过驱动电机驱动，安全机构内壳侧壁转动设有电刺激触头弹出开关，电刺激触头弹出开关一端设有滑动槽，传动拉杆上设有与电刺激触头弹出开关上的滑动槽配合滑动的转动轴；电刺激触头弹出开关另一端设有锁钩，电刺激触头触电基座外壁设有能够与电刺激触头弹出开关另一端锁钩配合锁止的锁止槽；
电刺激触头安全机构包括设置于安全机构外壳的水平安装部与安全机构内壳上端之间的安全挡板，安全挡板一端通过拉线与传动拉杆上端固定，安全机构外壳内设有滑轮，拉线绕设在滑轮上。
进一步的，传动拉杆通过锁止装置锁止固定，锁止装置包括与安全机构外壳通过支架固定连接的锁紧装置外壳，锁紧装置外壳内嵌套固定有锁紧装置内体，锁紧装置内体上开设有通孔，通孔内设有锁紧装置顶块，锁紧装置顶块靠近锁紧装置外壳内壁一端固定有锁紧装置永磁体，锁紧装置外壳内壁固定有锁紧装置电磁铁，锁紧装置顶块与锁紧装置外壳之间设有锁紧装置顶紧弹簧，传动拉杆套设于锁紧装置内体内。
进一步的，电刺激触头驱动装置包括设置于电刺激触头触电基座内的升降驱动电机和传动齿轮，升降驱动电机的输出轴通过超越离合器连接有齿条，电刺激触头触电基座下端固定有电刺激触头传动齿条，传动齿轮与齿条和电刺激触头传动齿条均啮合。
一种电刺激防疲劳系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1)、通过疲劳状态检测模块获取驾驶员疲劳状态信息，并将驾驶员疲劳状态信息发送至控制模块；
步骤2)、控制模块根据获取的驾驶员疲劳状态信息，判定驾驶员疲劳状态信息是否满足刺激条件，如果满足刺激条件，则输出相应控制信号至电刺激模块，由电刺激模块产生刺激电流。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种电刺激防疲劳系统，利用疲劳状态检测模块检测驾驶员疲劳状态并将检测到的驾驶员疲劳状态信息反馈至控制模块，通过控制模块根据接收到的驾驶员疲劳状态信息匹配控制信号，并将控制信号传输至电刺激模块，然后利用设置于驾驶员座椅上的电刺激模块根据接收到的控制信号产生刺激电流对驾驶员进行电流刺激，通过电刺激模块将电脉冲施加到驾驶员的皮肤，从而利用流过电极的电流刺激皮肤内的触觉感受器来进行工作的，电刺激可直接是人体产生组织兴奋、肌肉收缩等生理反应，同时因处于疲劳状态下的驾驶人对于外界信号的感知能力降低，而电刺激能直接作用于人体神经，大脑更易感知，从而达到使驾驶人保持清醒状态目的，本装置结构简单，佩戴方便，刺激效果明显。
进一步的，采用驾驶员检测模块和车辆检测模块分别检测驾驶人行为检测和车辆行为，从而提高驾驶员疲劳检测精度，实现对驾驶员的精准刺激控制。
进一步的，采用由电压调节器与电刺激触头装置组成的分离式电刺激模块，可实现电刺激模块分块制作安装，结构简单，安装方便。
进一步的，中央控制盒上安装有松紧皮带，采用松紧皮带固定中央控制盒，安装方便，便于调节。
进一步的，通过辅助模块检测车内环境信息，综合驾驶员疲劳等级信息、车内湿度信息和时间信息，从而提供多种不同环境下的不同刺激信息，提高电刺激模块电刺激的控制精度，从而适用于不同环境。
进一步的，电刺激触头装置还包括电刺激触头开关、电刺激触头锁止机构和电刺激触头安全机构，利用电刺激触头开关、电刺激触头锁止机构和电刺激触头安全机构实现电刺激触头装置的自动监测启停，防止误操作，通过电刺激触头触电基座内的用于控制电刺激触头触电基座上下移动的电刺激触头驱动装置驱动电刺激触头触电基座上下移动，可避免电刺激触头触电基座长时间和人体接触，防止意外刺激。
进一步的，利用锁止装置锁止传动拉杆，确保传动拉杆启停的稳定性。
进一步的，电刺激触头驱动装置包括设置于电刺激触头触电基座内的升降驱动电机和传动齿轮，升降驱动电机的输出轴通过超越离合器连接有齿条，电刺激触头触电基座下端固定有电刺激触头传动齿条，传动齿轮与齿条和电刺激触头传动齿条均啮合，减小传动空间，提高传动精度。
本发明一种电刺激防疲劳系统的控制方法，通过疲劳状态检测模块获取驾驶员疲劳状态信息，并将驾驶员疲劳状态信息发送至控制模块；控制模块根据获取的驾驶员疲劳状态信息，判定驾驶员疲劳状态信息是否满足刺激条件，如果满足刺激条件，则输出相应控制信号至电刺激模块，由电刺激模块产生刺激电流，通过电激励在对驾驶人进行刺激，提高防疲劳装置的提醒力度与防止程度。
附图说明
图1是电刺激防疲劳系统控制原理图；
图2是疲劳状态检测模块工作流程图；
图3是辅助模块工作流程图；
图4是本发明工作流程图；
图5是电刺激模块结构图；
图6是电刺激触头装置结构图；
图7是本发明安装结构示意图。
图8是控制模块电压调节电路图。
图9是轻度疲劳状态下的基本数控式步进直流电压输出电路图。
图10是锁止装置结构图
图11是三级齿轮传动结构示意图。
图12是二级齿轮传动结构示意图。
图13是电刺激模块安装使用状态变化结构示意图。
图14为电刺激触头弹出开关工作状态示意图。
其中，5-1—电刺激触头装置；5-2—电刺激触头正极；5-3—电刺激触头电极基座；5-4—电刺激触头负极；5-5—电刺激触头基座；5-6—松紧皮带；5-7—皮带连接扣；5-8—中央控制盒；5-9—时间计时器指示灯；5-10—湿度传感器指示灯；5-11—疲劳等级评测器指示灯；5-12—电压调节器指示灯；5-13—车辆行为识别装置信号接收指示灯；5-14—驾驶人行为识别装置信号接收指示灯；5-15—控制模块工作指示灯；5-16—电流传输线；5-17—开关连接线；5-18-松紧皮带端部锁紧扣，6-1—电刺激触头开关外壳回位弹簧；6-2—电刺激触头开关；6-3—弹性缓冲层；6-4—电刺激触头弹出开关；6-5—传动锁紧装置；6-6—传动拉杆；6-7—滑轮；6-8—电刺激触头外壳；6-9—电刺激触头开关外壳；6-10—热敏感应电阻；6-11—安全机构外壳；6-12—安全挡板；6-13—安全机构内壳；6-14—电刺激触头触点；6-15—电刺激触头触电基座；6-16—升降驱动电机；6-17—超越离合器；6-18—齿条；6-19—安全机构传动轮；6-20—电刺激触头弹出弹簧；6-21—电刺激触头负极触点；6-22—电刺激触头正极触点；6-23—传动齿轮；6-24—电刺激触头传动齿条；6-25—电刺激触头开关；11-1—锁紧装置外壳；11-2—锁紧装置电磁铁；11-3—锁紧装置永磁体；11-4—锁紧装置内体；11-5—锁紧装置顶块；11-6—锁紧装置顶紧弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1-图4所示，一种电刺激防疲劳系统，包括疲劳状态检测模块、控制模块和电刺激模块，疲劳状态检测模块用于检测驾驶员疲劳状态并将检测到的驾驶员疲劳状态信息反馈至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳状态信息匹配控制信号，并将控制信号传输至电刺激模块，电刺激模块设置于驾驶员座椅上，电刺激模块根据接收到的控制信号产生刺激电流。
疲劳状态检测模块包括驾驶员检测模块和车辆检测模块，驾驶员检测模块用于驾驶人行为检测，驾驶员检测模块包括摄像头和驾驶人行为识别装置，摄像头和驾驶人行为识别装置线路连接；车辆检测模块用于车辆行为检测，车辆检测模块包括制动踏板力传感器和车辆行为识别装置，制动踏板力传感器和车辆行为识别装置通过线路连接；驾驶员检测模块和车辆检测模块与控制模块采用无线连接或者有线连接。
电刺激模块包括电压调节器与电刺激触头装置5-1，电压调节器与控制模块通过线路连接，电压调节器调节信号由控制模块提供，电压调节器与电刺激触头之间通过线路连接，实现信号传递。
还包括用于检测车内环境信息的辅助模块，辅助模块连接于控制模块，辅助模块包括疲劳等级评测器、湿度传感器和时间计时器，疲劳等级评测器通过控制模块获取驾驶员疲劳状态信息并进行疲劳等级判断，然后将驾驶员疲劳等级信息反馈至控制模块；湿度传感器用于获取车内湿度等级信息，并将车内湿度等级信息反馈至控制模块；时间计时器用于记录时间信息，并将时间信息传输至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳等级信息、车内湿度信息和时间信息将相对应的控制型号发送至电刺激模块。
如图5所示，电刺激触头装置5-1包括电刺激触头基座5-5以及固定于电刺激触头基座5-5上的电刺激触头电极基座5-3，电刺激触头电极基座5-3上设有电刺激触头正极5-2和电刺激触头负极5-4，电刺激触头正极5-2和电刺激触头负极5-4分别通过导线连接于电压调节器。电刺激触头正极5-2和电刺激触头负极5-4均由金属铜压制后贴附于电刺激触头电极基座5-3上。电压调节器包括中央控制盒5-8以及固定于中央控制盒5-8内的控制电路和信号收发模块，信号收发模块连接于控制模块，信号收发模块将控制信号传输至控制电路，控制电路输出端连接电刺激触头正极5-2和电刺激触头负极5-4；辅助模块和控制模块均固定于中央控制盒5-8内，中央控制盒5-8上设有时间计时器指示灯5-9、湿度传感器指示灯5-10、疲劳等级评测器指示灯5-11、电压调节器指示灯5-12、车辆行为识别装置信号接收指示灯5-13、驾驶人行为识别装置信号接收指示灯5-14和控制模块工作指示灯5-15，其各类指示灯通过灯光来显示各部件是否正常工作。中央控制盒5-8上安装有松紧皮带5-6，松紧皮带5-6一端通过皮带连接扣5-7与中央控制盒5-8一侧固定，松紧皮带5-6另一端固定有松紧皮带端部锁紧扣5-18；中央控制盒5-8另一侧固定有壳体端部锁紧扣，与松紧皮带端部锁紧扣5-18配合锁紧。
如图6所示，电刺激触头装置5-1还包括电刺激触头开关、电刺激触头锁止机构和电刺激触头安全机构，电刺激触头基座5-5包括电刺激触头外壳6-8以及设置于电刺激触头外壳6-8内的安全机构内壳6-13；电刺激触头外壳6-8和安全机构内壳6-13上端均设有开口，安全机构内壳6-13内设有电刺激触头触电基座6-15，电刺激触头电极基座5-3固定于电刺激触头触电基座6-15上端；安全机构内壳6-13内壁设有定位挡块，电刺激触头触电基座6-15下端外侧设有能够与定位挡块下端接触的定位部，定位部下侧设有电刺激触头弹出弹簧6-20，电刺激触头触电基座6-15内设有用于控制电刺激触头触电基座6-15上下移动的电刺激触头驱动装置；
电刺激触头开关包括设置于电刺激触头外壳6-8与安全机构内壳6-13之间的电刺激触头开关外壳6-9，电刺激触头开关外壳6-9上端和下端分别设有上接触部和下接触部，电刺激触头开关外壳6-9的下接触部下端设有电刺激触头开关外壳回位弹簧6-1和电刺激触头开关6-2，电刺激触头开关外壳6-9的上接触部上端面设有热敏感应电阻6-10；电刺激触头外壳6-8上端内侧设有水平阻挡部，电刺激触头开关外壳6-9的下接触部上端面能够与电刺激触头外壳6-8的水平阻挡部下端面接触，电刺激触头开关外壳6-9的下接触部上端设有弹性缓冲层6-3；
电刺激触头锁止机构包括设置于电刺激触头开关外壳6-9与安全机构内壳6-13之间的安全机构外壳6-11，安全机构外壳6-11的上端内侧设有水平安装部，电刺激触头开关外壳6-9内侧安装有能够沿电刺激触头开关外壳6-9上下滑动的传动拉杆6-6，传动拉杆6-6下端通过驱动电机驱动，安全机构内壳6-13侧壁转动设有电刺激触头弹出开关6-4，如图14所示，电刺激触头弹出开关6-4一端设有滑动槽，传动拉杆6-6上设有与电刺激触头弹出开关6-4上的滑动槽配合滑动的转动轴；电刺激触头弹出开关6-4另一端设有锁钩，电刺激触头触电基座6-15外壁设有能够与电刺激触头弹出开关6-4另一端锁钩配合锁止的锁止槽；
电刺激触头安全机构包括设置于安全机构外壳6-11的水平安装部与安全机构内壳6-13上端之间的安全挡板6-12，安全挡板6-12一端通过拉线与传动拉杆6-6上端固定，安全机构外壳6-11内设有滑轮6-7，拉线绕设在滑轮6-7上，将传动拉杆6-6竖直方向运动转换至安全挡板6-12的水平方向运动，安全挡板6-12与拉线固定一端设有回位弹簧，用于安全挡板6-12的自动回位。
传动拉杆6-6通过锁止装置6-5锁止固定，锁止装置6-5包括与安全机构外壳6-11通过支架固定连接的锁紧装置外壳11-1，锁紧装置外壳11-1内嵌套固定有锁紧装置内体11-4，锁紧装置内体11-4上开设有通孔，通孔内设有锁紧装置顶块11-5，锁紧装置顶块11-5靠近锁紧装置外壳11-1内壁一端固定有锁紧装置永磁体11-3，锁紧装置外壳11-1内壁固定有锁紧装置电磁铁11-2，锁紧装置顶块11-5与锁紧装置外壳11-1之间设有锁紧装置顶紧弹簧11-6，传动拉杆6-6套设于锁紧装置内体11-4内。当锁紧装置永磁体未通电时，锁紧装置顶块11-5在锁紧装置顶紧弹簧11-6的作用下将传动拉杆6-6顶紧，锁止不使其移动，当锁紧装置永磁体通电时，锁紧装置顶块11-5上的锁紧装置永磁体11-3克服弹簧弹性力使得弹簧压缩，锁紧装置顶块11-5脱离传动拉杆6-6表面，此时传动机构传动杆解除锁止，便可以移动。
电刺激触头驱动装置包括设置于电刺激触头触电基座6-15内的升降驱动电机6-16和传动齿轮6-23，升降驱动电机6-16的输出轴通过超越离合器6-17连接有齿条6-18，电刺激触头触电基座6-15下端固定有电刺激触头传动齿条，传动齿轮6-23分别与齿条6-18和电刺激触头传动齿条啮合，升降驱动电机6-16的输出轴通过超越离合器6-17带动齿条6-18水平运动，齿条6-18通过传动齿轮6-23带动电刺激触头传动齿条竖直运动，从而实现电刺激触头触电基座6-15的竖直移动；如图11、图12所示，传动齿轮采用二级齿轮传动或三级齿轮传动，采用二级齿轮传动，两个齿轮固定，两个齿轮分别与一个竖直和水平设置的齿条啮合；采用三级齿轮传动，三个齿轮啮合，其中外侧两个齿轮分别啮合一个齿条，两个齿条相互垂直设置。
定位部上侧设有弹性缓冲层6-3；电刺激触头电极基座5-3上固定有电刺激触头触点6-14，电刺激触头触点6-14包括电刺激触头负极触点6-21和电刺激触头正极触点6-22。
如图7、图13所示，具体为电刺激触头装置与座椅结构安装结构示意图。中央控制盒5-8安装于坐垫相对于座椅骨架底部，通过松紧皮带5-6固定于坐垫上，电刺激触头装置5-1内嵌于坐垫上端，电刺激触头装置5-1的电刺激触头与座椅表面接触，如图5所示，中央控制盒5-8内的电压调节器与电刺激触头装置5-1通过电流传输线5-16和开关连接线5-17相连，连接线布置于座椅坐垫内部。
电压调节电路由三个基本数控式步进直流电压输出电路组成，每一个基本数控式步进直流电压输出电路控制一种疲劳等级状态下的电压切换。
如图8-9所示，取轻度疲劳状态下的基本数控式步进直流电压输出电路进行详细说明，电路电源由7.2V直流电源提供，通过升压模块，将支流电压升至25V，供刺激电压的高压需求，电路通过LM317进行电路稳压，以保证刺激电压的稳定性与安全性，每一种疲劳状态下对应有5种电压等级，分别由开关S2的五个开关位置进行控制。
当控制模块接收到来自疲劳状态检测模块的疲劳等级信号后，选择三个基本数控式步进直流电压输出电路中控制相应疲劳等级的电路，同时，控制模块通过采集时间计时器与湿度传感器信号，进行驾驶员阻抗的判断之后，发出电压调节信号至电压调节器，在选定基本数控式步进直流电压输出电路后的电压调节器通过控制模块的信号完成5种刺激电压中的合适选取。
电刺激式装置是通过紧贴人体皮肤表面的金属电极，将电脉冲施加到驾驶员的皮肤，从而利用流过电极的电流刺激皮肤内的触觉感受器来进行工作的。电刺激可直接是人体产生组织兴奋、肌肉收缩等生理反应，同时因处于疲劳状态下的驾驶人对于外界信号的感知能力降低，而电刺激能直接作用于人体神经，大脑更易感知，从而使驾驶人保持清醒状态。
电刺激装置通过电极将刺激脉冲作用于皮肤感受器，并在刺激过程中通过改变电刺激的电流、电压和刺激脉冲的幅值、频率等参数并考虑刺激电极材质、大小、距离、刺激部位等因素而使人产生振动感、压力感、刺痛感等感觉。一般人体通过直流电流后，人体对电流的反应情况如下：0.6mA～1.5mA无感觉；2mA～3mA无感觉；5mA～7mA手指感灼热和刺痛；8mA～10mA灼热感增加；20mA～25mA灼热更增，手的肌肉开始痉挛；50mA～80mA强烈灼痛，手的肌肉痉挛，呼吸困难；90mA～100mA呼吸麻痹。为保证驾驶人能够保持清醒，本发明设定预期刺激感觉目标为疼痛。
下面结合相关附图，对本发明的结构原理和使用步骤作进一步说明：
如图7所示，安装时，首先将中央控制盒5-8放置于汽车座椅下方不影响座椅调节机构和驾驶人正常驾驶的合理位置，接着，拉紧松紧皮带5-6，将松紧皮带端部锁紧扣5-18进行锁紧，接着，拉出连接中央控制盒5-8与电刺激触头5-3的电流传输线5-16和开关连接线5-17，将连接线布置于座椅内部，然后，电刺激触头5-3带有正负刺激触头5-2、5-3面朝上，内嵌于座椅内，同时保证电刺激出头外壳6-8与座椅表面水平，然后，查看其它系统部件是否安装到位，最后，适当调整装置相关位置，消除装置对驾驶人正常驾驶的干扰。
如图13所示，安装结束后，用手指触碰热敏感应电阻6-10，并按下电刺激触头开关外壳6-9，观察中央控制盒外部各指示灯是否亮起，如果各指示灯正常两起，说明安装到位，否则需要进行调整，当驾驶人坐于驾驶座椅上时，人体压力将突出于座椅表面的电刺激触头开关外壳6-9下压，触发电刺激触头开关6-2，电刺激防疲劳系统开始工作；同时，热敏感应电阻6-10通过相关电路检测是否有温度变化，防止电刺激疲劳装置误开启；当疲劳检测系统检测到驾驶人处于疲劳状态时，系统通过电压调节器调节电压调节电路调节电压，则判定此时需要进行电刺激，发送开关信号至升降驱动电机6-16，升降驱动电机6-16工作，同时，传动锁止机构6-5电磁铁通电，传动拉杆6-6运动不被锁止，升降驱动电机6-16旋转并拉动传动机构，在传动拉杆6-6的作用下，传递运动至电刺激触头弹出开关6-4，同时，传动拉杆6-6通过拉线和滑轮6-7将电刺激触头安全挡板6-12拉回，电刺激触头得以弹出，电刺激触头触点基座6-15在电刺激触头弹出弹簧的作用下向外弹出，此时，因为超越离合器6-17的作用，电刺激触头触点基座6-15此时传动不受升降驱动电机6-16影响；当触头完全伸出后，电刺激触头触电6-14释放电压，对驾驶人进行电激励。
当电激励结束之后，升降驱动电机6-16反向转动，通过超越离合器6-17，齿条6-18和传动齿轮6-23，将电刺激触头基座6-15拉回，同时，通过传动齿条、安全机构传动轮6-19和推杆，将电刺激触头弹出开关6-4复位，同时将安全挡板6-12复位，防止电刺激触头误操作，对驾驶人造成影响。复位结束后，传动锁止机构6-5中电磁铁断电，锁紧装置顶块11-5在顶紧弹簧的作用下将传动机构传动杆6-6顶紧，锁止不使其移动，防止电刺激触头装置误操作。
当驾驶人离开驾驶座椅时，电刺激触头开关外壳6-9被复位弹簧6-1顶起，通过弹性缓冲层6-3进行冲击的缓和，延长电刺激触头的寿命。
如图1-图4所示，当电刺激防疲劳系统开始工作后，制动踏板力传感器采集车辆行为信息，判断规定时间内超过设定踏板力的次数是否达到预设值，同时，摄像头采集驾驶人行为信息，判断驾驶人眨眼次数和面部状态信息是否达到疲劳状态的生物学特征，获取疲劳状态信息；控制模块对疲劳状态信息传递至疲劳等级评测器，疲劳等级评测器通过预设值对疲劳等级进行判定，并将信号传递至控制模块。控制模块接受来自时间计时器和湿度传感器的信号，进行衣物厚度等级评定和车内环境的评定。控制模块通过综合疲劳等级评测器、时间计时器和湿度传感器信息，确定最终刺激电压的选取，并将信号发送至电压调节器。电压调节器根据电压调节方法与电压调节电路，对刺激电压进行调整，同时输送至电刺激触头装置，电刺激触头装置进行最终的电刺激工作。
如图5、图7所示，电刺激防疲劳装置各部分可以单独生产制造，将其独立安装在座椅与人体接触处，无需驾驶人进入驾驶室后进行佩戴，系统便能够正常工作，结构简单，使用方便，无需对车辆做较大改变，提高防疲劳装置的适用性。
当驾驶人处于疲劳状态时，头部离开座椅头枕，同时，由于处于疲劳状态，为解决佩戴繁琐和适用性差的问题，故将此系统单独生产制造，且后期安装极其方便。如图7、图13所示，中央控制盒安装于坐垫相对于座椅骨架突出部位，通过松紧橡胶皮带固定于坐垫上。电刺激触头内嵌于坐垫表面下方，中央控制盒与电刺激触头通过电流传输线和开关连接线相连，连接线直接通过布置于座椅内部如上布置形式，免除了驾驶人对装置的佩戴，且适用于现有大部分车辆，同时在保证系统正常工作的情况下，不影响车内原有结构的正常工作。
本发明包括安装在汽车座椅坐垫底部的中央控制盒以及内嵌于汽车座椅表面即人体与座椅接触处的下方的电刺激触头装置，还包括固定中央控制盒的松紧皮带和皮带连接扣，还包括安装于汽车车内遮阳板上方的驾驶人行为识别装置和用于采集制动踏板力的车辆行为识别装置，中央控制盒内装有控制模块、电压调节器、辅助模块和内部控制电路，辅助模块包括用于评定车内空气干湿程度的湿度传感器和时间计时器。采用疲劳检测系统检测驾驶人行为特征，着重检测驾驶人面部表情、头部和眼睛状态和检测车辆行为特征，检测车辆在一定时间内的紧急制动情况等车辆运动状态的综合检测方法，能够有效提高对于驾驶人疲劳状态的检测，保障其检测的准确性与实时性，为防疲劳系统的正常工作提供一定的相应的支持。
一种电刺激防疲劳系统刺激电压调节方法，包括以下步骤：步骤1)、通过疲劳状态检测模块获取驾驶员疲劳状态信息，并将驾驶员疲劳状态信息发送至控制模块；步骤2)、控制模块根据获取的驾驶员疲劳状态信息，判定驾驶员疲劳状态信息是否满足刺激条件，如果满足刺激条件，则输出相应控制信号至电刺激模块，由电刺激模块产生刺激电流。
采用辅助模块，同时获取驾驶人衣服的厚度和驾驶室内湿度信息，结合驾驶员疲劳状态的程度，实时改变刺激电压的大小，保证其刺激力度，使驾驶人达到并保持清醒状态，提高刺激准确定，从而达到准确刺激，使驾驶员保持清醒状态的目的。
控制模块与电刺激模块和辅助模块单独集成制造为一体，安装于座椅相应部位；驾驶人防疲劳系统各部分可以单独生产制造，将其独立安装在座椅与人体左侧大腿的接触处，内嵌于驾驶座椅内，可以解决防疲劳装置佩戴繁琐、对相关现有车辆的实施困难等问题。
具体的，中央信号处理器将采集到的来自驾驶人行为识别装置与车辆行为识别装置的信号进行处理后，发送给疲劳等级评测器。疲劳等级评测器中预先设定有轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳三个等级，分别对应6mA、9mA、12mA的电流。疲劳等级评测器对疲劳等级进行评定后，将评定信号发送给中央信号处理器进行疲劳状态的输入。时间计时器内部计时装置对一年时间进行计时，从而判别一年四季的交替变化，进而决定人体衣物厚度变化；时间计时器内部最终将衣物厚度分为薄、中、厚三个等级；时间计时器将信号发送给中央信号处理器，进行衣物厚度等级评定，评定结束后，进行最终阻抗的确定。湿度传感器对驾驶室内的环境数据进行采集，从而判定驾驶室湿度等级；将湿度等级分为干燥、适中、潮湿三个等级；湿度传感器将信号发送给中央信号处理器，进行车内环境的评定，评定结束后，进行最终阻抗的确定。中央信号处理器对衣服厚度等级与车内环境等级进行综合评定之后，确定最终阻抗，分别有1000Ω、1200Ω、1400Ω、1600Ω、1800Ω五种等级，同时综合相应疲劳状态的电流要求，计算所需刺激电压。中央信号处理器将电压调节信号发送至电压调节器，电压调节器按照下表对电压进行调节，并将其输出至电刺激触头，从而完成相应功能。
具体的刺激电压与疲劳等级、湿度等级和不同时期的衣物厚度关系如表1所示。
表1
Figure BDA0002233157700000161
Figure BDA0002233157700000171

Claims (9)

1.一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，包括疲劳状态检测模块、控制模块和电刺激模块；
疲劳状态检测模块用于检测驾驶员疲劳状态并将检测到的驾驶员疲劳状态信息反馈至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳状态信息匹配控制信号，并将控制信号传输至电刺激模块，电刺激模块设置于驾驶员座椅上，电刺激模块根据接收到的控制信号产生刺激电流；
还包括用于检测车内环境信息的辅助模块，辅助模块连接于控制模块，辅助模块包括疲劳等级评测器、湿度传感器和时间计时器，疲劳等级评测器通过控制模块获取驾驶员疲劳状态信息并进行疲劳等级判断，然后将驾驶员疲劳等级信息反馈至控制模块；湿度传感器用于获取车内湿度等级信息，并将车内湿度等级信息反馈至控制模块；时间计时器内部计时装置对一年时间进行计时，并将时间信息传输至控制模块，控制模块根据接收到的驾驶员疲劳等级信息、车内湿度信息和时间信息将相对应的控制信 号发送至电刺激模块。
2.根据权利要求1所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，疲劳状态检测模块包括驾驶员检测模块和车辆检测模块，驾驶员检测模块用于驾驶人行为检测，驾驶员检测模块包括摄像头和驾驶人行为识别装置，摄像头和驾驶人行为识别装置线路连接；车辆检测模块用于车辆行为检测，车辆检测模块包括制动踏板力传感器和车辆行为识别装置，制动踏板力传感器和车辆行为识别装置通过线路连接；驾驶员检测模块和车辆检测模块与控制模块采用无线连接或者有线连接。
3.根据权利要求1所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，电刺激模块包括电压调节器与电刺激触头装置(5-1)，电压调节器与控制模块通过线路连接，电刺激触头装置(5-1)包括电刺激触头基座(5-5)以及固定于电刺激触头基座(5-5)上的电刺激触头电极基座(5-3)，电刺激触头电极基座(5-3)上设有电刺激触头正极(5-2)和电刺激触头负极(5-4)，电刺激触头正极(5-2)和电刺激触头负极(5-4)连接于电压调节器。
4.根据权利要求3所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，电压调节器包括中央控制盒(5-8)以及固定于中央控制盒(5-8)内的控制电路和信号收发模块，信号收发模块连接于控制模块，信号收发模块将控制信号传输至控制电路，控制电路输出端连接电刺激触头正极(5-2)和电刺激触头负极(5-4)。
5.根据权利要求4所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，中央控制盒(5-8)上安装有松紧皮带(5-6)，松紧皮带(5-6)一端通过皮带连接扣(5-7)与中央控制盒(5-8)一侧固定，松紧皮带(5-6)另一端固定有松紧皮带端部锁紧扣(5-18)；中央控制盒另一侧固定有与松紧皮带端部锁紧扣(5-18)配合锁紧的壳体端部锁紧扣。
6.根据权利要求3所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，电刺激触头装置(5-1)还包括电刺激触头开关、电刺激触头锁止机构和电刺激触头安全机构，电刺激触头基座(5-5)包括电刺激触头外壳(6-8)以及设置于电刺激触头外壳(6-8)内的安全机构内壳(6-13)；电刺激触头外壳(6-8)和安全机构内壳(6-13)上端均设有开口，安全机构内壳(6-13)内设有电刺激触头触电基座(6-15)，电刺激触头电极基座(5-3)固定于电刺激触头触电基座(6-15)上端；安全机构内壳(6-13)内壁设有定位挡块，电刺激触头触电基座(6-15)下端外侧设有能够与定位挡块下端接触的定位部，定位部下侧设有电刺激触头弹出弹簧(6-20)，电刺激触头触电基座(6-15)内设有用于控制电刺激触头触电基座(6-15)上下移动的电刺激触头驱动装置；
电刺激触头开关包括设置于电刺激触头外壳(6-8)与安全机构内壳(6-13)之间的电刺激触头开关外壳(6-9)，电刺激触头开关外壳(6-9)上端和下端分别设有上接触部和下接触部，电刺激触头开关外壳(6-9)的下接触部下端设有电刺激触头开关外壳回位弹簧(6-1)和电刺激触头开关(6-2)，电刺激触头开关外壳(6-9)的上接触部上端面设有热敏感应电阻(6-10)；电刺激触头外壳(6-8)上端内侧设有水平阻挡部，电刺激触头开关外壳(6-9)的下接触部上端面能够与电刺激触头外壳(6-8)的水平阻挡部下端面接触；
电刺激触头锁止机构包括设置于电刺激触头开关外壳(6-9)与安全机构内壳(6-13)之间的安全机构外壳(6-11)，安全机构外壳(6-11)的上端内侧设有水平安装部，电刺激触头开关外壳(6-9)内侧安装有能够沿电刺激触头开关(6-9)外壳上下滑动的传动拉杆(6-6)，传动拉杆(6-6)下端通过驱动电机驱动，安全机构内壳(6-13)侧壁转动设有电刺激触头弹出开关(6-4)，电刺激触头弹出开关(6-4)一端设有滑动槽，传动拉杆(6-6)上设有与电刺激触头弹出开关(6-4)上的滑动槽配合滑动的转动轴；电刺激触头弹出开关(6-4)另一端设有锁钩，电刺激触头触电基座(6-15)外壁设有能够与电刺激触头弹出开关(6-4)另一端锁钩配合锁止的锁止槽；
电刺激触头安全机构包括设置于安全机构外壳(6-11)的水平安装部与安全机构内壳(6-13)上端之间的安全挡板(6-12)，安全挡板(6-12)一端通过拉线与传动拉杆(6-6)上端固定，安全机构外壳(6-11)内设有滑轮(6-7)，拉线绕设在滑轮(6-7)上两端分别与安全挡板(6-12)和传动拉杆(6-6)固定。
7.根据权利要求6所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，传动拉杆(6-6)通过锁止装置(6-5)锁止固定，锁止装置(6-5)包括与安全机构外壳(6-11)通过支架固定连接的锁紧装置外壳(11-1)，锁紧装置外壳(11-1)内嵌套固定有锁紧装置内体(11-4)，锁紧装置内体(11-4)上开设有通孔，通孔内设有锁紧装置顶块(11-5)，锁紧装置顶块(11-5)靠近锁紧装置外壳(11-1)内壁一端固定有锁紧装置永磁体(11-3)，锁紧装置外壳(11-1)内壁固定有锁紧装置电磁铁(11-2)，锁紧装置顶块(11-5)与锁紧装置外壳(11-1) 之间设有锁紧装置顶紧弹簧(11-6)，传动拉杆(6-6)套设于锁紧装置内体(11-4)内。
8.根据权利要求6所述的一种电刺激防疲劳系统，其特征在于，电刺激触头驱动装置包括设置于电刺激触头触电基座(6-15)内的升降驱动电机(6-16)和传动齿轮(6-23)，升降驱动电机(6-16)的输出轴通过超越离合器(6-17)连接有齿条(6-18)，电刺激触头触电基座(6-15)下端固定有电刺激触头传动齿条，传动齿轮(6-23)分别与齿条(6-18)和电刺激触头传动齿条(6-24)啮合。
9.一种基于权利要求1所述电刺激防疲劳系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、通过疲劳状态检测模块获取驾驶员疲劳状态信息，并将驾驶员疲劳状态信息发送至控制模块；
步骤2)、控制模块根据获取的驾驶员疲劳状态信息，判定驾驶员疲劳状态信息是否满足刺激条件，如果满足刺激条件，则输出相应控制信号至电刺激模块，由电刺激模块产生刺激电流。
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