CN112590801B - 一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，通过车内摄像机，基于计算机图像检测技术，统计驾驶员的疲劳特征行为发生次数；疲劳特征行为包括眨眼、打哈欠、低头，通过疲劳特征行为和总驾驶时间，建立驾驶员疲劳评估模型，定义当前时刻驾驶员疲劳程度等级；根据不同的疲劳程度等级，设计不同的前方碰撞预警控制方法；此外，在TTC碰撞时间的基础上，提出了STTC安全避撞时间，考虑了基于驾驶员预估的最小安全距离；本发明能根据当前时刻驾驶员疲劳程度，采取不同的前方碰撞预警控制策略，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，在驾驶员状态疲劳时，增加预警力度，提高行车安全。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制技术领域，更具体地，涉及一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法。
背景技术
随着交通运输的快速发展，汽车保有量和驾驶员数量越来越多，快速发展的交通给人们带来便利的同时，也引发了很多交通道路的安全问题。而注意力分散、疲劳驾驶是引起交通事故的重要主观原因之一。为减少因驾驶员疲劳引发的交通事故，各类驾驶员疲劳检测系统应运而生，其可以在驾驶员疲劳驾驶时，通过发声的方式提醒驾驶员。
前方碰撞预警是高级辅助驾驶系统(ADAS)的重要组成部分之一，其可以实时检测主车和前车的运动状态，当存在潜在碰撞危险时，可向驾驶员发出警告，提醒驾驶员注意行车距离，减少追尾碰撞事故。目前，市场上现有的碰撞预警系统未把驾驶员在驾驶过程中所发生的疲劳特征行为考虑进去，从而导致在驾驶员状态良好时，存在一些不必要的预警，而在驾驶员状态疲劳时，预警力度不够。
发明内容
本发明目提供了一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，提高驾驶体验；在驾驶员疲劳程度高时，增加预警力度，使驾驶员增大跟车距离，减少碰撞事故发生的概率。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种考虑驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警系统，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，提高驾驶体验；在驾驶员疲劳程度高时，增加预警力度，使驾驶员增大跟车距离，减少碰撞事故发生的概率，本方法的具体步骤如下：
步骤一、建立驾驶员疲劳程度评估模型
通过车内的摄像机设备获取驾驶员面部图像，运用现有技术机器视觉中的人脸检测、面部特征点定位、图像识别、目标跟踪技术，对驾驶员的各类疲劳特征行为发生次数分别进行识别和统计；其中，驾驶员疲劳特征选取眼部、口部、头部整体的特征变化，具体的疲劳特征行为分别为：频繁眨眼、打哈欠和低头三种；通过三种疲劳特征行为的发生次数和驾驶总时间，建立驾驶员疲劳程度评估模型，公式如下所示：
式中t1为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员眨眼的累计次数；t2为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员打哈欠的累计次数；t3为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员低头的累计次数；ts为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员的累计驾驶时长，单位为小时；w1为t1的权重系数，设为0.000416；w2为t2的权重系数，设为0.35；w3为t3的权重系数，设为1.27；w4为ts的权重系数，设为0.5；C为定值常数，取值4；I表示驾驶员的疲劳程度；
由上述公式可知，当驾驶员的总驾驶时长小于4小时时，驾驶员疲劳程度与驾驶员在驾驶过程中发生的疲劳特征行为次数和总驾驶时长有关，具体关系如公式(1)所示；当驾驶员的总驾驶时常大于4小时时，驾驶员疲劳程度为定值C，如公式(2)所示；
驾驶员的疲劳程度I值越大，表示驾驶员的疲劳程度越高，驾驶员的疲劳程度I值越小，表示驾驶员的疲劳程度越低；驾驶员的疲劳程度由低到高分别设定为：不疲劳、轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为 [0,1)时，定义当前驾驶员为不疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[1,2.5)时，定义当前驾驶员为轻度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[2.5,4)时，定义当前驾驶员为中度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[4,+∞)时，定义当前驾驶员为重度疲劳；
利用驾驶员疲劳程度评估模型对驾驶员进行疲劳程度评估，车辆启动，发动机点火后，通过车辆轮速传感器判断汽车行驶状态，当车速大于零时，统计驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数，并将统计结果输入到驾驶员疲劳程度评估模型，判定驾驶员疲劳程度；当车轮轮速传感器检测到汽车车速等于零时，计算停车时间，若停车时间大于20分钟，表示驾驶员进行了休息，对驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数进行清零；
步骤二、基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制
通过步骤一所获取到的当前时刻驾驶员疲劳程度，对前方碰撞预警的控制方法进行疲劳自适应设计；前方碰撞预警系统通过车载毫米波雷达，获取相关信息；对获取的数据进行预处理，剔除不需要的野值，野值包括：空目标信息和无效目标信息；具体过程如下：
处理空目标信息，对车辆的CAN总线进行监测；空目标的数据具有显著特征，在CAN总线中，其对应CAN地址数据存储均为0XFF；将数据存储为0XFF 的数据帧剔除掉，即可以完成对空目标的剔除操作；处理无效目标信息，无效目标信息与有效目标信息主要区别在于无效目标出现时间极短，参数跳跃性较大，不符合有效车辆行驶特征，通过如下方法进行剔除：
若目标信号在同一CAN地址上连续出现次数小于15次，判定该目标为无效目标，对该目标进行去除；
当相邻两个采样点时间内的纵向相对距离和纵向相对速度相差过大时，判定该目标无效，对该目标进行去除，具体关系式如下所示，其中毫米波雷达的采样周期一般为50ms；
|dk(n+1)-dk(n)|≥2(m)
|vk(n+1)-vk(n)|≥2(m/s)
式中:n表示采样点序号，k表示目标序号，dk(n+1)表示第k个目标在第n+1 个采样点处与主车之间的相对距离，dk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对距离，vk(n+1)表示第k个目标在第n+1个采样点处与主车之间的相对速度，vk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对速度；
本方法涉及的前方碰撞预警系统仅考虑与主车在同一车道内的目标车辆，因此，在对毫米波雷达返回的信息进行预处理后，还需对同一车道线内的目标车辆进行筛选；
计算出目标车辆与本车的侧向位置偏差，具体关系式如下：
Dy＝D·sinθ
式中：D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，θ表示雷达获取到的两车之间的夹角，Dy表示主车与目标车辆的侧向位置偏差；
如果目标车辆与主车的侧向位置偏差Dy大于侧向距离阈值L，那么就可以认为前方车辆与主车不在同一车道线内，根据我国道路设计的相关规定，一般城市道路宽度为3.75m，因此，综合考虑车辆宽度因素，侧向阈值L选取2.1m；
在现有的TTC碰撞时间模型的基础上，引入了基于驾驶员预估的最小安全车距，提出了安全避撞时间STTC模型，关系式如下：
式中：STTC为安全避撞时间，单位为s；D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，单位为m；vrel是主车与前车的纵向相对速度，单位为m/s；Dmin是基于驾驶员预估的最小安全车距，单位为m。
基于驾驶员预估的制动过程可以分为四个阶段：
驾驶员反应时间t1：驾驶员发现前方需制动，做出制动决策，并将脚从油门移动到制动踏板上所经历的时间，该时间与驾驶员疲劳程度有关，本方法中设定，驾驶员疲劳程度I在[0,2.5)时，t1取0.4s，驾驶员疲劳程度I在[2.5,+∞)时， t1取0.5s；
制动器起作用时间t2：由于制动器结构，当驾驶员对制动踏板产生操作力时，制动器需克服制动间隙，这段时间车辆是没有制动效果的，若为液压制动系，t2取0.1s，若为气压制动系或真空助力制动系，t2取0.4s；
减速度增长时间t3：在制动器起作用后，车辆的减速度从零增长到最大制动减速度所需要的时间，t3在0.1s～0.5s之间；
匀减速运动时间t4：制动器受力稳定后，车辆减速度达到最大制动减速度后不再变化，车辆以恒定减速度做匀减速运动，直到制动结束所需要的时间，该时间与驾驶员实际踩踏制动踏板时间近似相等；
基于驾驶员预估的最小安全车距Dmin由主车制动所需最小车距算得，可用如下公式表示：
Dmin＝Sh-Sf
式中：Sh表示主车的制动距离，单位为m，Sf表示前车的行车距离；
最小安全车距与前车运动状态有关，共分为三种工况，分别为前车静止，前车匀速或加速运动，前车减速或减速停车；
前车静止时，最危险时刻为主车减速到静止的时刻；
主车的制动距离如下：
忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vh表示主车的车速，单位为m/s，ab表示最大制动减速度，取-8m/s2；
前车静止时，最小安全车距满足如下关系式：
前车匀速运动或加速运动时，最危险的情况和时刻为前车匀速，在两车速度达到相同的时刻；
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速；
前车的行车距离如下：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
前车减速或减速停车时，最危险的情况和时刻为前车以最大制动力减速，在主车速度减为0的时刻；
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速。
仅考虑减速度增长时间t3，前车的行车距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
综上，安全避撞时间STTC模型如下：
基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，根据驾驶员的疲劳程度，分别制定四种疲劳自适应的前方碰撞预警控制方法；
根据道路状况的紧急程度，设定了三种预警形式；紧急程度由低到高分别为一级预警、二级预警、三级预警；三级预警表示情况非常紧急，系统发出急促响声；二级预警表示情况较紧急，系统发出适中响声；一级预警表示情况较不紧急，系统发出轻缓响声；
驾驶员不疲劳时，前方碰撞预警系统选用I级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％；当计算的STTC值大于1.5时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值小于等于1.5时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员轻度疲劳时，前方碰撞预警系统选用II级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％；当计算的STTC值大于2时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员中度疲劳时，前方碰撞预警系统选用III级疲劳预警方案，系统发声强度设定为75％；当计算的STTC值大于6时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值大于2小于等于6时，系统向驾驶员发出二级预警；当计算的STTC值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员重度疲劳时，前方碰撞预警系统选用IV级疲劳预警方案，系统发声强度设定为100％；当计算的STTC值大于12时，无碰撞预警响应，但会每隔 15分钟，发声提醒驾驶员休息；当计算的STTC值大于7小于等于12时，系统向驾驶员发出一级预警；当计算的STTC值大于2.5小于等于7时，系统向驾驶员发出二级预警；当计算的STTC值小于等于2.5时，系统向驾驶员发出三级预警。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，车辆通过车载毫米波雷达，获取主车与前车的纵向相对距离D和纵向相对速度vrel，通过这两个信息参数和本车车速计算出安全避撞时间STTC。安全避撞时间STTC 作为前方碰撞预警系统的输入参数之一，决定车辆是否向驾驶员发出碰撞预警。其中STTC安全避撞时间是在TTC碰撞时间的基础上，引入了基于驾驶员预估的最小安全车距提出的。与TTC碰撞时间相比，STTC安全避撞时间考虑了最小安全车距，将紧急制动时所需要消耗的车距考虑进去，具有更直观的意义。通过车内摄像机，基于计算机视觉图像检测技术，并结合车辆的运动状态，计算出驾驶员特疲劳征行为的发生次数，疲劳特征行为包括眨眼、打哈欠、低头三种。其中，车辆运动状态由车轮轮速传感器获取。通过驾驶员疲劳特征行为发生次数和驾驶员连续驾驶时长，对驾驶员的疲劳程度进行评估，判定驾驶员的疲劳程度。疲劳程度作为前方碰撞预警系统的输入参数之一，决定前方碰撞预警系统采取哪种预警方案。疲劳程度分为：不疲劳、轻度疲劳、中度疲劳、重度疲劳，分别对应前方碰撞预警系统的四种预警方案：I级疲劳预警方案、II级疲劳预警方案、III级疲劳预警方案、IV级疲劳预警方案。前方碰撞预警系统根据驾驶员疲劳程度调整预警方案，通过计算当前时刻的STTC值决定是否发出预警，以及发出预警的具体方案。
本发明能够根据当前时刻驾驶员疲劳程度，采取不同的前方碰撞预警控制策略，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，在驾驶员状态疲劳时，增加预警力度，提高行车安全。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为本发明提供的一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法的原理示意图。
图2为为本发明提供的一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法的流程示意图。
图3为本方法中利用驾驶员疲劳程度评估模型对驾驶员进行疲劳程度评估的流程示意图。
图4为本方法中的基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制的示意框图。
图5为本方法步骤二中应用的车辆行驶坐标系的示意图。
图6为本方法步骤二中基于驾驶员预估的车辆制动过程的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，提高驾驶体验；在驾驶员疲劳程度高时，增加预警力度，使驾驶员增大跟车距离，减少碰撞事故发生的概率，如图1、图 2、图3和和图4所示，本方法的具体步骤如下：
步骤一、建立驾驶员疲劳程度评估模型
通过车内的摄像机设备获取驾驶员面部图像，运用机器视觉中人脸检测、面部特征点定位、图像识别、目标跟踪技术，对驾驶员的各类疲劳特征行为发生次数分别进行识别和统计；其中，驾驶员疲劳特征选取眼部、口部、头部整体的特征变化，具体的疲劳特征行为分别为：频繁眨眼、打哈欠和低头三种；通过三种疲劳特征行为的发生次数和驾驶总时间，建立驾驶员疲劳程度评估模型，公式如下所示：
式中t1为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员眨眼的累计次数；t2为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员打哈欠的累计次数；t3为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员低头的累计次数；ts为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员的累计驾驶时长，单位为小时；w1为t1的权重系数，设为0.000416；w2为t2的权重系数，设为0.35；w3为t3的权重系数，设为1.27；w4为ts的权重系数，设为0.5；C为定值常数，取值4；I表示驾驶员的疲劳程度；
由上述公式可知，当驾驶员的总驾驶时长小于4小时时，驾驶员疲劳程度与驾驶员在驾驶过程中发生的疲劳特征行为次数和总驾驶时长有关，具体关系如公式(1)所示；当驾驶员的总驾驶时常大于4小时时，驾驶员疲劳程度为定值C，如公式(2)所示；
驾驶员的疲劳程度I值越大，表示驾驶员的疲劳程度越高，驾驶员的疲劳程度I值越小，表示驾驶员的疲劳程度越低；驾驶员的疲劳程度由低到高分别设定为：不疲劳、轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为 [0,1)时，定义当前驾驶员为不疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[1,2.5)时，定义当前驾驶员为轻度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[2.5,4)时，定义当前驾驶员为中度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[4,+∞)时，定义当前驾驶员为重度疲劳；
利用驾驶员疲劳程度评估模型对驾驶员进行疲劳程度评估的具体实施方案如图2所示，车辆启动，发动机点火后，通过车辆轮速传感器判断汽车行驶状态，当车速大于零时，统计驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数，并将统计结果输入到驾驶员疲劳程度评估模型，判定驾驶员疲劳程度；当车轮轮速传感器检测到汽车车速等于零时，计算停车时间，若停车时间大于20分钟，表示驾驶员进行了休息，对驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数进行清零；
步骤二、基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制通过步骤一所获取到的当前时刻驾驶员疲劳程度，对前方碰撞预警的控制方法进行疲劳自适应设计；前方碰撞预警系统通过车载毫米波雷达，获取相关信息。
车载毫米波雷达作为目标识别传感器，能够快速准确的检测到主车周围的目标方位信息和速度信息。但是车载毫米波雷达在采集周边车辆信息时，会存在一些野值，这些野值会影响雷达的识别功能。野值包括：空目标信息和无效目标信息。CAN总线在接收到车载毫米波雷达返回的信息时，需要对数据进行预处理，剔除不需要的野值。
处理空目标信息，对车辆的CAN总线进行监测。空目标的数据具有显著特征，在CAN总线中，其对应CAN地址数据存储均为0XFF，将数据存储为0XFF 的数据帧剔除掉，即可以完成对空目标的剔除操作。处理无效目标信息，无效目标信息与有效目标信息主要区别在于无效目标出现时间极短，参数跳跃性较大，不符合有效车辆行驶特征。通过如下方法进行剔除：
若目标信号在同一CAN地址上连续出现次数小于15次，判定该目标为无效目标，对该目标进行去除。
当相邻两个采样点时间内的纵向相对距离和纵向相对速度相差过大时，判定该目标无效，对该目标进行去除，具体关系式如下所示，其中毫米波雷达的采样周期一般为50ms。
|dk(n+1)-dk(n)|≥2(m)
|vk(n+1)-vk(n)|≥2(m/s)
式中:n表示采样点序号，k表示目标序号，dk(n+1)表示第k个目标在第n+1 个采样点处与主车之间的相对距离，dk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对距离，vk(n+1)表示第k个目标在第n+1个采样点处与主车之间的相对速度，vk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对速度；
本方法涉及的前方碰撞预警系统仅考虑与主车在同一车道内的目标车辆，因此，在对毫米波雷达返回的信息进行预处理后，还需对同一车道线内的目标车辆进行筛选。车辆行驶坐标系如图4所示。
计算出目标车辆与本车的侧向位置偏差，具体关系式如下：
Dy＝D·sinθ
式中：D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，θ表示雷达获取到的两车之间的夹角，Dy表示主车与目标车辆的侧向位置偏差。
如果目标车辆与主车的侧向位置偏差Dy大于侧向距离阈值L，那么就可以认为前方车辆与主车不在同一车道线内，根据我国道路设计的相关规定，一般城市道路宽度为3.75m，因此，综合考虑车辆宽度因素，侧向阈值L选取2.1m。
市面上使用的安全距离模型为TTC碰撞时间模型，该模型并未考虑前车的加速度信息。在TTC碰撞时间模型的基础上，提出了一种STTC模型，该模型考虑了前车的加速度信息和主车的制动能力，直观表示意义为：在STTC时间内，进行有效操作，可避免追尾。
在TTC碰撞时间模型的基础上，引入了基于驾驶员预估的最小安全车距，提出了安全避撞时间STTC模型，关系式如下。
式中：STTC为安全避撞时间，单位为s；D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，单位为m；vrel是主车与前车的纵向相对速度，单位为m/s；Dmin是基于驾驶员预估的最小安全车距，单位为m。
基于驾驶员预估的车辆制动过程如图6所示。
图6中：az为车辆的制动减速度；Fp为车辆的制动力；t1表示驾驶员反应时间，t2表示制动器起作用时间，t3表示减速度增长时间，t4表示匀减速运动时间。
基于驾驶员预估的制动过程可以分为四个阶段：
驾驶员反应时间t1：驾驶员发现前方需制动，做出制动决策，并将脚从油门移动到制动踏板上所经历的时间。该时间与驾驶员疲劳程度有关，根据试验统计结果，驾驶员疲劳程度I在[0,2.5)时，t1取0.4s，驾驶员疲劳程度I在[2.5,+∞) 时，t1取0.5s。
制动器起作用时间t2：由于制动器结构，当驾驶员对制动踏板产生操作力时，制动器需克服制动间隙，这段时间车辆是没有制动效果的。若为液压制动系，t2取0.1s，若为气压制动系或真空助力制动系，t2取0.4s。
减速度增长时间t3：在制动器起作用后，车辆的减速度从零增长到最大制动减速度所需要的时间，t3在0.1s～0.5s之间。
匀减速运动时间t4：制动器受力稳定后，车辆减速度达到最大制动减速度后不再变化，车辆以恒定减速度做匀减速运动，直到制动结束所需要的时间，该时间与驾驶员实际踩踏制动踏板时间近似相等。
基于驾驶员预估的最小安全车距Dmin由主车制动所需最小车距算得，可用如下公式表示：
Dmin＝Sh-Sf
式中：Sh表示主车的制动距离，单位为m，Sf表示前车的行车距离。
最小安全车距与前车运动状态有关，共分为三种工况，分别为前车静止，前车匀速或加速运动，前车减速或减速停车。
前车静止时，最危险时刻为主车减速到静止的时刻。
主车的制动距离如下：
忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vh表示主车的车速，单位为m/s，ab表示最大制动减速度，取-8m/s2。
前车静止时，最小安全车距满足如下关系式：
前车匀速运动或加速运动时，最危险的情况和时刻为前车匀速，在两车速度达到相同的时刻。
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速。
前车的行车距离如下：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
前车减速或减速停车时，最危险的情况和时刻为前车以最大制动力减速，在主车速度减为0的时刻。
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速。
仅考虑减速度增长时间t3，前车的行车距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
综上，安全避撞时间STTC模型如下：
本发明设计的基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，是在传统前方碰撞预警系统中加入了当前时刻驾驶员的疲劳程度，使前方碰撞预警系统在工作状态下能够符合当前驾驶员的需求。在驾驶员驾驶状态良好时，减少不必要的预警，提高驾驶体验；在驾驶员驾驶疲劳时，增强预警力度，使驾驶员提高注意力，拉大跟车距离，降低事故发生的概率。根据驾驶员的疲劳程度，分别制定四种疲劳自适应的前方碰撞预警控制方法，具体方案如图3所示；
根据道路状况的紧急程度，设定了三种预警形式；紧急程度由低到高分别为一级预警、二级预警、三级预警；三级预警表示情况非常紧急，系统发出急促响声；二级预警表示情况较紧急，系统发出适中响声；一级预警表示情况较不紧急，系统发出轻缓响声；
驾驶员不疲劳时，前方碰撞预警系统选用I级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％。当计算的STTC值大于1.5时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值小于等于1.5时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员轻度疲劳时，前方碰撞预警系统选用II级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％。当计算的STTC值大于2时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员中度疲劳时，前方碰撞预警系统选用III级疲劳预警方案，系统发声强度设定为75％。当计算的STTC值大于6时，无碰撞预警响应；当计算的STTC 值大于2小于等于6时，系统向驾驶员发出二级预警；当计算的STTC值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员重度疲劳时，前方碰撞预警系统选用IV级疲劳预警方案，系统发声强度设定为100％。当计算的STTC值大于12时，无碰撞预警响应，但会每隔 15分钟，发声提醒驾驶员休息；当计算的STTC值大于7小于等于12时，系统向驾驶员发出一级预警；当计算的STTC值大于2.5小于等于7时，系统向驾驶员发出二级预警；当计算的STTC值小于等于2.5时，系统向驾驶员发出三级预警。
Claims (1)
1.一种基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，在驾驶员状态良好时，减少不必要的预警，提高驾驶体验；在驾驶员疲劳程度高时，增加预警力度，使驾驶员增大跟车距离，减少碰撞事故发生的概率，其特征在于，本方法的具体步骤如下：
步骤一、建立驾驶员疲劳程度评估模型
通过车内的摄像机设备获取驾驶员面部图像，运用现有技术机器视觉中的人脸检测、面部特征点定位、图像识别、目标跟踪技术，对驾驶员的各类疲劳特征行为发生次数分别进行识别和统计；其中，驾驶员疲劳特征选取眼部、口部、头部整体的特征变化，具体的疲劳特征行为分别为：频繁眨眼、打哈欠和低头三种；通过三种疲劳特征行为的发生次数和驾驶总时间，建立驾驶员疲劳程度评估模型，公式如下所示：
式中t1为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员眨眼的累计次数；t2为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员打哈欠的累计次数；t3为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员低头的累计次数；ts为发动机点火后，汽车行驶过程中，驾驶员的累计驾驶时长，单位为小时；w1为t1的权重系数，设为0.000416；w2为t2的权重系数，设为0.35；w3为t3的权重系数，设为1.27；w4为ts的权重系数，设为0.5；C为定值常数，取值4；I表示驾驶员的疲劳程度；
由上述公式可知，当驾驶员的总驾驶时长小于4小时时，驾驶员疲劳程度与驾驶员在驾驶过程中发生的疲劳特征行为次数和总驾驶时长有关，具体关系如公式(1)所示；当驾驶员的总驾驶时常大于4小时时，驾驶员疲劳程度为定值C，如公式(2)所示；
驾驶员的疲劳程度I值越大，表示驾驶员的疲劳程度越高，驾驶员的疲劳程度I值越小，表示驾驶员的疲劳程度越低；驾驶员的疲劳程度由低到高分别设定为：不疲劳、轻度疲劳、中度疲劳和重度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[0,1)时，定义当前驾驶员为不疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[1,2.5)时，定义当前驾驶员为轻度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[2.5,4)时，定义当前驾驶员为中度疲劳；当驾驶员疲劳程度I值的区间为[4,+∞)时，定义当前驾驶员为重度疲劳；
利用驾驶员疲劳程度评估模型对驾驶员进行疲劳程度评估，车辆启动，发动机点火后，通过车辆轮速传感器判断汽车行驶状态，当车速大于零时，统计驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数，并将统计结果输入到驾驶员疲劳程度评估模型，判定驾驶员疲劳程度；当车轮轮速传感器检测到汽车车速等于零时，计算停车时间，若停车时间大于20分钟，表示驾驶员进行了休息，对驾驶员驾驶时长和疲劳特征行为发生次数进行清零；
步骤二、基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制
通过步骤一所获取到的当前时刻驾驶员疲劳程度，对前方碰撞预警的控制方法进行疲劳自适应设计；前方碰撞预警系统通过车载毫米波雷达，获取相关信息；对获取的数据进行预处理，剔除不需要的野值，野值包括：空目标信息和无效目标信息；具体过程如下：
处理空目标信息，对车辆的CAN总线进行监测；空目标的数据具有显著特征，在CAN总线中，其对应CAN地址数据存储均为0XFF；将数据存储为0XFF的数据帧剔除掉，即可以完成对空目标的剔除操作；处理无效目标信息，无效目标信息与有效目标信息主要区别在于无效目标出现时间极短，参数跳跃性较大，不符合有效车辆行驶特征，通过如下方法进行剔除：
若目标信号在同一CAN地址上连续出现次数小于15次，判定该目标为无效目标，对该目标进行去除；
当相邻两个采样点时间内的纵向相对距离和纵向相对速度相差过大时，判定该目标无效，对该目标进行去除，具体关系式如下所示，其中毫米波雷达的采样周期一般为50ms；
|dk(n+1)-dk(n)|≥2(m)
|vk(n+1)-vk(n)|≥2(m/s)
式中:n表示采样点序号，k表示目标序号，dk(n+1)表示第k个目标在第n+1个采样点处与主车之间的相对距离，dk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对距离，vk(n+1)表示第k个目标在第n+1个采样点处与主车之间的相对速度，vk(n)表示第k个目标在第n个采样点处与主车之间的相对速度；
本方法涉及的前方碰撞预警系统仅考虑与主车在同一车道内的目标车辆，因此，在对毫米波雷达返回的信息进行预处理后，还需对同一车道线内的目标车辆进行筛选；
计算出目标车辆与本车的侧向位置偏差，具体关系式如下：
Dy＝D·sinθ
式中：D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，θ表示雷达获取到的两车之间的夹角，Dy表示主车与目标车辆的侧向位置偏差；
如果目标车辆与主车的侧向位置偏差Dy大于侧向距离阈值L，那么就可以认为前方车辆与主车不在同一车道线内，根据我国道路设计的相关规定，一般城市道路宽度为3.75m，因此，综合考虑车辆宽度因素，侧向阈值L选取2.1m；
在现有的TTC碰撞时间模型的基础上，引入了基于驾驶员预估的最小安全车距，提出了安全避撞时间STTC模型，关系式如下：
式中：STTC为安全避撞时间，单位为s；D表示车载毫米波雷达获取到的两车相对距离，单位为m；vrel是主车与前车的纵向相对速度，单位为m/s；Dmin是基于驾驶员预估的最小安全车距，单位为m；
基于驾驶员预估的制动过程可以分为四个阶段：
驾驶员反应时间t1：驾驶员发现前方需制动，做出制动决策，并将脚从油门移动到制动踏板上所经历的时间，该时间与驾驶员疲劳程度有关，本方法中设定，驾驶员疲劳程度I在[0,2.5)时，t1取0.4s，驾驶员疲劳程度I在[2.5,+∞)时，t1取0.5s；
制动器起作用时间t2：由于制动器结构，当驾驶员对制动踏板产生操作力时，制动器需克服制动间隙，这段时间车辆是没有制动效果的，若为液压制动系，t2取0.1s，若为气压制动系或真空助力制动系，t2取0.4s；
减速度增长时间t3：在制动器起作用后，车辆的减速度从零增长到最大制动减速度所需要的时间，t3在0.1s～0.5s之间；
匀减速运动时间t4：制动器受力稳定后，车辆减速度达到最大制动减速度后不再变化，车辆以恒定减速度做匀减速运动，直到制动结束所需要的时间，该时间与驾驶员实际踩踏制动踏板时间近似相等；
基于驾驶员预估的最小安全车距Dmin由主车制动所需最小车距算得，可用如下公式表示：
Dmin＝Sh-Sf
式中：Sh表示主车的制动距离，单位为m，Sf表示前车的行车距离；
最小安全车距与前车运动状态有关，共分为三种工况，分别为前车静止，前车匀速或加速运动，前车减速或减速停车；
前车静止时，最危险时刻为主车减速到静止的时刻；
主车的制动距离如下：
忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vh表示主车的车速，单位为m/s，ab表示最大制动减速度，取-8m/s2；
前车静止时，最小安全车距满足如下关系式：
前车匀速运动或加速运动时，最危险的情况和时刻为前车匀速，在两车速度达到相同的时刻；
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速；
前车的行车距离如下：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
前车减速或减速停车时，最危险的情况和时刻为前车以最大制动力减速，在主车速度减为0的时刻；
主车的制动距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
式中：vf表示前车的车速；
仅考虑减速度增长时间t3，前车的行车距离如下，忽略t3的平方项，即将t3的平方项近似为0：
前车匀速运动或加速运动时，最小安全车距满足如下关系式：
综上，安全避撞时间STTC模型如下：
基于驾驶员疲劳程度的前方碰撞预警控制方法，根据驾驶员的疲劳程度，分别制定四种疲劳自适应的前方碰撞预警控制方法；
根据道路状况的紧急程度，设定了三种预警形式；紧急程度由低到高分别为一级预警、二级预警、三级预警；三级预警表示情况非常紧急，系统发出急促响声；二级预警表示情况较紧急，系统发出适中响声；一级预警表示情况较不紧急，系统发出轻缓响声；
驾驶员不疲劳时，前方碰撞预警系统选用I级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％；当计算的STTC值大于1.5时，无碰撞预警响应；当计算的STTC值小于等于1.5时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员轻度疲劳时，前方碰撞预警系统选用II级疲劳预警方案，系统发声强度设定为60％；当计算的STTC值大于2时，无碰撞预警响应；当计算的STTC值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
驾驶员中度疲劳时，前方碰撞预警系统选用III级疲劳预警方案，系统发声强度设定为75％；当计算的STTC值大于6时，无碰撞预警响应；当计算的STTC值大于2小于等于6时，系统向驾驶员发出二级预警；当计算的STTC值小于等于2时，系统向驾驶员发出三级预警；
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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