CN113790804B - 一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及安全驾驶技术领域，特别涉及一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法。其中中红外探测器包括柔性透明的沟道、基底、漏电极、源电极，沟道连接在基底上，漏电极、源电极分别连接在沟道上的两端，中红外探测器以受光源照射点为中心，为镜像非对称结构，漏电极、源电极为异质电极，沟道为同质结结构；或所述漏电极、源电极为同质电极，沟道为p‑n结或异质结结构。并基于中红外探测器衍生了监测提醒装置和方法。本发明无需外部光源照射辅助、甚至无需焦平面成像阵列，使用中红外传感技术降低了监测系统的体积、成本与功耗；同时排除了环境可见光带来的影响，提高了装置识别的精准度。

Description

一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法

技术领域

本发明涉及安全驾驶技术领域，特别涉及一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法。

背景技术

长时间连续的车辆驾驶容易令驾驶员出现疲劳瞌睡状态，神经系统一旦失去对实时路面情况的警惕极其容易引发交通事故。2020年全国机动车保有量为3.72亿辆，每年涉及人员伤亡的交通事故大约20万起。疲劳驾驶是导致交通事故的最主要因素之一，数据显示，涉及货运卡车的交通事故接近60%是由于驾驶员疲劳驾驶引起的，其中约三分之一的货运卡车交通事故将导致驾驶员直接死亡。因此，研发和推广有效的驾驶员疲劳驾驶监测和提醒有着极为重要的实际价值。

疲劳驾驶状态监测是整套监测及提醒装置的核心。目前主要监测手段包括心率监测和视觉监测两大类。不同检测技术的准确度及系统复杂度有较大差别，其中较为精准及主流的是视觉监测手段，即通过对人体眼皮的闭合时间检测实现对驾驶员是否瞌睡进行判断。视觉监测大致分为可见光视觉监测和近红外视觉监测两种。第一种，可见光视觉监测即通过可见光相机对驾驶员面部进行成像，继而经过数据处理和图像识别技术对其眼皮是否较长时间闭合进行判读识别，由于借助了环境光，在夜间、阴雨天、强光等条件下对眼部成像和疲劳检测的准确性会受到影响。第二种，近红外视觉监测主要采用红外光源发射红外光线照射驾驶员面部，通过红外相机收集反射光线进行成像，随后同样经过数据处理和图像识别对眼皮是否较长时间闭合进行判读识别。除了可见光和近红外视觉，中红外波段是人体被动式热成像的技术，可以对各器官的活动进行实时监测。由于无需外部光源辅助照射，被动式中红外传感技术大大降低了系统的体积、复杂度和成本，同时排除了环境可见光的不稳定影响提高了传感与眼部状态识别的精准度。但是较灵敏的中红外探测器大多需要制冷工作而且其焦平面成像阵列制备复杂、价格昂贵，因此中红外器件尚未在民用市场得到广泛应用。

因此，在疲劳驾驶视觉监测系统中光电探测器技术是最为核心的技术。在可见光和近红外波段，基于硅、锗、砷化镓、磷化铟等材料的高性价比易集成的光电探测器已经被广泛研制和使用，技术相对成熟。而在人体被动式热成像所处的中红外波段（波长3-50μm）是目前光电探测的主要瓶颈所在——低成本、便携的室温中红外探测技术非常缺乏。一方面，基于碲镉汞的窄禁带半导体探测器、III-V族红外量子阱探测器等光子探测器具有探测灵敏高的优势，但依赖于昂贵复杂的外延生长，同时工作时需要持续的制冷器冷却；另一方面，基于非晶硅或氧化钒的微辐射热测定器、高莱探测器等热探测器尽管具备室温工作的优势，但面临着制备工艺复杂、成本高、不便携等缺点。最近，非制冷、低功耗、便携式中红外探测器的研制成为研究的热点，尤其是利用了新型量子与纳米体系中的光热电机制实现室温、零偏压探测的探测器，在可穿戴光电子传感器件、生物医学电子监测领域有着应用前景。

现有的疲劳驾驶监测系统存在以下缺陷：

（1）可见光疲劳驾驶监测系统由于环境光源照明不稳定导致对眼部状态读取和判断不准确；

（2）近红外疲劳驾驶监测系统需要兼备光源照射、成像系统及图像识别功能，装置复杂度高、成本较高；

（3）中红外传感技术由于当前探测器与成像仪体积较大、成本昂贵，不适合作为疲劳驾驶监测系统。

发明内容

本发明提供一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置及方法，旨在提供一种用于疲劳驾驶系统的低成本、低功耗、可穿戴中红外探测器以及配套的提醒装置。

本发明提供一种基于疲劳驾驶的中红外探测器，包括柔性透明的沟道、基底、漏电极、源电极，所述沟道连接在基底上，所述漏电极、源电极分别连接在沟道上的两端，所述中红外探测器以受光源照射点为中心，为镜像非对称结构，所述漏电极、源电极为异质电极，所述沟道为同质结结构；或所述漏电极、源电极为同质电极，所述沟道为p-n结或异质结结构。

作为本发明的进一步改进，所述沟道材料为柔性透明的半导体或半金属材料，所述半导体或半金属材料包括石墨烯、扭转石墨烯、碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二维金属碳化物或氮化物、聚合物基复合材料。

作为本发明的进一步改进，所述基底材料为柔性透明的绝热绝缘材料，所述绝热绝缘材料包括聚乙烯醇，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷。

作为本发明的进一步改进，所述漏电极、源电极材料为柔性透明的高电导率材料，所述高电导率材料包括石墨烯、银纳米线导电薄膜、碳纳米管薄膜、锡掺杂三氧化铟、铝掺杂氧化锌、金、银、铝。

本发明提供一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置，包括监视控制终端、可穿戴的眼镜、电气接触导线、微处理器、无线通信模块，所述微处理器、无线通信模块设置在眼镜的边框上，所述中红外探测器设置在眼镜的镜片上，所述微处理器通过电气接触导线连接中红外探测器，所述无线通信模块连接微处理器，所述监视控制终端与无线通信模块对接。

本发明提供一种基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，包括以下步骤：

S1.驾驶员佩戴设有中红外探测器的眼镜，镜片上的中红外探测器实时接收从驾驶员眼部的发出的中红外光线，通过中红外探测器的镜像非对称结构，漏电极与源电极之间输出定向的热电电压，热电电压大小随着入射中红外光的功率增强而增强，中红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器之间的距离相关联；

S2.当驾驶员睁眼时，眼部到中红外探测器的初始距离为r，中红外探测器接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₁；

S3.当驾驶员闭眼时，眼皮的等效厚度为r₀，眼部到中红外探测器的等效距离为r-r₀，此时中红外探测器接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₂；

S4.设定判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值，监测光热电信号S₁和光热电信号S₂的持续时间，若光热电信号S₂的持续时间超过时间阈值，则判断驾驶员已经进入瞌睡状态并发出警报。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中，红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器之间的距离相关联，具体包括：

眼部上一个点状物体向四周辐射红外的单位面积功率与物体温度的四次成正比，并与物体到待测点距离的平方成反比；二维与三维物体的红外辐射为其所有组成点辐射效果的积分。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中，在温度不变的情况下，眼部到中红外探测器的等效距离为r-r₀，距离缩小为初始距离的(r-r₀)/r倍，中红外探测器接收到的中红外辐射功率变大为睁眼状态的r²/(r-r₀)²倍，此时中红外探测器输出高于光热电信号S₁的光热电信号S₂。

作为本发明的进一步改进，所述光热电信号为电压信号或电流信号。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4包括：

S41.在监视控制终端设置判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值；

S42.中红外探测器测得的光热电信号通过电连接送至安装在眼镜边框位置的微处理器进行模拟到数字转换处理，并通过无线通信模块将实时数据发送至监视控制终端；

S43.若监视控制终端监测到光热电信号S₂超过时间阈值，则启动声音警报。

本发明的有益效果是：本发明通过构建一种可穿戴低成本中红外探测器用以实时监测人体眼部热辐射，实现对瞌睡闭眼状态的检测识别，并提出了一套疲劳驾驶监测与提醒装置方案。由于无需外部光源照射辅助、甚至无需焦平面成像阵列，中红外传感技术降低了监测系统的体积、成本与功耗；同时排除了环境可见光带来的影响，提高了装置识别的精准度；最后监测与提醒装置与眼镜、手机等物件集成增强了便携度与智能度。

附图说明

图1是本发明基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置的结构示意图；

图2是本发明中红外探测器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本专利利用非光刻的低成本加工技术制备室温下工作、零偏压低功耗、柔性透明的单像素中红外探测器或焦平面阵列，并将其应用于疲劳驾驶监测和提醒装置的眼皮状态检测。

基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置如图1所示，包括监视控制终端6、可穿戴的眼镜1、电气接触导线3、微处理器4、无线通信模块5、中红外探测器2，微处理器4、无线通信模块5设置在眼镜1的边框11上，中红外探测器2设置在眼镜1的镜片12上，微处理器4通过电气接触导线3连接中红外探测器2，无线通信模块5连接微处理器4，监视控制终端1与无线通信模块5对接。

眼镜1方便于驾驶者的佩戴，中红外探测器2设置在眼镜1的镜片12又可以使中红外探测器2更接近眼部的位置，从而更集中精确地收集来自驾驶者眼部的中红外管线；中红外探测器2用于实时对驾驶者的眼部进行监测，通过驾驶者眼部发出的中红外光的强度不同来转换为不同的光热电信号；微处理器4包含放大、滤波、模数转换等功能，通过电气接触导线3收集来自中红外探测器2的光热电信号，并转换为数字信号；无线通信模块5为近场通信（NFC）或低功耗蓝牙（Bluetooth low-energy）模块，将微处理器4产生的数字信号通过无线传输的方式发送到监视控制终端6上；监视控制终端6为智能手机或车载电脑，将数字信号显示出来，如图1中的显示的探测器信号7，并通过内嵌的应用程序实施监测指定信号持续的时间，并通过预先设定的时间阈值来作对比，从而通过判断驾驶者眼部闭合时信号的持续时长来判定驾驶者是否处于疲劳状态。

监测提醒装置的核心部件中红外探测器2是由柔性透明的沟道21、基底22、漏电极23与源电极24组成，如图2所示。沟道21连接在基底22上，漏电极23、源电极24分别连接在沟道21上的两端，中红外探测器2以受光源照射点为中心，为镜像非对称结构，漏电极23、源电极24为异质电极，沟道21为同质结结构；或漏电极23、源电极24为同质电极，沟道21为p-n结或异质结结构。

中红外探测器2的沟道21材料为同质的石墨烯、或石墨烯p-n结、或石墨烯-碳纳米管等异质结构成，沟道21材料包括但不限于石墨烯、扭转石墨烯、碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二维金属碳化物或氮化物、聚合物基复合材料等透明柔性半导体或半金属。中红外探测器2的柔性透明基底22包括但不限于聚乙烯醇，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷等绝热绝缘材料。中红外探测器2的漏电极23、源电极24材料包括但不限于石墨烯、银纳米线导电薄膜、碳纳米管薄膜、锡掺杂三氧化铟、铝掺杂氧化锌、金、银、铝等高电导率材料。

中红外探测器2的沟道21、基底22、甚至电极均由透明柔性的材质构成，安装集成在镜片12中央能确保对镜片12的贴附性和有良好的透光性，对视力的影响较为微弱。

该监测提醒装置的监测提醒方法包括以下步骤：

S1.驾驶员佩戴设有中红外探测器2的眼镜1，镜片12上的中红外探测器2实时接收从驾驶员眼部的发出的中红外光线，通过中红外探测器2的镜像非对称结构，漏电极23与源电极24之间输出定向的热电电压，热电电压大小随着入射中红外光的功率增强而增强，中红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器2之间的距离相关联；

S2.当驾驶员睁眼时，眼部到中红外探测器2的初始距离为r，中红外探测器2接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₁；

S3.当驾驶员闭眼时，眼皮的等效厚度为r₀，眼部到中红外探测器2的等效距离为r-r₀，此时中红外探测器2接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₂；

S4.设定判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值，监测光热电信号S₁和光热电信号S₂的持续时间，若光热电信号S₂的持续时间超过时间阈值，则判断驾驶员已经进入瞌睡状态并发出警报。

其中，光热电信号为电压信号或电流信号。

步骤S1中，红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器2之间的距离相关联，具体包括：

眼部上一个点状物体向四周辐射红外的单位面积功率与物体温度的四次成正比，并与物体到待测点距离的平方成反比；二维与三维物体的红外辐射为其所有组成点辐射效果的积分。

步骤S3中，在温度不变的情况下，眼部到中红外探测器2的等效距离为r-r₀，距离缩小为初始距离的(r-r₀)/r倍，中红外探测器2接收到的中红外辐射功率变大为睁眼状态的r²/(r-r₀)²倍，此时中红外探测器2输出高于光热电信号S₁的光热电信号S₂。

步骤S4包括：

S41.在监视控制终端6设置判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值；

S42.中红外探测器2测得的光热电信号通过电连接送至安装在眼镜1边框11位置的微处理器4进行模拟到数字转换处理，并通过无线通信模块5将实时数据发送至监视控制终端6；

S43.若监视控制终端6监测到光热电信号S₂超过时间阈值，则启动声音警报。

中红外探测器2的探测机制是基于零偏压下的光热电原理。由于包括人体在内的任何温度高于绝对零度的物体都会发出中红外光线，当入射光照射中红外探测器2时，沟道21薄膜的价带电子（空穴）或低能级导带电子（空穴）受到光子激发跃迁到高能级导带，形成热电子（空穴）。中红外探测器2结构的镜像非对称性形成了热电系数即塞贝克系数梯度，同时产生了电子（空穴）的温度梯度，因此漏电极23与源电极24之间将输出定向的热电电压，其电压大小随着入射中红外光的功率增强而增强。一个点状物体向四周辐射红外的单位面积功率与物体温度的四次成正比，并与物体到待测点距离的平方成反比。二维与三维物体的红外辐射可以看作对其所有组成点辐射效果的积分。

当人眨眼时，尽管温度没有发生变化，但眼皮存在约2~4 mm的厚度，眼部到中红外探测器2的距离会产生变化。将中红外探测器2放置在眼镜1的镜片12上，设眼皮的等效厚度为r₀。当眼皮张开时，眼部到中红外探测器2的初始距离为r，中红外探测器2接收到眼部一定量的红外辐射而输出一定的光热电电压/电流信号S₁；当眼皮闭合后，整个眼部到中红外探测器2的等效距离变为r-r₀，即距离缩小为原来的(r-r₀)/r倍，因此中红外探测器2上接收到的中红外辐射功率变大为原来的r²/(r-r₀)²倍，此时输出更高的电压/电流信号S₂。高电信号S₂所持续的时间直接反映出闭眼状态的持续时间，而较低电信号S₁的持续时间对应着睁眼的状态，因而实现睁眼和闭眼两种状态的区分。

将中红外探测器2测得的电压/电流模拟信号通过电连接送至安装在眼镜1边框11位置的微处理器4进行模拟到数字转换等处理，并通过近场通信或低功耗蓝牙模块将实时数据发送至手机或车载电脑，配套的应用程序将实时数据进行计算、显示和存储。如图1中监视控制终端6内显示的探测器信号波纹线，如果微处理器4测量到的高电压/电流持续的时间t超过时间阈值，如3秒的时间阈值，即判断驾驶员已经进入瞌睡状态，应用程序将启动手机或车载音响的声音警报，及时提醒驾驶者即刻恢复注意力到驾驶操作中。

光热电型探测机制即利用光子的能量驱动电流，使中红外探测器2本身成为零功耗的无源器件，同时没有额外的制冷器使整个装置微型化，得以安装集成在眼镜1上。除了无源的中红外探测器2，微处理器4、低功耗蓝牙或近场通信等模块为低功耗的有源器件，其所需能量由手机或车载电脑发射的电磁波实时提供，或由从环境收集能量的微纳发电机提供，或由小型可充电池提供。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于疲劳驾驶的中红外探测器，其特征在于，包括柔性透明的沟道、基底、漏电极、源电极，所述沟道连接在基底上，所述漏电极、源电极分别连接在沟道上的两端，所述中红外探测器以受光源照射点为中心，为镜像非对称结构，所述漏电极、源电极为同质电极，所述沟道为p-n结或异质结结构；

所述漏电极、源电极材料为柔性透明的高电导率材料，所述高电导率材料包括石墨烯、银纳米线导电薄膜、碳纳米管薄膜、锡掺杂三氧化铟、铝掺杂氧化锌。

2.根据权利要求1所述基于疲劳驾驶的中红外探测器，其特征在于，所述沟道材料为柔性透明的半导体或半金属材料，所述半导体或半金属材料包括石墨烯、扭转石墨烯、碳纳米管薄膜、黑磷、二硫化钼、二维金属碳化物或氮化物、聚合物基复合材料。

3.根据权利要求1所述基于疲劳驾驶的中红外探测器，其特征在于，所述基底材料为柔性透明的绝热绝缘材料，所述绝热绝缘材料包括聚乙烯醇，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷。

4.一种基于权利要求1~3任一项所述中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒装置，其特征在于，包括监视控制终端、可穿戴的眼镜、电气接触导线、微处理器、无线通信模块，所述微处理器、无线通信模块设置在眼镜的边框上，所述中红外探测器设置在眼镜的镜片上，所述微处理器通过电气接触导线连接中红外探测器，所述无线通信模块连接微处理器，所述监视控制终端与无线通信模块对接。

5.一种根据权利要求4所述装置的基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.驾驶员佩戴设有中红外探测器的眼镜，镜片上的中红外探测器实时接收从驾驶员眼部的发出的中红外光线，通过中红外探测器的镜像非对称结构，漏电极与源电极之间输出定向的热电电压，热电电压大小随着入射中红外光的功率增强而增强，中红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器之间的距离相关联；

S2.当驾驶员睁眼时，眼部到中红外探测器的初始距离为r，中红外探测器接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₁；

S3.当驾驶员闭眼时，眼皮的等效厚度为r₀，眼部到中红外探测器的等效距离为r-r₀，此时中红外探测器接收到眼部的中红外辐射而输出光热电信号S₂；

S4.设定判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值，监测光热电信号S₁和光热电信号S₂的持续时间，若光热电信号S₂的持续时间超过时间阈值，则判断驾驶员已经进入瞌睡状态并发出警报。

6.根据权利要求5所述基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，其特征在于，所述步骤S1中，红外光的功率与眼部的温度，及眼部跟中红外探测器之间的距离相关联，具体包括：

眼部上一个点状物体向四周辐射红外的单位面积功率与物体温度的四次成正比，并与物体到待测点距离的平方成反比；二维与三维物体的红外辐射为其所有组成点辐射效果的积分。

7.根据权利要求6所述基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，其特征在于，所述步骤S3中，在温度不变的情况下，眼部到中红外探测器的等效距离为r-r₀，距离缩小为初始距离的(r-r₀)/r倍，中红外探测器接收到的中红外辐射功率变大为睁眼状态的r²/(r-r₀)²倍，此时中红外探测器输出高于光热电信号S₁的光热电信号S₂。

8.根据权利要求5或7所述基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，其特征在于，所述光热电信号为电压信号或电流信号。

9.根据权利要求5所述基于中红外探测器的疲劳驾驶监测提醒方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S41.在监视控制终端设置判定驾驶员疲劳驾驶的时间阈值；

S42.中红外探测器测得的光热电信号通过电连接送至安装在眼镜边框位置的微处理器进行模拟到数字转换处理，并通过无线通信模块将实时数据发送至监视控制终端；

S43.若监视控制终端监测到光热电信号S₂超过时间阈值，则启动声音警报。