CN208837933U - 一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，包括检测系统；所述检测系统包括若干电极；若干所述电极通过第一模拟开关(5)分别与激励输出放大器(6)、跨导放大器(7)和仪表放大器(8)通讯连接；本实用新型能有效监测电极的接触情况以选择最优的电极组合来检测心电信号，同时针对心电检测采用特殊的滤波带宽以抵制运动干扰的影响；此外，该疲劳驾驶检测装置的供电采用太阳能充电电池技术供电，不依赖于车载电源；而且通过采用加速度传感器，使系统只有动起来时才打开电源，显著降低了装置的待机功耗，续航能力突出。

Description

一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置

技术领域

本实用新型涉及检测装置领域，尤其涉及一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置。

背景技术

随着社会的发展，汽车作为一种代步工具已经成为日常生活中不可缺失的组成部分，与此同时交通及驾驶安全也成为生活中的一个重要话题。据交通部门统计，60％以上的交通事故与疲劳驾驶有关。疲劳驾驶是驾驶人在长时间连续行车后，产生生理和心理机能的失调，这会影响到驾驶人的思维判断及反应速度。因此，如何检测及提醒疲劳驾驶减少交通事故的发生已经成为各个国家的各大车企研究的重点。目前商用的主流疲劳驾驶检测系统大多由各大车企开发并用在其高端车型上，其主要的检测原理是利用行车电脑记录并分析驾驶员的驾驶行为，例如方向盘的转动信息、油门及刹车踏板的行为等来判断驾驶员是否处于疲劳状态并做相应提醒。这是行之有效的方法但远未普及到普通大众车型中，而且各大车厂的调教不同，性能各异。

市场的需求刺激并推动了第三方检测产品的研发，目前主流的方案有如下几种：

1.戴在头上的耳机或者头环等物品，利用加速度检测原理检测驾驶人是否有打瞌睡低头现象，从而提醒驾驶者。这类产品的问题比较明显，首先驾驶人打瞌睡不一定低头，而且当打瞌睡发展到低头时往往已经太晚了。另外，这类产品的体积需要很小利于佩戴，但利用加速度检测低头时间需要软件持续高数据率监测，而且还要避免车子过起伏路面时误报的问题，软件开发成本较大且系统功耗较大，实用性差。

2.利用图像识别的方式来识别头部及面部特征，如瞌睡低头、眨眼等特点来判断是否处于疲劳状态。但这种方法的系统开销更大，更需要考虑如何集成到车舱中去以及如何解决不同光照环境下的图像识别问题，实用性差。

3.利用接触阻抗检测方式判断驾驶者手是否在方向盘上，这种方法也有局限性。首先，接触和握紧两个状态很难判定，因为影响接触阻抗的因素除了接触面积，还包括汗液、空气湿度等；其次，接触得好不好不能作为判断疲劳的条件，因为有可能人趴在方向盘上或者虽然双手抓紧方向盘但很疲惫的情况。

4.通过检测驾驶员的生命体征的方法也是可行的方案，但单一的指标测试不具有唯一性，过高的误判率往往会打消驾驶人的使用兴趣。典型的方案讨论如下：

1)采用可穿戴式手环、手表来监控驾驶人的运动情况及脉率变化，从而判断疲劳情况，这种方法的便利性高但精度很差，脉率变化虽然有效但单手基于光电吸收法检测的脉率一般是基于频域的分析法，延时很长，脉率变化的误差极大。

2)基于接触电极的生物电势检测法，生物电势如心电、脑电、肌电信号检测。脑电是较好的方式，但最好佩戴于头部而且有电极贴头皮，使用感受不好。肌电能够反映一些运动和情绪变化，但受运动干扰太大不利于实际产品设计。心电的频率低于脑电和肌电而且信号较强是生物电势采集的理想选择。但是心电信息采集也存在下面问题：一、心电信号检测需要依赖于导电性的电极，电极的大小、尺寸、材料以及摆放的位置都会影响最终的接触效果；二、心电信号属于微弱的生物电势信号，很容易受到外界干扰。比如被驾驶员打方向盘或者经常不放在方向盘上，手上涂抹了护手霜，天冷手部皮肤干燥造成很大的接触阻抗等等；三、一般放置多个电极以保证驾驶员触摸到采集电极，而心电采集必须准确识别到具体电极接触后才开始信号采集，这比较难处理而且浪费功耗，因为有时候驾驶员也许会同时接触多个电极，如何采集、采哪些电极是需要研究的问题。

3)基于接触电极的生物阻抗检测法。阻抗检测或者或者生理阻抗测试是检测两个电极间的生物复阻抗，它不但能检测驾驶员是否触摸到电极也能反映驾驶员皮肤与电极的接触程度，进而检测电极间的皮电活动情况，获知驾驶员的情绪变化或者疲劳情况。同心电信号检测一样，基于阻抗的检测方法也有下面的局限性：一、电极的大小、尺寸、材料以及摆放的位置都会影响最终的接触效果；二、虽然情绪变化或紧张有可能导致手心汗液变化导致阻抗的变化，但实际使用中时天气气温变化的影响远大于前者。如气温高本身身体容易出汗，空调开的冷汗液变少；三、皮电活动需要长时间连续监测，如果驾驶员处于活动状态则很难在软件上识别及滤除干扰。

综上所述，有必要发明一种检测可靠性及准确性高、方便易用、兼容性强的基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种检测可靠性及准确性高、方便易用、兼容性强的基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，包括检测系统；所述检测系统包括若干电极；若干所述电极通过第一模拟开关分别与激励输出放大器、跨导放大器和仪表放大器通讯连接；

所述激励输出放大器的信号输入端与数模转换器的信号输出端通讯连接；所述数模转换器的信号输入端与数字频率合成器的信号输出端通讯连接；数字频率合成器的信号输入端与处理器的信号输出端通讯连接；

所述跨导放大器的信号输出端依次通过第二模拟开关、模数转化器与处理器通讯连接；所述仪表放大器依次通过带通滤波器、第二模拟开关、模数转化器与处理器通讯连接；

所述处理器与蓝牙模块通讯连接。

进一步地，还包括供电系统；所述供电系统包括太阳能电池板；所述太阳能电池板的电力输出端与能量获取装置的电力输入端连接；所述能量获取装置的电力输出端与储能电池的电力输入端连接；所述储能电池的电力输出端分别与加速度传感器、电源管理模块的电力输入端连接；所述电源管理模块的电力输出端与检测系统各用电元件的电力输入端连接；所述加速度传感器控制连接电源管理模块；所述处理器与加速度传感器控制连接。

进一步地，所述太阳能电池板位于远离驾驶员一侧的方向盘上表面。

进一步地，若干所述电极间隔设置在方向盘的环形握把表面；所述电极包括第一电极、第二电极、第三电极和第四电极；所述第一电极和第二电极分别设置在方向盘横把的远离驾驶员一侧；所述第一电极和第二电极左右对称设置；所述第三电极和第四电极分别设置在方向盘横把的靠近驾驶员一侧；所述第三电极和第四电极左右对称设置。

进一步地，所述第三电极和第四电极分别包括若干个信号采集点；所述若干信号采集点在各自电极所对应的环形握把区域内间隔分布。

有益效果：本实用新型的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，能有效监测电极的接触情况以选择最优的电极组合来检测心电，同时针对心电检测采用特殊的滤波带宽以抵制运动干扰的影响；该设计提供了一种稳定、可靠地检测心电 R波的方法，从而为后续软件计算R-R间期以及分析心率变异性提供前提条件；此外，该疲劳驾驶检测装置的供电采用太阳能充电电池技术供电，不依赖于车载电源；而且通过采用加速度传感器，使系统只有动起来时才打开电源，显著降低了装置的待机功耗，续航能力突出。

附图说明

附图1为检测装置电路架构图；

附图2为电源管理模块；

附图3所示为电极位置示意图；

附图4为加速度传感器实现电源开关的功能示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如附图1所示，一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，包括检测系统；所述检测系统包括若干电极；若干所述电极通过第一模拟开关5分别与激励输出放大器6、跨导放大器7和仪表放大器8通讯连接；

所述激励输出放大器6的信号输入端与数模转换器10的信号输出端通讯连接；所述数模转换器10的信号输入端与数字频率合成器12的信号输出端通讯连接；数字频率合成器12的信号输入端与处理器14的信号输出端通讯连接；

所述跨导放大器7的信号输出端依次通过第二模拟开关11、模数转化器13与处理器14通讯连接；所述仪表放大器8依次通过带通滤波器9、第二模拟开关11、模数转化器13与处理器14通讯连接；所述处理器14与蓝牙模块15通讯连接；其中，处理器 14和蓝牙模块15可以选取Nordic公司的BLE5.0SOC芯片nRF52840或者选用TI公司的蓝牙SOC芯片CC2640；仪表放大器8和带通滤波器9可以选取TI公司的OPA2333 低噪声低功耗运放搭建，或者仪表放大器8选用标准器件，如TI的INA333，带通滤波器9带宽在5～40Hz甚至更窄如8～25HZ；激励输出放大器6、模数转换器10、数字频率合成器12、跨导放大器7、第二模拟开关11以及数字转换器13可以用TI公司的 AFE4300芯片完成，也可以自行选择分立器件搭建。

从图中可知，电极通过第一模拟开关5与内部信号调理电路的内部信号TX、RX， P和N连接；信号TX和RX用于检测两个电极间的阻抗，通过第一模拟开关5可以将电极与其相连以检测阻抗，这里TX是激励发射信号，RX是接收信号；TX的激励驱动电路由数字频率合成器12、数模转换器10和激励输出放大器6组成，这一电路可以改变输出激励的频率、幅度以及波形；RX接收电路由跨导放大器7、第二模拟开关11和模数转换器13组成，将接收到的信号转换为数字量，处理器14处理获得的数字量并计算获得阻抗信息；TX和RX两套电路组成了典型的钻孔测试电路；

信号P和N是内部仪表放大器8的输入引脚，仪表放大器8主要用于采集心电信号并放大给后端的带通滤波器9，然后信号经模拟开关11送到模数转换器13将信号数字化；处理器14通过接口从模数转换器13获得信号后首先分析心电信号的R波尖峰位置，然后据此计算出相邻两个波形的R波间隔时间即R-R间期，R-R间期可用于心率变异性分析和计算；采用心率变异性分析来测量神经的兴奋程度，获得驾驶者的疲劳程度；前面提到的皮电活动与心率变异性分析同属于分析交感神经的兴奋情况的技术，但皮电活动检测需要连续长时间的检测而且容易手环境干扰(如前面提到的汗液、护手霜以及运动情况等)；心电信号采集技术与阻抗测量一样容易受干扰，但心率变异性检测技术只关心其心率的变化，对具体波形要求很低，只需要有心电R波尖峰即可，这大大提高了检测的鲁棒性；

基于以上需求，我们设计心电信号检测电路时可以选择牺牲信号质量来换取抗运动干扰的能力及减少信号恢复的时间；这样可以大大提高检测R波的准确度以及稳定性；因此我们设计了一个窄带通滤波器，高通滤波器需要两阶或两阶以上，截止频率不小于 5Hz，低通滤波器不大于40Hz；原因是人体的呼吸、说话以及日常行动频率一般不大于 5Hz，这样可以有效地滤除运动干扰，提高信号检测的稳定度；

当与心电检测协同工作时，阻抗检测不用于检测皮电活动，只用来检测相对阻抗至及其变化，这是定性而不是定量的检测，用于与心电采集配合可以检测哪些心电电极连接或脱落，以及电极的接触情况；考虑到不同驾驶人员的习惯不同，这种方案在检测接触和心电导联的同事还可以获知驾驶员的驾驶习惯；比如长期单手驾驶时需要及时提醒；这既避免了本身测量皮电活动不稳定的问题，又能帮助心电测试解决导联脱落、电极接触质量差的问题，帮助提高检测的稳定度。

所述检测系统还包括供电系统；所述供电系统包括太阳能电池板20；所述太阳能电池板20的电力输出端与能量获取装置19的电力输入端连接；所述能量获取装置19的电力输出端与储能电池18的电力输入端连接；所述储能电池18的电力输出端分别与加速度传感器16、电源管理模块17的电力输入端连接；所述电源管理模块17的电力输出端与检测系统各用电元件的电力输入端连接；所述加速度传感器16控制连接电源管理模块17；所述处理器14与加速度传感器16控制连接；

其中，能量获取装置19的功能主要是将太阳能电池输出的电流信号转化为给电池充电的电压，并将能量储存在储能电池18上；能量获取装置19具体可以使用凌特公司的LT3331芯片，该芯片集成了太阳能能量收集以及一路升降压开关电源的功能，非常方便基于太阳能进行能量收集以及供电的低功耗系统；也可以选用ADI公司的AD5092，但不同于LTC3331，AD5092没有集成开关电源功能；

储能电池18是可充电电池，考虑到车载设备的工作环境，需要选用宽温度范围(至少保证零下20到80度)的电池，容量不限，一般50～100mAh即可；

电源管理17是与运动开关16和储能电池18连接的功能单元。附图4提供了一种加速度传感器16和电源管理17的具体实现方式，加速度传感器16可以选取ADI公司的MEMS加速度传感器ADXL362，电源管理17可选用ADI公司的负载开关ADP195，也可以设计更多的逻辑用于配合处理器14的工作，即在附图1所示的电源管理17和处理器14之间添加控制信号。该处的具体设计原理如下：

1)加速度传感器16需要一直工作，因此其待机功耗需要很低，加速度传感器ADXL362符合这一要求；

2)加速度传感器16需要一直工作，所以直接由储能电池18供电，考虑到工作电压范围，可以由电池电压串联二极管降压直接给加速度传感器供电，由于加速度传感器选择低功耗的器件，二极管损失的功率可以忽略；

3)加速度传感器16起到运动开关的功能，如附图3所示，当有运动时，ADXL362 输出信号打开电源负载开关ADP195，从而打开系统电源，这时至少处理器14的电源需要打开并做进一步的处理；

4)当处理器14工作时，加速度传感器16的电源控制权需要转交给处理器14，由处理器14掌管系统电源以及各个模块电源的开启和关闭，起到低功耗管理的作用。处理器14通过控制接口配置并获取加速度传感器16的数据；

5)如果处理器14发现加速度传感器16没有运动数据输出或者已经完成了采集任务，则关闭系统电源让加速度传感器16重新控制系统电源开启；

重复以上3)、4)、5)的步骤就可以实现检测装置的反复运行。

储能电池18给检测装置供电，且其供电由一个加速度传感器16控制，也就是说设备只有在运动，如方向盘开始转动时才能开启电源让处理器14工作。但该加速度传感器16只能用于打开设备电源让处理器14工作，一旦处理器14开机该功能关闭，之后由处理器14来控制如附图2所示的电源管理模块17来关闭电源，在关闭电源后处理器 14也停止工作，从而完成整个检测装置的关机；

处理器14处理上述接触阻抗情况以及心率变异性分析后，通过蓝牙模块15将提示信息传给智能手机或者车载电脑；同时检测装置本身也可以自带简单蜂鸣器提醒用户。

此外，所述太阳能电池板20位于远离驾驶员一侧的方向盘上表面，一方面可以尽可能暴露在阳光照射下，另一方面该区域不会被手部遮挡，发电效率更高；太阳能电池板20输出的电能可以存储在储能电池18内；

作为一种第三方车载设备，必须考虑设备的安装及维护问题，因此如何方便安装使用，如何减少对具体车辆的依赖是决定产品销量的关键因素；该疲劳驾驶检测装置的供电采用太阳能充电电池技术供电，不依赖于车载电源；而且通过采用加速度传感器，使系统只有动起来时才打开电源，显著降低了装置的待机功耗，续航能力突出。

若干所述电极间隔设置在方向盘的环形握把表面；所述电极包括第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4；所述第一电极1和第二电极2分别设置在方向盘横把的远离驾驶员一侧；所述第一电极1和第二电极2左右对称设置；所述第三电极3和第四电极4分别设置在方向盘横把的靠近驾驶员一侧；所述第三电极3和第四电极4左右对称设置。

所述第三电极3和第四电极4分别包括若干个信号采集点；所述若干信号采集点在各自电极所对应的环形握把区域内间隔分布；

该检测装置放于方向盘上，电极外露以便与驾驶员手掌接触，为了提高接触效果及接触概率，本发明采用四组多个电极的方法，即电极有四组，每组电极可以有一个或多个实体，组件电极是内部连接在一起的；由于是基于电极的测量，而电极与人体指尖的最佳方式当然是通过方向盘与驾驶人的手部接触，因此本装置的形态是一种可以放置或嵌套于于方向盘上的套子或者装饰配件。

如附图3中的(a)和附图3中的(b)分别为同种电极摆放位置在三幅和四幅方向盘上的位置示意图，这种方案能够兼容不同的方向盘布局以适应不同的场景。需要注意的是这里电极共有4组，即第一电极1、第二电极2、第三电极3和第四电极4，如前面所述每组电极可以有一个或多个但不论有多少个组内电极是连在一起的，这主要是为了增加与人体接触的面积以及覆盖更多的位置。太阳能电池板放于方向盘正上方，这个位置最容易获得光照使得设备得到充电。

表1不同场景下的检测电极组合

表1列出了基于附图3的结构在不同场景下的电极使用组合情况，场景一、场景二、场景三和场景四是本装置检测的最佳组合，后面的场景五和场景六虽然不合理也是存在的，即两只手均在一侧。这些组合有可能同时存在，在实际使用时需要结合接触阻抗检测单元对表1的各个组合从左到右一次扫描选取阻抗最低的组合采集心电。这里的阻抗最低是有限制的比如要满足阻抗需要大于10K欧姆@100Hz的条件，防止短路误判。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，其特征在于：包括检测系统；所述检测系统包括若干电极；若干所述电极通过第一模拟开关(5)分别与激励输出放大器(6)、跨导放大器(7)和仪表放大器(8)通讯连接；

所述激励输出放大器(6)的信号输入端与数模转换器(10)的信号输出端通讯连接；所述数模转换器(10)的信号输入端与数字频率合成器(12)的信号输出端通讯连接；数字频率合成器(12)的信号输入端与处理器(14)的信号输出端通讯连接；

所述跨导放大器(7)的信号输出端依次通过第二模拟开关(11)、模数转化器(13)与处理器(14)通讯连接；所述仪表放大器(8)依次通过带通滤波器(9)、第二模拟开关(11)、模数转化器(13)与处理器(14)通讯连接；

所述处理器(14)与蓝牙模块(15)通讯连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，其特征在于：还包括供电系统；所述供电系统包括太阳能电池板(20)；所述太阳能电池板(20)的电力输出端与能量获取装置(19)的电力输入端连接；所述能量获取装置(19)的电力输出端与储能电池(18)的电力输入端连接；所述储能电池(18)的电力输出端分别与加速度传感器(16)、电源管理模块(17)的电力输入端连接；所述电源管理模块(17)的电力输出端与检测系统各用电元件的电力输入端连接；所述加速度传感器(16)控制连接电源管理模块(17)；所述处理器(14)与加速度传感器(16)控制连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，其特征在于：所述太阳能电池板(20)位于远离驾驶员一侧的方向盘上表面。

4.根据权利要求1所述的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，其特征在于：若干所述电极间隔设置在方向盘的环形握把表面；所述电极包括第一电极(1)、第二电极(2)、第三电极(3)和第四电极(4)；所述第一电极(1)和第二电极(2)分别设置在方向盘横把的远离驾驶员一侧；所述第一电极(1)和第二电极(2)左右对称设置；所述第三电极(3)和第四电极(4)分别设置在方向盘横把的靠近驾驶员一侧；所述第三电极(3)和第四电极(4)左右对称设置。

5.根据权利要求4所述的一种基于阻抗检测和心率变异性分析的疲劳驾驶检测装置，其特征在于：所述第三电极(3)和第四电极(4)分别包括若干个信号采集点；所述若干信号采集点在各自电极所对应的环形握把区域内间隔分布。