KR100517119B1 - System for preventing drowsiness while driving using unconscious respiratory detection - Google Patents
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Abstract
본 발명은 운전자가 자각하지 않는 상황에서 운전자의 호흡을 검출하여 졸음 상태를 판별하는 무자각적 호흡 검출 방식을 이용한 졸음 운전 방지 시스템에 관한 것으로서, 운전자의 호흡 신호를 검출하는 호흡 검출 수단(11); 호흡 신호를 분석하여 졸음 상태이면 경보 신호를 출력하는 호흡 분석 수단(12); 및 경보 신호를 받아 경보를 발하는 경보 수단(13);을 구비하는 것을 특징으로 하고, 특히 호흡 검출 수단(11)은, 운전자의 호흡에 의해 가해지는 인장력과 복원력을 감지하는 고분자 화합물 판과, 고분자 화합물 판 위에 부착되어 인장력 및 복원력을 전달 받으면 저항이 변화되는 스트레인게이지 센서와, 저항 변화를 검출하여 디지털 호흡 신호로 변환하는 브릿지 회로를 구비하고, 안전벨트에 부착되는 것을 특징으로 하며, 호흡 분석 수단(12)은, 주기적으로 호흡 신호의 FFT 파워 스펙트럼에서 전체 파워에 대한 특정 주파수 밴드의 파워의 비(α)를 계산하고, α값이 연속하여 일정 횟수 이상 일정치를 초과하는 경우 경보 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a drowsy driving prevention system using an insensitive breathing detection system that detects a driver's breathing in a situation where the driver is not aware of the driver's breathing, and detects a driver's breathing signal; Respiratory analysis means (12) for analyzing the respiratory signal and outputting an alarm signal when it is drowsy; And an alarm means (13) for receiving an alarm signal and generating an alarm; in particular, the respiratory detection means (11) includes a polymer compound plate for detecting tensile force and restoring force applied by a driver's breath, and a polymer. It is equipped with a strain gauge sensor that changes resistance when it is attached to the compound plate and receives tensile and restoring force, and a bridge circuit that detects a resistance change and converts it into a digital breathing signal, and is attached to a seat belt, and the breath analysis means 12 periodically calculates the ratio α of the power of a specific frequency band to the total power in the FFT power spectrum of the breathing signal, and outputs an alarm signal when the α value continuously exceeds a certain value for a predetermined number of times in succession. Characterized in that.
Description
본 발명은 운전자의 졸음 방지 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전자가 자각하지 않는 상황에서 운전자의 호흡을 검출하여 졸음 상태를 판별하는 무자각적 호흡 검출 방식을 이용한 졸음 운전 방지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a driver's drowsiness prevention system, and more particularly, to a drowsiness driving prevention system using an involuntary breath detection method for detecting a driver's drowsiness by detecting a driver's breathing in a situation where the driver is not aware.
졸음 운전은 교통사고의 중요한 원인으로, 치명적인 교통사고의 36%, 전체 교통사고의 43 ~ 54%가 졸음 운전으로 인한 것이다. 따라서, 운전자의 졸음을 감지하여 운전자에게 경고음을 발생하는 시스템은 교통 사고를 줄일 수 있는 매우 중요한 기술이다. Drowsy driving is an important cause of traffic accidents, with 36% of fatal traffic accidents and 43-54% of all traffic accidents resulting from drowsy driving. Therefore, a system that detects a driver's drowsiness and generates a warning sound to the driver is a very important technology to reduce traffic accidents.
지금까지 운전 중 졸음(Drowsiness)을 감지하는 기술에 대한 연구는 대부분 졸음 상태에 들어섰을 때 비교적 큰 변화를 보이는 뇌파(Electroencephalogram, 이하 'EEG'), 눈꺼풀 개폐시간(Blinking Duration) 또는 머리가 숙여지는 정도 등을 중심으로 진행되어 왔다. Until now, research on the technology of detecting drowsiness while driving has been mostly conducted by electroencephalogram (EEG), Blinking Duration, or bowing, which show relatively large changes when entering drowsiness. The progress has been made around precision.
대한민국 특허 제209610호는 EEG 신호를 이용한 졸음 방지 장치를 개시하고 있으나, EEG 및 심박수를 감지하는 센서류의 장착은 운전자가 피관리의식을 받게 되어 민감해질 수 있다는 문제가 있다. 따라서, 운전자가 의식하지 않는 상황에서 졸음을 감지할 수 있는 방법이 필요하다.Korean Patent No. 209610 discloses a drowsiness preventing device using an EEG signal, but there is a problem in that the mounting of sensors for detecting EEG and heart rate may be sensitive to the driver's control. Therefore, there is a need for a way to detect drowsiness in situations where the driver is not aware.
대한민국 특허 제291378호는 운전자의 눈이 닫혀진 상태로 있는지를 검출하고 폐안 상태의 지속 시간을 이용하여 졸음을 감지하고 있다. 일반적으로, 눈꺼풀 개폐시간을 이용하는 시스템의 작동 원리는 차량 핸들 부위에 초음파 센서와 적외선 센서가 있는 5~6㎝ 크기의 소형카메라를 달아 운전자 눈의 상태를 식별케 하는 것이다. 카메라로 파악된 운전자 눈의 깜박이는 정도와 눈 감고 있는 시간 등을 컴퓨터가 분석한 뒤 졸음으로 판단될 경우 경보장치를 울리게 되어 있다. 이는 외부에서 들어오는 자연광이나 안경의 반사광에 감지센서가 장애를 일으키는 등 몇 가지 단점을 가지고 있다. 또한 다른 장애물에 의해 눈이 가려지는 등의 장애가 발생할 수 있으며 초기 설치 비용이 고가인 단점이 있다. Korean Patent No. 291378 detects whether the driver's eyes are closed and detects drowsiness using the duration of a closed eye state. In general, the principle of operation of the system using the eyelid opening and closing time is to attach a small camera 5-6 cm size with an ultrasonic sensor and an infrared sensor on the steering wheel portion of the vehicle to identify the driver's eyes. When the computer analyzes the driver's eyes blinking and the time when the eyes are closed, the alarm device sounds. This has some disadvantages, such as the detection sensor interferes with the natural light from the outside or reflected light from the glasses. In addition, obstacles such as blinding may occur due to other obstacles, and there is a disadvantage that the initial installation cost is expensive.
대한민국 특허 제180385호는 등선과 헤드라인의 각도 변화량을 측정하여 졸음 상태를 판별하고 있다. 또 다른 방법 가운데 하나는 차선 인식 카메라와 센서에서 차량의 사행량(蛇行量) 및 운전대 조작량을 감지하여 컴퓨터가 운전자의 주의력의 수준을 판단하고, 속도 표시판에 표시와 함께 음성으로 경고하여 주는 시스템이 있다. 이는 운전대의 조타량과 조작의 요동에 따라 사행률(蛇行率)을 센서가 감지하여 운전자가 졸음상태에 있는지를 판단하는 체계이다. 그러나, 주행상황의 감지만으로 운전자가 졸음상태인가를 정확하게 판단하는 것은 어려운데, 이것은 직선로가 계속되는 고속도로에서는 운전대의 조타량이 적기 때문이다. 따라서, 졸음에 가까운 상태인지를 정확하게 파악하기 위해서는 운전자의 생체신호 검출이 필수적이다. Korean Patent No. 180385 determines the drowsiness state by measuring the angle change amount of the isoline and the headline. Another method is a system that detects the vehicle's meandering amount and steering wheel operation by lane-recognizing cameras and sensors, and allows the computer to determine the driver's level of attention and voice warning with indication on the speed display. have. This is a system that determines whether the driver is drowsy by detecting the meandering rate according to the steering amount and the shaking of the steering wheel. However, it is difficult to accurately determine whether the driver is drowsy only by detecting the driving situation, since the steering amount of the steering wheel is small on the highway where the straight road continues. Therefore, in order to accurately determine whether the state is close to drowsiness, it is essential to detect the biosignal of the driver.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 깨어있을 때와 졸릴 때 운전자의 호흡 패턴에 분명한 차이점이 존재하는 것에 착안하였으며, 운전자가 자각하지 않는 상황에서 호흡을 검출하고 분석하여 졸음 운전을 방지할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. In order to solve the above problems, the present invention is focused on the fact that there is a clear difference between the driver's breathing patterns when waking up and sleepy, and can detect and analyze breathing in a situation where the driver is not aware of preventing drowsy driving. It is an object to provide a system.
본 발명은 상기 목적의 달성을 위해, 운전자의 호흡 신호를 검출하는 호흡 검출 수단(11); 상기 호흡 신호를 분석하여 졸음 상태이면 경보 신호를 출력하는 호흡 분석 수단(12); 및 상기 경보 신호를 받아 경보를 발하는 경보 수단(13);을 구비하는 것을 특징으로 하는 무자각적 호흡 검출을 이용한 졸음 운전 방지 시스템을 제공한다.The present invention, to achieve the above object, the breath detection means for detecting a breathing signal of the driver (11); Respiratory analysis means (12) for analyzing the respiratory signal and outputting an alarm signal when the user is drowsy; And alarm means (13) for receiving the alarm signal and generating an alarm. The drowsiness driving prevention system using the insensitive inhalation detection is provided.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 호흡 검출 수단(11)은, 운전자의 호흡에 의해 가해지는 인장력과 복원력을 감지하는 고분자 화합물 판(111)과, 상기 고분자 화합물 판 위에 부착되어 상기 고분자 화합물 판으로부터 상기 인장력 및 복원력을 전달 받으면 저항이 변화되는 스트레인게이지 센서(112)와, 상기 스트레인게이지 센서에 연결되고 상기 저항 변화를 검출하여 디지털 호흡 신호로 변환하는 브릿지 회로(113)를 구비하고, 안전벨트에 부착되는 것을 특징으로 한다.According to another feature of the invention, the respiratory detection means 11, the polymer compound plate 111 for detecting the tensile force and the restoring force applied by the driver's breathing, and is attached on the polymer compound plate from the polymer compound plate Strain gauge sensor 112, the resistance is changed when the tensile force and the restoring force is transmitted, and the bridge circuit 113 is connected to the strain gauge sensor and detects the resistance change and converts it into a digital breathing signal, It is characterized by being attached.
본 발명의 또다른 특징에 의하면, 상기 호흡 분석 수단(12)은, 주기적으로 상기 호흡 신호의 FFT(Fast Fourier Transform) 파워 스펙트럼에서 전체 파워에 대한 특정 주파수 밴드의 파워의 비(α)를 계산하고, 상기 α값이 연속하여 일정 횟수 이상 일정치를 초과하는 경우 경보 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.According to another feature of the invention, the respiratory analysis means 12 periodically calculates the ratio α of the power of a particular frequency band to the total power in the Fast Fourier Transform (FFT) power spectrum of the respiratory signal and When the α value continuously exceeds a predetermined value for a predetermined number of times, an alarm signal is output.
먼저 수면 중의 호흡 상태를 살펴보면, 크게 NREM(Non Rapid Eye Movement) 수면과 REM(Rapid Eye Movement) 수면으로 나눌 수 있다. First of all, the breathing state during sleep can be divided into non rapid eye movement (NREM) sleep and rapid eye movement (REM) sleep.
졸음 수면 상태는 NREM 수면으로, NREM 수면은 1, 2단계의 얕은 수면단계와 3, 4단계의 서파(Slow Wave) 수면단계로 전개된다. 이 중 1단계와 각성상태에 의해 방해된 짧은 기간 동안의 2단계를 일컬어 불안정 NREM 수면이라 하고, 졸음은 불안정 NREM 수면에 해당한다. The drowsy sleep state is NREM sleep, and the NREM sleep is developed into shallow sleep stages 1 and 2 and slow wave sleep stages 3 and 4. The first stage and the second stage during a short period of time hindered by the awake state are called unstable NREM sleep, and drowsiness corresponds to unstable NREM sleep.
불안정 NREM 수면의 가장 큰 특징은 주기 호흡(Periodic Breathing)이다. 주기 호흡이란 잠이 시작되는 순간이나 졸음 상태에서 호흡의 크기가 규칙적으로 증가하고 감소하는 현상을 의미한다. 즉, 수면이 불안정 NREM 수면 상태로 들어가게 되면 호흡은 점차 일정하게 커지다가 다시 일정하게 작아진 후 몇 초 동안 정지되고 다음 주기가 시작되는 특징을 가진다. 이러한 호흡과는 별도로, 움직임이 적어지는 것 또한 졸음 상태에 들어섰다는 것을 알려주는 신호가 될 수 있다. 졸음이나 수면 상태에 들어서면 자연스럽게 움직임이 줄어든다. 운전중이라는 특수한 상황에서는 움직임의 변화가 크기 때문에 부동상태(Immobility) 역시 졸음을 감지하는데 활용될 수 있다.The main feature of unstable NREM sleep is periodic breathing. Periodic breathing is a phenomenon in which the size of the breathing increases and decreases regularly at the beginning of sleep or during sleepiness. That is, when sleep enters an unstable NREM sleep state, the breathing gradually increases, then decreases again, then stops for a few seconds and starts the next cycle. Apart from this breathing, less movement can also be a sign of drowsiness. When you are drowsy or sleepy, your movements naturally decrease. In special situations when driving, immobility can also be used to detect drowsiness because of the large change in movement.
본 발명은 상기와 같은 운전자의 호흡 특성을 분석하여 졸음 상태를 판별하며, 이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.The present invention analyzes the breathing characteristics of the driver as described above to determine the drowsiness state, hereinafter will be described an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 졸음 운전 방지 시스템의 구성도로서, 본 발명은 크게 호흡 검출 수단(11), 호흡 분석 수단(12) 및 경보 수단(13)으로 구성된다.1 is a block diagram of the drowsiness driving prevention system according to the present invention, the present invention is largely composed of a breath detection means 11, a breath analysis means 12 and the alarm means (13).
먼저, 호흡 검출 수단(11)은 스트레인게이지 센서(112), 고분자 화합물 판(111) 및 브릿지 회로(113)로 구성되어 있다. 스트레인게이지 센서(112)는 고분자 화합물 판(111) 위에 붙여진 뒤 운전자의 어깨와 배를 가로지르는 안전벨트에 고정된다. 운전자의 호흡에 의해 안전벨트에 인장력과 복원력이 교대로 가해지며, 이 힘은 다시 고분자 판(111)을 통해 센서(112)에 전달된다. 이러한 힘에 의한 센서(112)의 저항변화는 브릿지 회로(113)에 의해 검출되어 디지털 신호로 변환된다.First, the respiratory detection means 11 is composed of a strain gauge sensor 112, a polymer compound plate 111 and a bridge circuit 113. Strain gauge sensor 112 is attached to the polymer compound plate 111 is fixed to the seat belt across the shoulder and belly of the driver. The tension and restoring force are alternately applied to the seat belt by the driver's breathing, and this force is again transmitted to the sensor 112 through the polymer plate 111. The resistance change of the sensor 112 due to this force is detected by the bridge circuit 113 and converted into a digital signal.
호흡 분석 수단(12)은 상기의 디지털 호흡 신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 파워 스펙트럼을 통해 분석하여 깨어있을 때와 졸릴 때의 호흡 신호의 차이를 분석한다.The respiratory analysis means 12 analyzes the digital respiratory signal through the Fast Fourier Transform (FFT) power spectrum to analyze the difference between the respiratory signal when awake and sleepy.
도 2a에 도시된 바와 같이, 깨어있을 때의 호흡에서는 주파수 성분이 비교적 넓은 영역에 퍼져 있다. 즉, 최고 크기 주파수 부근에 주엽(Main Lobe)으로 보이는 신호 그룹이 있고, 주위에 이와 비슷한 크기를 가진 2~3개의 부엽(Side Lobe)들이 있다. As shown in Fig. 2A, in awake breathing, the frequency component is spread over a relatively large area. In other words, there is a signal group that appears as the main lobe near the highest frequency, and there are two or three side lobes with similar sizes around it.
이에 반해 졸음 상태에서의 호흡은 도 2b와 같이, 신호가 하나의 주엽에 집중되어 나타난다. 주위에 부엽이 나타나기도 하지만 주엽에 비해 매우 작다. 즉 졸음 상태에서의 호흡이 더 규칙적인 것을 알 수 있다.On the contrary, in the sleepy state, as shown in FIG. 2B, the signal is concentrated on one main lobe. Sidelobes appear around, but very small compared to the main lobe. That is, it can be seen that breathing in the drowsy state is more regular.
깨어있는 상태와 졸음 상태를 구분하기 위해, 다음 수학식 1과 같이 FFT 스펙트럼에서 전체 파워에 대한 특정 주파수 밴드(0.25~0.35)의 파워의 비를 알파값으로 계산한다.
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도 3a 및 도 3b는 각각 깨어있을 때와 졸음 상태에서의 시간에 따른 알파값을 도시한 그래프이다.3A and 3B are graphs showing alpha values over time in waking and drowsy states, respectively.
시간에 따른 알파값의 변화를 보면, 졸음 상태에서 전반적으로 더 큰 값을 가짐을 알 수 있다. 도 3a와 같이, 깨어 있는 상태에서 알파값은 1보다 작은 값을 가지는 반면, 도 3b와 같이 졸음 상태에서는 1보다 작은 값도 존재 하지만 대부분 1보다 큰 알파값을 가진다. Looking at the change in alpha value over time, it can be seen that the overall value is larger in the drowsy state. As shown in FIG. 3A, the alpha value in the waking state is smaller than 1, while in the drowsy state as in FIG. 3B, a value smaller than 1 exists, but most have an alpha value greater than 1.
이 실시예에서는 1초마다 실시간으로 FFT 분석을 연속 수행하여 알파값이 1보다 큰 경우가 3번 나타나는 경우에 경보신호를 출력하도록 하였으며, 실시예에 따라 다른 적절한 값을 설정하는 것도 가능하다.In this embodiment, the FFT analysis is performed in real time every second, so that an alarm signal is output when the alpha value is greater than 1 three times, and other appropriate values may be set according to the embodiment.
미리 정해진 졸음 상태 조건에 해당하는 경우 호흡 분석 수단(12)에서 상기와 같이 경보 신호가 출력되며, 경보 수단(13)은 이를 받아 경보를 울리게 된다. 경보 방법에 대해서는 부저, 진동 등 여러가지 응용이 가능하다.In the case of a predetermined drowsy condition, the alarm signal is output from the respiratory analysis means 12 as described above, and the alarm means 13 receives this and sounds an alarm. As for the alarm method, various applications such as buzzer and vibration are possible.
본 발명은 생체 신호를 이용하므로 다른 여타의 졸음 감지 시스템보다 정확한 졸음의 감지가 가능하고, 운전자가 자각하지 않은 상황에서 생체 신호의 검출이 가능하므로 운전자의 피관리의식 등에 따른 거부감이 없으며, 기존의 졸음 방지 시스템에 비해 비용이 낮아서 쉽게 유통될 수 있으므로 졸음 운전에 의한 교통사고의 방지에 기여할 수 있다. Since the present invention uses a biosignal, it is possible to detect drowsiness more accurately than other drowsiness detection systems, and it is possible to detect a biosignal in a situation where the driver is not aware, and thus there is no objection to the driver's care. It can be easily distributed due to the low cost compared to the drowsiness prevention system, which can contribute to the prevention of traffic accidents caused by drowsy driving.
도 1은 본 발명에 따른 졸음 운전 방지 시스템의 구성도,1 is a block diagram of a drowsiness driving prevention system according to the present invention,
도 2a 및 도 2b는 각각 깨어있을 때와 졸음 상태에서의 호흡 FFT(Fast Fourier Transform) 파워 스펙트럼을 도시한 그래프,2A and 2B are graphs showing the respiratory fast Fourier transform (FFT) power spectra when awake and drowsy, respectively;
도 3a 및 도 3b는 각각 깨어있을 때와 졸음 상태에서의 시간에 따른 알파값을 도시한 그래프.3A and 3B are graphs showing alpha values over time in waking and drowsy states, respectively.
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