基于雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全帶設(shè)計(jì)

李佳暉 苑紅偉 拓守軍 祝蕾

摘 要：雷達(dá)式非接觸生命監(jiān)測(cè)技術(shù)是融合雷達(dá)技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)于一體，無需任何電極或者傳感器接觸生命體，以電磁波為探測(cè)媒介，間隔一定距離，并可穿透非金屬介質(zhì)，如衣服、被褥、紗布等物體非接觸、遠(yuǎn)距離、無約束的檢測(cè)到人體的呼吸及心臟跳動(dòng)等信息，進(jìn)而提取出人體的生命體征參數(shù)。本研究通過在安全帶上安裝雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，收集駕駛員行車過程中心跳頻率，進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)時(shí)判斷駕駛員的生理體征情況，基于心率變異性的研究理論及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提醒即將進(jìn)入疲勞駕駛的駕駛員。采用生物雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)生命信息，不僅彌補(bǔ)了接觸式檢測(cè)疲勞駕駛技術(shù)的局限性，而且保障交通安全。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)式非接觸；生命體征參數(shù)；疲勞駕駛；心率變異性

1 概述

交通事故是當(dāng)前世界各國面臨的嚴(yán)重社會(huì)問題之一，已被公認(rèn)為當(dāng)今世界危害人民生命安全的第一大公害。隨著我國高速公路的發(fā)展和車速的提高，交通事故的發(fā)生率也逐年增高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人為因素所導(dǎo)致的交通事故占了80%～90%，而駕駛員疲勞駕駛便是其中重要一項(xiàng)。疲勞駕駛[1]是指駕駛員在一段時(shí)間的駕車之后所產(chǎn)生的反應(yīng)水平下降，導(dǎo)致不能正常駕車行駛。駕駛員產(chǎn)生疲勞后，其心理狀態(tài)也會(huì)發(fā)生各種各樣的變化，如視力下降，致使注意力分散、視野逐漸變窄；思維能力下降，致使反應(yīng)遲鈍、判斷遲緩、動(dòng)作僵硬、節(jié)律失調(diào)；自我控制能力減退，致使易于激動(dòng)、心情急躁或開快車等。根據(jù)美國國家公路交通安全署的統(tǒng)計(jì)，在美國的公路上，每年由于司機(jī)在駕駛過程中跌入睡眠狀態(tài)而導(dǎo)致大約10萬起交通事故，約有1500起直接導(dǎo)致人員死亡，711萬起導(dǎo)致人員傷害。我國48%的車禍?zhǔn)怯神{駛員疲勞駕駛引起的，造成了重大的財(cái)產(chǎn)損失。而目前針對(duì)解決駕駛員疲勞駕駛問題并沒有較完整的處理措施和預(yù)警系統(tǒng)[2]，傳統(tǒng)的方法為使用可佩帶的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)傳感器和視頻監(jiān)視器等，這些都存在一定缺陷。

由此可見，疲勞駕駛是造成交通事故的一個(gè)重要因素，監(jiān)測(cè)汽車駕駛員疲勞狀態(tài)的方法與裝置目前已經(jīng)成為世界各國科研的重點(diǎn)，能在駕駛員出現(xiàn)疲勞狀態(tài)的初期給駕駛員以視覺或聽覺上的警示，其研究成果對(duì)減少由疲勞駕駛引起的交通事故有重要意義。此研究設(shè)計(jì)基于雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)信號(hào)[3-5]監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疲勞駕駛的安全帶系統(tǒng)，雷達(dá)通過發(fā)射電磁波信號(hào)，利用人體某些部位的運(yùn)動(dòng)（如心跳、呼吸和四肢的擺動(dòng)等）對(duì)發(fā)射信號(hào)調(diào)制所引起的微多普勒效應(yīng)[6，7]可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的探測(cè)、定位、成像、識(shí)別、行為分類以及多種人體信息的提取，通過在安全帶上安裝雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)人體心率變化規(guī)律，對(duì)進(jìn)入疲勞駕駛狀態(tài)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和車輛限速，減少因疲勞駕駛造成的交通事故。

2 國內(nèi)外疲勞駕駛監(jiān)測(cè)裝置的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究人員主要取得的監(jiān)測(cè)駕駛疲勞研究成果如下：

（1）打瞌睡駕駛員偵探系統(tǒng)DDDS（The Drowsy Driver Detection System）[8]：德國SAFEAU研制的采用多普勒雷達(dá)和復(fù)雜的信號(hào)處理方法，可獲取駕駛員煩躁不安的情緒活動(dòng)、眨眼頻率和持續(xù)時(shí)間等疲勞數(shù)據(jù)，用以判斷駕駛員是否打瞌睡或睡著。該系統(tǒng)可制成體積較小的儀器，安裝在駕駛室內(nèi)駕駛員頭頂上方，完全不影響駕駛員正常的駕駛活動(dòng)。

（2）方向盤監(jiān)視裝置S.A.M.（Steering Attention Monitor）：美國Electronic Safety Products公司開發(fā)的一種監(jiān)測(cè)方向盤非正常運(yùn)動(dòng)的傳感器裝置，適用于各種車輛。方向盤正常運(yùn)動(dòng)時(shí)傳感器裝置不報(bào)警，若方向盤4s不運(yùn)動(dòng)，S.A.M.就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲直到方向盤繼續(xù)正常運(yùn)動(dòng)為止 [9]。

（3）DAS2000型路面警告系統(tǒng)（The DAS2000 Road Alert System）：日本研制的一種設(shè)置在高速公路上用計(jì)算機(jī)控制的紅外線監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)行駛車輛擺過道路中線或路肩時(shí)，向駕駛員發(fā)出警告。

（4）電子“清醒帶”：由日本研制開發(fā)，使用時(shí)固定在駕駛員頭部，將“清醒帶”一端的插頭插入車內(nèi)點(diǎn)煙器的插座，裝在帶子里的半導(dǎo)體溫差電偶使平展在前額部位的鋁片變涼，使駕駛員睡意消除，精神振作。戴上這種“清醒帶”，可以24h無睡意?！扒逍褞А笔褂秒妷?2～14V，電流500mA，十分安全。

（5）疲勞駕駛員警報(bào)系統(tǒng)（ASTiD）：英國Loughborough大學(xué)睡眠研究中心的科學(xué)家研制的新型電子設(shè)備。該系統(tǒng)將一些常見因素作為參考系數(shù)，如：由于駕駛員睡眠造成的交通事故高發(fā)期、車輛行駛狀況及駕駛員持續(xù)駕駛的時(shí)長(zhǎng)等。一旦駕駛員昏昏欲睡，聲音和圖像警示器將對(duì)他們提出警告[8，10]。

（6）眼動(dòng)監(jiān)測(cè)與視頻監(jiān)測(cè)裝置：美國華盛頓大學(xué)的JohnStern博士領(lǐng)導(dǎo)的由美國聯(lián)邦公路管理局和汽車聯(lián)合會(huì)資助的研究所，通過自行開發(fā)的專用照相機(jī)、腦電圖儀和其他儀器來精確測(cè)量頭部運(yùn)動(dòng)、瞳孔直徑變化和眨眼頻率，用以研究駕駛行為等問題。2000年1月明尼蘇達(dá)大學(xué)的Nikolaos P與Papaniko lopoulos教授成功開發(fā)了一套駕駛員眼睛的追蹤和定位系統(tǒng)[11]，通過安置在車內(nèi)的一個(gè)CCD攝像頭監(jiān)視駕駛員的臉部，通過追蹤多幅正面臉部特征圖像來監(jiān)控駕駛員是否疲勞。

我國的疲勞駕駛研究[12-16]起步較晚，目前比較成型的是由浙江司安汽車電子股份有限公司與清華大學(xué)、東南大學(xué)的幾位博士組建的中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究出來的疲勞駕駛預(yù)警機(jī)是國內(nèi)唯一已經(jīng)商業(yè)化的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)，其原理和豐田十三代皇冠標(biāo)配的瞌睡報(bào)警系統(tǒng)類似，主要檢測(cè)駕駛員的眼睛開合情況，尤其增加了對(duì)瞳孔的識(shí)別，即使有駕駛員睜眼睡覺也能被識(shí)別出，基于紅外圖像的處理使得產(chǎn)品在陽光下和黑暗里都能進(jìn)行識(shí)別，系統(tǒng)還能對(duì)帶各類戴眼鏡的駕駛員進(jìn)行識(shí)別，實(shí)用性很強(qiáng)。除此之外，中國上海交通大學(xué)的石堅(jiān)，吳遠(yuǎn)鵬，卓斌等人通過傳感器測(cè)量駕駛員駕駛時(shí)方向盤踏板等的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，然后采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)駕駛員疲勞程度進(jìn)行辨識(shí)和分析[17]；吉林大學(xué)的王榮本與北京農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄭培等[18]， 利用機(jī)器視覺的方法對(duì)駕駛員的眼睛特征進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤從而判斷駕駛員的精神狀態(tài)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)采用的非接觸生命參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)是基于毫米波雷達(dá)而建立起來的，整個(gè)系統(tǒng)由毫米波雷達(dá)[19]主機(jī)收發(fā)一體式天線[20]、生命參數(shù)濾波放大預(yù)處理器以及車載電腦PC三部分組成。其天線微波探測(cè)方案采用后向散射式（反射式），利用多普勒反射原理，該振蕩信號(hào)經(jīng)定向耦合器，一路經(jīng)環(huán)形器送入雷達(dá)天線發(fā)射出去，另一路送入混頻器。當(dāng)雷達(dá)天線發(fā)射的電磁波信號(hào)遇到人體時(shí)，產(chǎn)生反射信號(hào)，雷達(dá)天線接收到回波信號(hào)后，通過環(huán)形器送入混頻器進(jìn)行混頻，在檢測(cè)過程中，由于呼吸、心跳信號(hào)極其微弱，而“動(dòng)目標(biāo)”信號(hào)則很強(qiáng)，所以就要求預(yù)處理器的輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍很大，具有一定的抗“動(dòng)目標(biāo)”的能力，而且信噪比、共模抑制比和靈敏度要高，處理后方能送入車載電腦PC，數(shù)據(jù)分析處理和預(yù)警控制結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

3.2 疲勞駕駛監(jiān)測(cè)原理

安全帶系統(tǒng)通過車載電腦PC對(duì)采集的心電數(shù)據(jù)分析處理[21-23]，進(jìn)行R波的檢測(cè)、HRV分析，得到時(shí)域、頻域、非線性指標(biāo)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)疲勞等級(jí)分級(jí)[24]，對(duì)于疲勞狀態(tài)較嚴(yán)重者，PC將信息反饋到預(yù)警系統(tǒng)，提示駕駛員無法繼續(xù)正常行車，必須停車休息。由于國家規(guī)定行車時(shí)間超過4h，必須停車休息，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行4h后，預(yù)警系統(tǒng)也可自動(dòng)開啟提示狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 系統(tǒng)可行性分析

本設(shè)計(jì)采用的雷達(dá)式非接觸生命監(jiān)測(cè)技術(shù)，無需接觸生命體就可檢測(cè)人體呼吸及心臟跳動(dòng)等信息，裝置受棉質(zhì)障礙物影響小，信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定，保證了接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用的毫米級(jí)電磁波不會(huì)對(duì)人體造成傷害，保證了駕駛員的健康安全。本設(shè)計(jì)無需改變安全帶材質(zhì)和樣式，只需在靠近駕駛員心臟及胸部的安全帶部位內(nèi)嵌一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置，動(dòng)力通過汽車本身的電氣系統(tǒng)供應(yīng)，在車輛啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)，系好安全帶后方可正常工作，可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，保證了在行車過程中對(duì)駕駛員疲勞度有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)駕駛員心率出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警并控制車輛減速，無需駕駛員采取其他操作，方便智能。心率檢測(cè)系統(tǒng)造價(jià)低廉，成本費(fèi)用不超過1000元，可大規(guī)模配備于各種車輛，便于推廣使用。本裝置感應(yīng)器體型小，線路簡(jiǎn)單，占有機(jī)動(dòng)車內(nèi)部空間小，保證了機(jī)動(dòng)車座艙內(nèi)的美觀大方。本設(shè)計(jì)實(shí)用價(jià)值高，不僅彌補(bǔ)了接觸式檢測(cè)疲勞駕駛技術(shù)的局限性，而且保障交通安全，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。

5 結(jié)束語

疲勞駕駛監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)商業(yè)化，有越來越多的成熟型產(chǎn)品推向市場(chǎng)，但是高成本阻礙了監(jiān)測(cè)裝置的普及應(yīng)用，需要采用更先進(jìn)的技術(shù)，降低監(jiān)測(cè)裝置的成本，將疲勞駕駛監(jiān)測(cè)裝置推向更廣闊的市場(chǎng)。

本研究提出的基于雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人體生理信號(hào)檢測(cè)的駕駛疲勞研究方法，通過加載在安全帶上安全可靠地進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前，國內(nèi)使用的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)研究設(shè)備已經(jīng)可以達(dá)到一定程度的效果，但尚未形成專門的理論；而關(guān)于基于雷達(dá)式非接觸生命參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全帶監(jiān)測(cè)駕駛疲勞的研究目前還未見報(bào)道。面對(duì)現(xiàn)在信息技術(shù)、無線技術(shù)的飛速發(fā)展和不斷完善，該方法的提出為更客觀地研究駕駛疲勞和監(jiān)測(cè)疲勞駕駛的形成提供新的思路和方法，對(duì)于減少交通事故造成的損失和保護(hù)駕駛員身體健康具有十分重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：李佳暉（1992-），男，山西長(zhǎng)治人，中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院交通運(yùn)輸系大四學(xué)生，研究方向：交通規(guī)劃與管理。