基于方向盤監(jiān)控的疲勞駕駛檢測方法

丁路炎

摘 要：提出了一種采用三軸加速度計監(jiān)測方向盤的運(yùn)動對駕駛員的駕駛狀態(tài)進(jìn)行檢測，其特點是成本低，安裝方便，并可以有效監(jiān)測方向盤的運(yùn)動并在車上進(jìn)行無損安裝。仿真和實驗結(jié)果表明，加速度計測旋轉(zhuǎn)的方式與實際方向盤轉(zhuǎn)動具有較強(qiáng)的相關(guān)性。利用加速度估計方向盤轉(zhuǎn)動可以監(jiān)測方向盤動作，進(jìn)而對駕駛疲勞檢測提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：駕駛疲勞;加速度計;疲勞預(yù)警;方向盤運(yùn)動

0 引言

據(jù)美國國家公路交通安全管理局（NHTSA）統(tǒng)計，美國每年約有1200人死亡和76 000人受傷是由于疲勞駕駛造成的[1]。一些司機(jī)在沒有充足睡眠的情況下駕駛車輛，產(chǎn)生疲勞駕駛[2]。精神疲勞的司機(jī)最初是警覺的，但他們的安全意識隨著長期駕駛而退化[3]。酒精也會延長操作時間從而對司機(jī)安全同樣有害。在安大略州，14.5%的受訪者承認(rèn)在開車時出現(xiàn)疲勞駕駛。已被證明，當(dāng)駕駛員處于疲勞狀態(tài)時，駕駛的方向控制幅度為越來越大的趨勢，方向盤會出現(xiàn)更快和更大的轉(zhuǎn)向更正。

本文提出一種采用三軸加速度計監(jiān)測方向盤的運(yùn)動，進(jìn)而實現(xiàn)對駕駛員駕駛狀態(tài)的檢測，其特點是成本低，安裝方便，并可以有效的監(jiān)測方向盤的運(yùn)動，而且可在車內(nèi)進(jìn)行無損安裝。仿真和實驗結(jié)果表明，加速度計測旋轉(zhuǎn)幅度與實際方向盤轉(zhuǎn)動具有較強(qiáng)的相關(guān)性。利用加速度估計方向盤轉(zhuǎn)動可以監(jiān)測方向盤動作進(jìn)而對駕駛疲勞檢測提供有效的幫助。

1 加速度信號處理

首先利用三軸加速度計之間的關(guān)系計算出方向盤的轉(zhuǎn)動角度，建立坐標(biāo)分別為X軸和Y軸，其中加速度計的Y軸總是與X軸呈90°垂直關(guān)系。

使用上式計算的方向盤轉(zhuǎn)角夾角范圍為0°～360°。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤在90°～270°之間旋轉(zhuǎn)時，計算值增加了一個180°的補(bǔ)償角，在旋轉(zhuǎn)角度為270°～360°之間增加了一個360°的補(bǔ)償角。

2 方向盤轉(zhuǎn)角采集

將方向盤分為四個象限，其中平行和垂直于重力矢量的兩個象限，為方向盤轉(zhuǎn)角研究的重點。方向盤用來收集數(shù)據(jù)的頂部驅(qū)動。電壓表的讀數(shù)直接從電位器獲得，這是利用一系列裝置通過轉(zhuǎn)向柱和電壓表進(jìn)行連接，可以100%獲取所有旋轉(zhuǎn)情況。

從線性電位器記錄的電壓值計算方向盤的旋轉(zhuǎn)角度，這些電壓將象限線性地分為90個部分，共有181個數(shù)據(jù)點。每個電壓數(shù)據(jù)點分配相應(yīng)的角度-90°～90°?；魻栯娢黄魍ㄟ^這種方法監(jiān)測方向盤的角度。

為了使用一個三軸加速度傳感器來監(jiān)測X和Y軸上的方向盤，三軸加速度傳感器采用ADXL335。ADXL335電源電壓為3.234 V，偏置電壓為1.620 V，加速度計的靈敏度為0.3234 V·g-1。

3 數(shù)據(jù)采集與分析

測得的加速度計數(shù)據(jù)通過一個5 Hz的六階低通巴特沃斯濾波器，以消除加速度計的高頻噪聲和振動。加速度計數(shù)據(jù)以及線性電位計數(shù)據(jù)使用NI USB-6008數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集。

用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過多數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，電位器輸出和加速度計輸出之間的線性關(guān)系，通過線性回歸確定方向盤的旋轉(zhuǎn)角和UW（由電位器測量）之間的線性關(guān)系。采用線性曲線配件的數(shù)據(jù)，記錄他們的斜率和y軸截距，最后利用MATLAB信號處理工具箱中的相關(guān)函數(shù)測定電位測量的SWM和加速度測量的SWM在模擬轉(zhuǎn)向任務(wù)之間的相關(guān)性。

實驗結(jié)果表明，三軸加速度傳感器可通過監(jiān)測方向盤操作突然修正行為，準(zhǔn)確反映駕駛員的疲勞駕駛狀態(tài)。將加速度計的SWM的讀數(shù)和通過電位器檢測的實際讀數(shù)進(jìn)行對比，能準(zhǔn)確的判斷駕駛狀態(tài)。該方法可以實現(xiàn)低成本的疲勞檢測，且無需復(fù)雜的設(shè)備或?qū)囕v進(jìn)行改裝。

4 結(jié)論

本文提出一種利用三軸加速度計監(jiān)測方向盤的運(yùn)動對駕駛員的駕駛狀態(tài)進(jìn)行檢測的方法，其特點是成本低，安裝方便，并可以有效的監(jiān)測方向盤的運(yùn)動，同時實現(xiàn)在車上進(jìn)行無損安裝。仿真和實驗結(jié)果表明，加速度計測旋轉(zhuǎn)與實際方向盤轉(zhuǎn)動具有較強(qiáng)的相關(guān)性。利用加速度估計方向盤轉(zhuǎn)動可以監(jiān)測方向盤動作進(jìn)而對駕駛疲勞檢測提供有效的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 付榮榮，田永勝，王世超，等.基于動態(tài)貝葉斯估計的疲勞駕駛識別研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，2019，38（6）：759-763.

[2] 李磊，嚴(yán)敏，王濤，等.基于TPB的疲勞對汽車駕駛員不安全駕駛行為的影響[J].西安科技大學(xué)學(xué)報，2019，39（6）：979-984.

[3] 李洪濤，巴興強(qiáng)，逯兆友，等.基于方向盤信號的高速公路駕駛狀態(tài)檢測方法[J].山西建筑，2018，44（28）：110-112.