可進(jìn)行駕駛員健康監(jiān)測(cè)的智能方向盤(pán)研究

都萌　傅華娟　戴偉　丁洋洋

摘要：新冠肺炎疫情肆虐后，人們對(duì)自身的健康狀態(tài)都提升了關(guān)注度，本文對(duì)智能方向盤(pán)的功能進(jìn)行了研究探索，讓駕駛員能夠在主駕駛位上，通過(guò)手腕貼合方向盤(pán)上的感應(yīng)芯片采集自身的體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)椒较虮P(pán)上的可視小型液晶屏上，讓駕駛員輕松獲得自身的基本體征數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)還可用藍(lán)牙同步到手機(jī)APP進(jìn)行查看及進(jìn)行健康數(shù)據(jù)管理分析，察覺(jué)異常。

關(guān)鍵詞：智能方向盤(pán);健康監(jiān)測(cè);駕駛員

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.24.075

1研究背景

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量有了顯著的提高，全國(guó)汽車(chē)保有量在不斷提高，越來(lái)越多的人成為有車(chē)一族，私家車(chē)出行已成為中國(guó)居民生活的常態(tài)。在享受私家車(chē)出行帶來(lái)的便利的同時(shí)，保證駕駛安全成為首要問(wèn)題。但是每年由于駕駛員身體狀態(tài)不良，例如身體不適、身體疲勞、心肌梗死、心律失常等原因?qū)е萝?chē)禍數(shù)量約占車(chē)禍數(shù)量的40%左右。

另外，突如其來(lái)的疫情讓人們都意識(shí)到生命的脆弱，人們深知有一個(gè)健康的身體的重要性。人們對(duì)于自身健康管理的要求越來(lái)越全方位化，系統(tǒng)化、層次化，尤其在日常健康檢測(cè)這一模塊的需要更加實(shí)時(shí)化，如圖1所示。

汽車(chē)在日常代步中所占的比例越來(lái)越大，人、車(chē)、生活、技術(shù)已經(jīng)密不可分，“以人為本”，就是以人的安全、健康、感受、體驗(yàn)為本，事事想在消費(fèi)者前頭、擁有完整的產(chǎn)品理念與規(guī)劃，能同時(shí)兼顧主動(dòng)保護(hù)與被動(dòng)防護(hù)、可用性與前瞻性的平衡。車(chē)輛設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)貫徹“以人為本，安全生態(tài)造車(chē)”的理念。因此智能車(chē)輛，健康車(chē)輛，交互車(chē)輛的呼聲越來(lái)越高，人們對(duì)車(chē)上生活的品質(zhì)要求也越來(lái)越高。

對(duì)汽車(chē)方向盤(pán)的設(shè)計(jì)予以革新，讓其具備健康監(jiān)測(cè)和交互功能是本文研究的焦點(diǎn)，目前在售的汽車(chē)方向盤(pán)主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是以普通僅僅控制車(chē)輛行駛方向?yàn)橹鞯姆较虮P(pán);另一類(lèi)是多功能方向盤(pán)，是指在方向盤(pán)上加裝功能鍵，進(jìn)行音媒控制、接聽(tīng)電話、設(shè)置定速巡航等，讓駕駛員更方便操作的車(chē)輛。而將目前已有的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)與車(chē)輛方向盤(pán)這個(gè)基礎(chǔ)配置結(jié)合起來(lái)形成智能方向盤(pán)，以期達(dá)到通過(guò)駕駛員手腕貼合方向盤(pán)的芯片感應(yīng)裝置就能輕松獲得駕駛員體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并將采集的健康數(shù)據(jù)藍(lán)牙同步到駕駛員手機(jī)APP進(jìn)行查看及進(jìn)行健康數(shù)據(jù)積累分析和數(shù)據(jù)管理。

2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀國(guó)外的智能多功能方向盤(pán)發(fā)展過(guò)程：1978年，按鈕首次出現(xiàn)在邁凱倫M26賽車(chē)方向盤(pán)上;1989年，法拉利對(duì)電子系統(tǒng)在方向盤(pán)上的集成做出了巨大改進(jìn)，撥片式換擋同年首次被應(yīng)用在了法拉利F1賽車(chē)上;1995年6個(gè)按鈕和秒表集成在邁克爾·舒馬赫的貝納通B195賽車(chē)方向盤(pán)上;1996年舒馬赫在方向盤(pán)后方又加裝了撥片式離合，在正面添加了LED轉(zhuǎn)速指示燈;上世紀(jì)90年代末期，LED顯示屏正式出現(xiàn)在賽車(chē)的方向盤(pán)。而民用車(chē)的方向盤(pán)也受賽車(chē)啟發(fā)，越來(lái)越多的控制按鍵集成在方向盤(pán)中，例如定速巡航、儀表盤(pán)控制按鈕，音樂(lè)調(diào)節(jié)等多功能在方向盤(pán)上得以輕松實(shí)現(xiàn)。

寶馬公司研發(fā)過(guò)一款價(jià)格昂貴且沒(méi)有投入應(yīng)用的可監(jiān)測(cè)駕駛員部分生命體征的方向盤(pán)，但功能不全面，未面向消費(fèi)者需求進(jìn)行調(diào)研來(lái)調(diào)整產(chǎn)品。本田的一款智能駕駛概念車(chē)的方向盤(pán)兼顧油門(mén)和剎車(chē)功能，并提供8種駕駛模式，并在儀表板上的加裝傳感器進(jìn)行駕駛員眼球追蹤確定其是否在專(zhuān)心駕駛。駕駛員如果注意力不集中車(chē)輛會(huì)自動(dòng)切換至自動(dòng)駕駛。

2.2國(guó)內(nèi)研究和發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)研究使用的方向盤(pán)集中在駕駛功能性的研究上，僅限于在方向盤(pán)兩側(cè)或者下方設(shè)置一些功能鍵，包括音響控制、藍(lán)牙、定速巡航、行車(chē)電腦等設(shè)置在方向盤(pán)上。北京興科迪電子技術(shù)研究院研制了一種駕駛員身體情況監(jiān)測(cè)裝置，其具備身體狀況采集裝置、身體狀況分析裝置、應(yīng)對(duì)裝置、網(wǎng)絡(luò)裝置和報(bào)警裝置，所述身體狀況采集裝置通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)裝置與所述身體狀況分析裝置相連，但沒(méi)有與方向盤(pán)結(jié)合，未能考慮實(shí)際的使用便利性及人車(chē)一體化。且還有酒態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)警方向盤(pán)監(jiān)測(cè)駕駛員呼出氣體酒精是否超標(biāo)，但未能同時(shí)集成監(jiān)測(cè)駕駛員健康狀態(tài)。

3設(shè)計(jì)思路

可進(jìn)行駕駛員健康監(jiān)測(cè)的智能方向盤(pán)的結(jié)構(gòu)，包括殼體、感應(yīng)裝置、可視化顯示屏、充電后蓋，如圖2所示。通過(guò)方向盤(pán)一個(gè)盤(pán)輻安裝感應(yīng)芯片裝置，駕駛員腕部按要求貼合芯片就能收集其體溫、心率、血壓、心電數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輪動(dòng)顯示在方向盤(pán)液晶顯示屏上，顯示屏及感應(yīng)芯片通過(guò)導(dǎo)線與充電后蓋相連接，并通過(guò)藍(lán)牙裝置將體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，用手機(jī)進(jìn)行查看及進(jìn)行健康數(shù)據(jù)管理分析管理。本設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)控司機(jī)的身體狀態(tài)，可為駕駛員的健康保駕護(hù)航。

4數(shù)據(jù)采集技術(shù)

駕駛員體征數(shù)據(jù)的采集總體設(shè)計(jì)如圖3所示。人體體征信號(hào)采集的關(guān)鍵技術(shù)是融合PPG光電+ECG心電測(cè)量技術(shù)及體溫測(cè)量技術(shù)，采集分析了駕駛員的心率、心電、血壓、體溫等體征：

（1）心率測(cè)量：PPG技術(shù)用LED光源的反射測(cè)量，照射進(jìn)入人體的皮膚組織，然后通過(guò)接收端的光電接收管來(lái)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于皮膚組織內(nèi)的血液流量隨著脈搏的變化而周期性地變化，同時(shí)血液中的含氧血紅細(xì)胞的比例也隨著脈搏的變化而變化，因此它們對(duì)入射光的吸收程度也隨著脈搏而呈現(xiàn)周期性的變化，體現(xiàn)在接收端就是接收到的電信號(hào)也隨著脈搏而變化。通過(guò)算法我們可以解調(diào)出這個(gè)信號(hào)，從而算出脈率，脈率等于心率。

（2）心電捕集：結(jié)合ECG心電極片獲得體表生物電，形成心電圖。

（3）血壓測(cè)量：利用脈搏波傳輸速度來(lái)計(jì)算人體連續(xù)血壓值，模擬數(shù)學(xué)模型和光電容積脈搏信號(hào)（PPG）中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)之間的時(shí)間差獲得脈搏傳輸時(shí)間（PTT）或脈搏傳輸速度（PWV），計(jì)算出血壓。

（4）體溫測(cè)量：因?yàn)槿魏胃哂诮^對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，使用高精度紅外探頭測(cè)量體溫通過(guò)將紅外傳感器集成到感應(yīng)裝置中，傳感器從體表感知溫度，只需幾秒鐘就能準(zhǔn)確測(cè)量體表溫度。

5設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

（1）開(kāi)發(fā)了帶有健康檢測(cè)功能的智能方向盤(pán)，讓駕駛員能夠在駕駛過(guò)程中，通過(guò)駕駛員腕部貼合方向盤(pán)感應(yīng)裝置，即采集到駕駛員體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并通過(guò)液晶顯示屏顯示。

（2）智能方向盤(pán)采集的健康數(shù)據(jù)可以通過(guò)藍(lán)牙裝置同步到手機(jī)相應(yīng)APP進(jìn)行查看及進(jìn)行健康數(shù)據(jù)管理分析，并察覺(jué)異常。

（3）探索了“以人為本”的車(chē)輛方向盤(pán)設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：2020年江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202013114019Y）。

作者簡(jiǎn)介：都萌（1983-），女，碩士研究生，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具運(yùn)用工程;傅華娟（1971-），江蘇常州人，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師;戴偉（1997-），江蘇常州人，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師;丁洋洋（1999-），江蘇常州人，常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師。