貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐小蘭，潘淑佩，童云濤，林捍武

貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龐小蘭，潘淑佩，童云濤，林捍武

（廣東理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，廣東 肇慶 526100）

文章從貨車駕駛員在行車過(guò)程中駕駛狀態(tài)的檢測(cè)、疲勞的判斷和防疲勞裝置的設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行闡述。首先通過(guò)對(duì)貨車駕駛員的狀態(tài)信息進(jìn)行收集，而后傳送到系統(tǒng)主機(jī)判斷駕駛員是否疲勞，當(dāng)判斷超過(guò)閾值就可以把信號(hào)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，發(fā)光二極管（LED）燈閃爍，蜂鳴器、座椅振動(dòng)等執(zhí)行裝置同時(shí)給予駕駛員疲勞駕駛提示，從而將駕駛員喚醒。為某貨車防疲勞駕駛提供一種切實(shí)可行的方案，減少疲勞駕駛的現(xiàn)象，降低交通事故率，保障交通出行的安全。

駕駛員狀態(tài)；疲勞判斷；執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，截至2021年我國(guó)擁有載貨汽車1 173.26萬(wàn)輛，這一年內(nèi)我國(guó)公路交通事故62.8萬(wàn)宗，重傷人數(shù)達(dá)到13.1萬(wàn)人，輕傷153萬(wàn)人。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆研究表明，汽車重大事故率9.1%歸因于駕駛員疲勞，夜晚疲勞駕駛重大事故率約達(dá)19.9%。因此，對(duì)防疲勞駕駛這項(xiàng)功能的研究刻不容緩。另一方面，由調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)貨車駕駛員普遍工作時(shí)間較長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，有約37.3%的貨車駕駛員日均工作時(shí)長(zhǎng)在12 h及以上，超過(guò)82.4%的貨車駕駛員日均工作時(shí)長(zhǎng)在8 h及以上，存在極大的疲勞駕駛風(fēng)險(xiǎn)[1]。本文以某貨車為研究對(duì)象，提出一種防疲勞駕駛的設(shè)計(jì)方案，提高了貨車的行車安全性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

貨車防疲勞操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由兩部分組成，分別是疲勞狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)所選用的車型的整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

參數(shù)名稱參數(shù)值 整車尺寸：長(zhǎng)/mm×寬/mm×高/mm4 890×1 610×1 960 軸距/mm3 200 前輪距/mm1 360 后輪距/mm1 360 整備質(zhì)量/kg1 135 最大載重質(zhì)量/kg1 100 貨箱尺寸：長(zhǎng)/mm×寬/mm×高/mm3 060×1 515×370 最大功率/kW85 最大扭矩/(Nm)153 最高車速/(km/h)110

疲勞狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)駕駛員疲勞信號(hào)的采集、疲勞信號(hào)的處理、疲勞信號(hào)的判斷來(lái)確認(rèn)駕駛員的疲勞程度。目前疲勞駕駛檢測(cè)方法主要包括基于駕駛員生理特征的疲勞駕駛檢測(cè)、基于車輛數(shù)據(jù)的疲勞檢測(cè)和基于面部特征的疲勞檢測(cè)[2]。本文選擇基于駕駛員心率信號(hào)的變化進(jìn)行疲勞判斷，當(dāng)貨車達(dá)到一定車速時(shí)，電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）通過(guò)計(jì)算分析駕駛員的心率信號(hào)值做出疲勞判斷。如果疲勞閾值超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值，執(zhí)行裝置開(kāi)始工作。發(fā)光二極管（Light Emitting Diode, LED）燈閃爍預(yù)警、駕駛員座椅振動(dòng)預(yù)警、蜂鳴器報(bào)警聲預(yù)警三大執(zhí)行裝置共同提醒駕駛員存在疲勞駕駛的風(fēng)險(xiǎn)，提醒駕駛員應(yīng)采取相應(yīng)的措施來(lái)避免疲勞駕駛，其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 防疲勞駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案

2 防疲勞駕駛系統(tǒng)信號(hào)的收集

2.1 駕駛員心率傳感器電路設(shè)計(jì)

由于采集的心率信號(hào)是微弱的，需要把一個(gè)心率次數(shù)轉(zhuǎn)變成一個(gè)電信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)放大才能得到一個(gè)成形電路所需要的電壓。但是，放大后的波形是不規(guī)則的，為了滿足計(jì)數(shù)的要求，必須對(duì)其進(jìn)行放大、濾波、整形，放大整形電路框圖如圖2所示。

圖2 放大整形電路框圖

2.2 信號(hào)收集系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，利用紅外線光敏元件產(chǎn)生的脈沖，經(jīng)放大、成形后，再由單片機(jī)輸出到相位控制系統(tǒng)。應(yīng)控制每分鐘的脈搏跳動(dòng)次數(shù)，以便可以快速輕松地測(cè)量[3]。在使用過(guò)程中，使用了NRF24L01無(wú)線模塊通信模塊，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)主從之間的通信。從機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)心率進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，如圖3所示。主機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)當(dāng)前所檢測(cè)到的心率進(jìn)行顯示，并對(duì)設(shè)置的心率報(bào)警上下限范圍進(jìn)行顯示，如圖4所示。

1）可通過(guò)按鈕設(shè)定，設(shè)定心率的上限，下限報(bào)警值，并可保留電量；

2）如果實(shí)際測(cè)量的心跳次數(shù)超出了上、下兩個(gè)界限，則會(huì)發(fā)出警告，表示心跳異常；

3）本次系統(tǒng)利用光電傳感器作為采集模塊；

4）LCD1602液晶的第1條線顯示以每分心跳表示的當(dāng)前心跳，第2條線顯示設(shè)置的上限和下限報(bào)警值；

5）可以接收到無(wú)線模塊NRF2401模塊的數(shù)據(jù)；

6）利用電源電路可以供5 V電源。

圖3 檢測(cè)分部電路圖

圖4 接受主機(jī)電路圖

3 疲勞駕駛判斷和系統(tǒng)工作條件

3.1 防疲勞駕駛系統(tǒng)的啟動(dòng)條件

根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定，在疲勞駕駛情況下，車速不得超過(guò)60 km/h。當(dāng)駕駛員連續(xù)行車超過(guò)4 h、車速超過(guò)80 km/h時(shí)，防疲勞系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)。

3.2 生理特征與疲勞駕駛的相關(guān)度

貨車在長(zhǎng)期行駛過(guò)程中，隨著開(kāi)車時(shí)間的增加，車內(nèi)駕駛員也會(huì)慢慢的有疲倦感，駕駛員的生理特征參數(shù)脈搏、呼吸、心率也隨著駕駛時(shí)間增加而發(fā)生顯著的變化。本文采用在駕駛員手腕攜帶某智能手環(huán)采集脈搏和心率信號(hào)，利用壓電式呼吸傳感器收集呼吸信號(hào)。通過(guò)在表1車型上駕駛員從清醒到疲勞駕駛下的數(shù)據(jù)收集，利用式（1）對(duì)脈搏、呼吸、心率與腦電進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，得出與駕駛?cè)松眢w狀況的關(guān)聯(lián)度。

式中，為相關(guān)系數(shù)；為心率或者脈搏信號(hào)；1為平均心率或者脈搏信號(hào)；1為平均腦電信號(hào)；為腦電信號(hào)。

駕駛員連續(xù)行車4 h內(nèi)心率和腦電相關(guān)系數(shù)為0.162 4，連續(xù)行車超過(guò)10 h，其相關(guān)系數(shù)為0.828 7，生理信號(hào)間相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 生理信號(hào)間相關(guān)系數(shù)

狀態(tài)相關(guān)量相關(guān)系數(shù)狀態(tài)相關(guān)量相關(guān)系數(shù) 連續(xù)行車4 h心率與腦電0.162 4連續(xù)行車8～10 h心率與腦電0.618 5 脈搏與腦電0.251 6脈搏與腦電0.788 3 呼吸與腦電0.198 8呼吸與腦電0.712 5 連續(xù)行車5～7 h心率與腦電0.384 5連續(xù)行車10 h以上心率與腦電0.828 7 脈搏與腦電0.497 5脈搏與腦電0.977 6 呼吸與腦電0.418 6呼吸與腦電0.914 5

綜上數(shù)據(jù)對(duì)比，相關(guān)系數(shù)等級(jí)如表3所示，系統(tǒng)根據(jù)駕駛員生理特征判斷疲勞狀態(tài)。當(dāng)相關(guān)系數(shù)小于0.3時(shí)，判定為清醒狀態(tài)；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.3到0.5之間時(shí)，判定為疲勞；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.5到0.8之間時(shí)，判定為中度疲勞；當(dāng)相關(guān)系數(shù)在0.8到1之間時(shí)，判定為重度疲勞。

表3 相關(guān)系數(shù)等級(jí)表

范圍相關(guān)等級(jí) r<0.3低度相關(guān) 0.3≤r<0.5中度相關(guān) 0.5≤r<0.8顯著相關(guān) 0.8≤r≤1高度相關(guān)

結(jié)合表1、表2分析，腦電信號(hào)是判定疲勞駕駛的金標(biāo)準(zhǔn)，則心率信號(hào)可作為判定貨車疲勞駕駛的疲勞程度信號(hào)[4]。

3.3 貨車疲勞駕駛的判定閾值

表征疲勞的心電信號(hào)時(shí)域指標(biāo)主要有R-R間期，它是反映心臟每次搏動(dòng)間期的一種重要指標(biāo)，可以用來(lái)測(cè)量心臟在1 min內(nèi)跳動(dòng)的次數(shù)，即得到所需的心率。這種指標(biāo)可以通過(guò)連續(xù)采集大量的心電波形，獲得精準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果，而且操作簡(jiǎn)單，不需要特別復(fù)雜的設(shè)備就可以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于R-R間期，可以采取平均值的方法，將每個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)所產(chǎn)生的心跳次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以確定所需心率。對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的R-R間期取平均值，再除以相應(yīng)的系數(shù)即可求得心臟在1 min內(nèi)跳動(dòng)的次數(shù)[5]。即為所得心率。

式中，為一段時(shí)間內(nèi)的平均心跳時(shí)間間隔。

利用手環(huán)來(lái)獲取心率模組，電信號(hào)的采集是由XD-58C心率傳感器和STC89C52芯片兩大部分組成，可測(cè)量血液傳輸數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絊TC89C52芯片。STC89C52芯片進(jìn)行光傳輸數(shù)據(jù)濾波、降噪、模數(shù)轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，得到R-R區(qū)間的平均值后，通過(guò)式（2）計(jì)算被測(cè)物體的心率，并通過(guò)芯片的藍(lán)牙模塊傳輸?shù)娇刂铺幚砟K。同時(shí)，XD-58C心率該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)腕部動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，將測(cè)量到的心率信息傳送給STC89C52單片機(jī)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控人的身體狀況的目的。

4 防疲勞駕駛系統(tǒng)的執(zhí)行裝置設(shè)計(jì)

4.1 聲光報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警電路

執(zhí)行裝置的聲光報(bào)警部分電路是警示作用，主要是當(dāng)傳感模塊檢測(cè)到駕駛員的心率信號(hào)時(shí)，當(dāng)疲勞值超過(guò)設(shè)定值時(shí)控制中心會(huì)發(fā)送電信號(hào)給LED和蜂鳴器并且響應(yīng)出相應(yīng)的報(bào)警。從圖5中可以看出，相應(yīng)的報(bào)警電信號(hào)在從單片機(jī)傳遞出來(lái)后，會(huì)通過(guò)一個(gè)放大電路對(duì)電信號(hào)放大后傳給蜂鳴器與LED，這樣就會(huì)發(fā)出非常顯眼的報(bào)警提示。

圖5 報(bào)警電路原理圖

在電子線路中，發(fā)光二極管起著最普通的指示作用，在發(fā)光二極管的兩端都存在一個(gè)電壓降，通常為1.3 V，二極管在電壓降超過(guò)這個(gè)值的時(shí)候會(huì)導(dǎo)通。為安全起見(jiàn)，可在輸入輸出端連接電流限制電阻器，使其在通電時(shí)不易燒毀。在檢測(cè)到P10處于低電平時(shí)，LED就會(huì)被點(diǎn)亮，而在P10處于高電平時(shí)，LED就會(huì)被熄滅，電路圖如圖6所示。

圖6 LED驅(qū)動(dòng)電路

4.2 貨車座椅預(yù)警系統(tǒng)

1.座椅控制系統(tǒng)的組成

智能座椅的控制系統(tǒng)由監(jiān)控傳感器、執(zhí)行器和控制單元構(gòu)成。其主要包括大數(shù)據(jù)模塊化網(wǎng)絡(luò)的布線裝置、體征疲勞傳感器、數(shù)字信號(hào)芯片（Digital Signal Processing, DSP）處理器以及智能網(wǎng)聯(lián)控制系統(tǒng)。

2.座椅震動(dòng)過(guò)程

在疲勞駕駛感知系統(tǒng)將駕駛員判斷為疲勞駕駛之后，智能座椅將會(huì)接收到第一次的信息，同時(shí)，座椅中的震動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)，在滿足駕駛安全要求的情況下，對(duì)座椅進(jìn)行振動(dòng)，從而對(duì)駕駛員進(jìn)行提醒[6]。同時(shí)智能座椅的壓力傳感系統(tǒng)將會(huì)感知駕駛員的狀態(tài)，并將此狀態(tài)反饋給疲勞駕駛感知系統(tǒng)，圖7為首次信號(hào)輸入過(guò)程。

圖7 疲勞駕駛座椅工作

3.座椅解除震動(dòng)過(guò)程

當(dāng)振動(dòng)裝置第二次接收到來(lái)自ECU傳遞過(guò)來(lái)的疲勞信號(hào)，并且減弱信號(hào)顯示駕駛員疲勞值下降時(shí)，貨車車內(nèi)駕駛員座椅的振動(dòng)程度將緩緩的停止，其過(guò)程如圖8所示。

圖8 疲勞駕駛解除

第二次駕駛員疲勞信號(hào)表明，駕駛員疲勞值沒(méi)有下降，甚至是上升的時(shí)候，座椅的振動(dòng)將會(huì)變得更強(qiáng)，而且智能座椅將會(huì)向汽車中控和智能駕駛輔助系統(tǒng)發(fā)送信息，從而提升智能駕駛輔助系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)，以減少由于駕駛員疲勞而造成的事故，同時(shí)中控還會(huì)發(fā)出警示音，提醒駕駛員注意。當(dāng)駕駛員疲勞值降低至安全線以下時(shí)，座椅振動(dòng)及中控警示音將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。但座椅在接收到手動(dòng)關(guān)閉振動(dòng)信號(hào)時(shí)會(huì)傳遞信號(hào)給疲勞駕駛感知系統(tǒng)，當(dāng)一定時(shí)間內(nèi)駕駛員疲勞值再次上升一定值時(shí)，座椅將會(huì)再次振動(dòng)，警示駕駛員。

5 總結(jié)

貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)主要包括心率信號(hào)收集和無(wú)線傳輸模塊、蜂鳴器和振動(dòng)裝置模塊。心率電路主要用于把信號(hào)放大并輸出，而無(wú)線傳輸模塊用于數(shù)據(jù)的傳輸，LED燈、蜂鳴器、振動(dòng)裝置主要是對(duì)駕駛員的疲勞駕駛進(jìn)行提示，在出現(xiàn)了超過(guò)閾值的情況下，就會(huì)對(duì)駕駛員發(fā)出警示，從而使其回到正常狀態(tài)。通過(guò)此設(shè)計(jì)，能夠有效地預(yù)防貨車疲勞駕駛發(fā)生事故的現(xiàn)象。

[1] 國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì).2021年貨車司機(jī)從業(yè)狀況調(diào)查報(bào)告[R/OL].(2021-06-29)[2023-01-06].http://www. chinawuliu.com.cn/lhhzq/202106/29/553128.shtml.

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[4] 劉彩虹,李淦初,李詩(shī).基于5G和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2021,17(4): 181-183.

[5] 曾心遠(yuǎn),張正華,韓雪,等.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的疲勞檢測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2019,9(7):27-29.

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Design of Anti Fatigue Driving System for Trucks

PANG Xiaolan, PAN Shupei, TONG Yuntao, LIN Hanwu

( School of Intelligent Manufacturing, Guangdong Technology College, Zhaoqing 526100, China )

This paper elaborates from three aspects,the detection of driving state, the judgment of fatigue and the design of anti-fatigue device. First, the truck driver's state information is collected, and then transmitted to the system host to judge whether the driver is tired. When the judgment exceeds the threshold, the signal can be transmitted to the actuator, and the actuator such as light-emitting diode(LED) light flashing, buzzer and seat vibration will give the driver a warning of fatigue driving at the same time, so as to wake the driver up. This paper provides a practical scheme for a truck to prevent fatigue driving, reduce the phenomenon of fatigue driving, reduce the traffic accident rate, and ensure the safety of traffic travel.

Driver status; Fatigue judgment; Executive mechanism design

U463.6

A

1671-7988(2023)20-46-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.010

龐小蘭（1982－），女，副教授，研究方向?yàn)槠囯娮涌刂萍夹g(shù)，E-mail:113327407@qq.com。

一種貨車防疲勞駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究（JXGG202206）。