CN105708479A - 基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法 - Google Patents

基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法，包括节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、单片机、蜂鸣器和报警灯；本发明的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法，在不增加额外传感器的情况下，利用汽车上已有的车载传感器获取汽车运行和驾驶员操作动作信号，完成疲劳驾驶的检测，同时根据汽车实际运行状态采用变化的疲劳判定阈值参数进行检测，并通过单片机处理得到疲劳驾驶判定结果，其成本低，方法简单实用，且适应性更好。

Description

基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法
技术领域
本发明涉及汽车行驶安全技术领域，尤其涉及一种基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法。
背景技术
疲劳驾驶是引发交通事故的一个重要因素，现有的疲劳驾驶检测主要通过采用各种传感器检测驾驶员、路面、车辆状态来实现。有的方法增加了传感器设备，如图像检测、脑电图检测设备等，提高了使用成本。有的使用现有车载传感器进行检测，但检测时采用的关键参数为固定数值，故难以适应车辆运行环境的复杂性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法，在不增加额外传感器的情况下，利用汽车上已有的车载传感器完成疲劳驾驶的检测，同时根据汽车实际运行状态采用变化的疲劳判定阈值参数进行检测，其成本低，方法简单实用，且适应性更好。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，包括节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、单片机、蜂鸣器和报警灯；其中，
所述节气门位置传感器，输出节气门位置信号，表示汽车油门大小；
制动灯开关传感器，输出制动灯是否点亮的开关信号，表示汽车是否处于制动状态；
方向盘转角传感器，输出方向盘转角大小和正负信号，表示方向盘所处的位置；
车速传感器，输出车速信号，表示车速高低；
单片机，输入端与节气门位置传感器、制动动开关传感器、方向盘转角传感器和车速传感器连接，接收节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器和车速传感器的输出信号，输出端与蜂鸣器和报警灯连接。
所述的节气门位置传感器，其输出信号经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路以滤除高频干扰信号，电路输出信号IN1送到单片机5的A/D转换接口。
所述的方向盘转角传感器采用两个槽型光电开关传感器，方向盘转向轴上安装一个随其转动的遮光盘，遮光盘上均匀地开有许多槽，当方向盘转动时，在遮光盘上槽和齿的作用下，槽型光电开关传感器中的发光二极管发出的光束使光敏三极管不断地导通和截止，通过检测槽型光电开关传感器输出电压的跳变计算方向盘转动角度；所述两个槽型光电开关传感器的光敏三极管导通与截止脉冲信号相位相差90°，通过对比两个槽型光电开关传感器的输出信号可以检测出方向盘的转动方向。当遮光盘挡住发光二极管的光束时，光敏三极管截止，传感器输出电压IN2为低电平；反之，光敏三极管导通，传感器输出电压IN2为高电平，输出电压IN2送到单片机5的中断检测端口；
所述的制动灯开关传感器，其输出信号BRAKE经过电阻R5、R6和二极管D1组成的限幅电路，输出信号IN3送到单片机5的I/O接口。
所述的车速传感器为电磁感应式轮速传感器，其传感器输出信号为近似正弦信号，其频率和幅值与车速高低成正比，其输出信号在送进单片机前需要将其转换成相同频率的方波信号，具体处理过程为：电磁感应式轮速传感器输出信号SPEED先经过电阻R7和电容C2组成的低通滤波电路，然后送到由电阻R8、R9和运算放大器U2组成的电压比较器进行整形，再送到运算放大器U3对信号进行隔离抗干扰，最后经过由电阻R10、R11和二极管D2组成的限幅电路，然后接到单片机5的中断端口。
所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置的检测方法，根据一定时间长度内是否检测到驾驶员操作动作来判定疲劳驾驶是否存在，具体包括以下步骤：由单片机检测节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器、车速传感器传送来的相关信号；从上一个驾驶员操作动作结束开始检测下一个驾驶员操作动作出现的时间，如果在设定的疲劳检测时间阈值内检测到任何一种驾驶员操作动作，则为正常驾驶；并从该驾驶员操作动作出现的时刻开始重新进行下一个驾驶员操作动作的检测；如果在设定的疲劳检测时间阈值内任何一种动作都没有检测到，则判定为疲劳驾驶；如果是疲劳驾驶状态，则单片机输出控制信号至蜂鸣器和报警灯，使蜂鸣器发出警报声，并使报警灯点亮。
所述的驾驶员操作动作包括以下三种的任意一种：
驾驶员踩下油门踏板，该动作由节气门位置传感器提供，由信号变化率进行判定；
驾驶员踩下制动踏板，该动作由制动灯开关传感器提供，由信号高低电平进行判定；
驾驶员转动方向盘，该动作由方向盘转角传感器提供，由信号变化量进行判定；
所述的驾驶员踩下油门踏板和驾驶员踩下制动踏板动作，其疲劳检测时间阈值为固定值，为4s；
所述的驾驶员转动方向盘动作，其疲劳检测时间阈值为动态的，具体确定方法如下：
(1)直线行驶：当汽车方向盘转角小于±15°时，视为直线行驶；其疲劳检测时间阈值随汽车速度等级大小的变化而改变，具体方法是：车速低时，说明车流量大，或者车辆处于刚起步、或将停车状态，驾驶员调整方向盘转角的频率较大，故其疲劳检测时间阈值应相对较小；车速高时，说明车流量小，汽车处于高速直线行驶状态，驾驶员调整方向盘的频率较小，故其疲劳检测时间阈值应相对较大。因此，车速等级分类及相应的疲劳检测时间阈值如表1所示：
表1：
车速大小(km/h) 车速类型 疲劳检测时间阈值(s)
0-20 低速 3-3.5
20-40 中速 4
>40 高速 5-5.5
(2)转向行驶：当汽车方向盘转角的绝对值大于或等于±15°时，视为转向行驶；其疲劳检测时间阈值根据车速和方向盘转角的大小动态确定；车速等级分类如表1所示，方向盘转角等级如表2所示，疲劳检测时间阀值等级判定如表3所述，疲劳检测时间阈值等级及相应的阀值如表4所示；因汽车转向过程中，汽车需要及时完成转向和回正任务，故驾驶员调整方向盘的频率较高，其疲劳检测时间阈值整体上较汽车直线行驶时小。具体方法是：方向盘转角大，车速高时，其疲劳检测时间阈值较小；反之，则较大。
表2方向盘转角等级
转角绝对值(°) 等级
15-40 小
40-90 中
>90 大
表3疲劳检测时间阀值等级判定
车速等级 方向盘转角等级 阈值等级
高 大 小
高 中 小
高 小 中
中 大 小
中 中 中
中 小 大
低 大 中
低 中 大
低 小 大
表4疲劳检测时间阈值等级及相应的阀值
与已有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置及检测方法，在不增加额外传感器的情况下，利用汽车上已有的车载传感器获取汽车运行和驾驶员操作动作信号，完成疲劳驾驶的检测，同时根据汽车实际运行状态采用变化的疲劳判定阈值参数进行检测，并通过单片机处理得到疲劳驾驶判定结果，其成本低，方法简单实用，且适应性更好。
附图说明
图1为本发明的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置的结构方框图；
图2为本发明的节气门位置传感器信号处理电路图；
图3为本发明的方向盘转角传感器信号处理电路图；
图4为本发明的制动灯开关传感器信号处理电路图；
图5为本发明的车速传感器信号处理电路图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明不仅限于这些实施例，在未脱离本发明宗旨的前提下，所作的任何改进均落在本发明的保护范围之内。
参见附图1，一种基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，包括节气门位置传感器1、制动灯开关传感器2、方向盘转角传感器3、车速传感器4、单片机5、蜂鸣器6和报警灯7；其中，
所述节气门位置传感器1，输出节气门位置信号，表示汽车油门大小；
制动灯开关传感器2，输出制动灯是否点亮的开关信号，表示汽车是否处于制动状态；
方向盘转角传感器3，输出方向盘转角大小和正负信号，表示方向盘所处的位置；
车速传感器4，输出车速信号，表示车速高低；
单片机5，输入端与节气门位置传感器1、制动动开关传感器2、方向盘转角传感器3和车速传感器4连接，接收节气门位置传感器1、制动灯开关传感器2、方向盘转角传感器3和车速传感器4的输出信号，输出端与蜂鸣器6和报警灯7连接。
参见附图2，为节气门位置传感器信号处理电路，滑动电阻R1的输出电压为节气门位置传感器输出信号，该信号经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路以滤除高频干扰信号，电路输出信号IN1送到单片机5的A/D转换接口。
所述的方向盘转角传感器3采用两个槽型光电开关传感器，方向盘转向轴上安装一个随其转动的遮光盘，遮光盘上均匀地开有许多槽，当方向盘转动时，在遮光盘上槽和齿的作用下，槽型光电开关传感器中的发光二极管发出的光束使光敏三极管不断地导通和截止，通过检测槽型光电开关传感器输出电压的跳变计算方向盘转动角度；同时，所述两个槽型光电开关传感器的光敏三极管导通与截止脉冲信号相位相差90°，通过对比两个传感器的输出信号可以检测出方向盘的转动方向。参见附图3，为槽型光电开关传感器信号处理电路，当遮光盘挡住发光二极管的光束时，光敏三极管截止，传感器输出电压IN2为低电平；反之，光敏三极管导通，传感器输出电压IN2为高电平，输出电压IN2送到单片机5的中断检测端口。
参见附图4，为制动灯开关传感器信号处理电路，制动灯开关传感器输出信号BRAKE经过电阻R5、R6和二极管D1组成的限幅电路，输出信号IN3送到单片机5的I/O接口。
所述的车速传感器4为电磁感应式轮速传感器，其传感器输出信号为近似正弦信号，其频率和幅值与车速高低成正比，其输出信号在送进单片机前需要将其转换成相同频率的方波信号，参见附图5，具体处理过程为：电磁感应式轮速传感器输出信号SPEED先经过电阻R7和电容C2组成的低通滤波电路，然后送到由电阻R8、R9和运算放大器U2组成的电压比较器进行整形，再送到运算放大器U3对信号进行隔离抗干扰，最后经过由电阻R10、R11和二极管D2组成的限幅电路，然后接到单片机5的中断端口。
所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置的检测方法，根据一定时间长度内是否检测到驾驶员操作动作来判定疲劳驾驶是否存在，具体包括以下步骤：由单片机5检测节气门位置传感器1、制动灯开关传感器2、方向盘转角传感器3、车速传感器4传送来的相关信号；从上一个驾驶员操作动作结束开始检测下一个驾驶员操作动作出现的时间，如果在设定的疲劳检测时间阈值内检测到任何一种驾驶员操作动作，则为正常驾驶；并从该驾驶员操作动作出现的时刻开始重新进行下一个驾驶员操作动作的检测；如果在设定的疲劳检测时间阈值内任何一种动作都没有检测到，则判定为疲劳驾驶；如果是疲劳驾驶状态，则单片机5输出控制信号至蜂鸣器6和报警灯7，使蜂鸣器6发出警报声，并使报警灯7点亮。
所述的驾驶员操作动作包括以下三种的任意一种：
驾驶员踩下油门踏板，该动作由节气门位置传感器1提供，由信号变化率进行判定；
驾驶员踩下制动踏板，该动作由制动灯开关传感器2提供，由信号高低电平进行判定；
驾驶员转动方向盘，该动作由方向盘转角传感器3提供，由信号变化量进行判定；
所述的驾驶员踩下油门踏板和驾驶员踩下制动踏板动作，其疲劳检测时间阈值为固定值，为4s；
所述的驾驶员转动方向盘动作，其疲劳检测时间阈值为动态的，具体确定方法如下：
(1)直线行驶：当汽车方向盘转角小于±15°时，视为直线行驶；其疲劳检测时间阈值随汽车速度等级大小的变化而改变，具体方法是：车速低时，说明车流量大，或者车辆处于刚起步、或将停车状态，驾驶员调整方向盘转角的频率较大，故其疲劳检测时间阈值应相对较小；车速高时，说明车流量小，汽车处于高速直线行驶状态，驾驶员调整方向盘的频率较小，故其疲劳检测时间阈值应相对较大。因此，车速等级分类及相应的疲劳检测时间阈值如表1所示：
表1：
车速大小(km/h) 车速类型 疲劳检测时间阈值(s)
0-20 低速 3-3.5
20-40 中速 4
>40 高速 5-5.5
(2)转向行驶：当汽车方向盘转角的绝对值大于或等于±15°时，视为转向行驶；其疲劳检测时间阈值根据车速和方向盘转角的大小动态确定；车速等级分类如表1所示，方向盘转角等级如表2所示，疲劳检测时间阀值等级判定如表3所述，疲劳检测时间阈值等级及相应的阀值如表4所示；因汽车转向过程中，汽车需要及时完成转向和回正任务，故驾驶员调整方向盘的频率较高，其疲劳检测时间阈值整体上较汽车直线行驶时小。具体方法是：方向盘转角大，车速高时，其疲劳检测时间阈值较小；反之，则较大。
表2方向盘转角等级
转角绝对值(°) 等级
15-40 小
40-90 中
>90 大
表3疲劳检测时间阀值等级判定
车速等级 方向盘转角等级 阈值等级
高 大 小
高 中 小
高 小 中
中 大 小
中 中 中
中 小 大
低 大 中
低 中 大
低 小 大
表4疲劳检测时间阈值等级及相应的阀值
等级 阈值(s)
小 2
中 3
大 4
汽车起动后，车速大于一定值后，该检测装置开始工作。单片机5检测节气门位置传感器1、制动灯开关2、方向盘转角传感器3、车速传感器4传送来的相关信号。以t0时刻检测到某一个驾驶员操作动作为例。首先，根据t0时刻的汽车运行车速和方向盘转角按前述方法确定疲劳检测时间阈值；再从t0时刻开始，检测下一个驾驶员操作动作出现的时间。如果在疲劳检测时间阈值内检测到任何一种相应的驾驶员操作动作，设该时间为t1，则从t0到t1的时间段，驾驶员为正常驾驶状态，并从t1时刻重新开始疲劳检测；如果在疲劳检测时间阈值内没有检测到任何一种驾驶员操作动作，则判定当前驾驶员状态为疲劳驾驶，并采取相应控制动作。
实施例1：
t0时刻检测到某一个驾驶员操作动作，后续检测过程为：t0时刻车速为45km/h，转向盘转角为30°，此时判定汽车状态为转向行驶，车速等级为高速，方向盘转角等级为小，则根据车速和方向盘转角确定转动方向盘的疲劳检测时间阈值为3s，其他动作的时间阈值为固定值4s。因此，如果在3s内检测到驾驶员转向动作，或者在4s内检测到除转动转向盘外的其他驾驶员动作，则判定为正常驾驶；如果在3s内未检测到驾驶员转向动作，同时在4s内未检测到除转动方向盘外的其他任何一种驾驶员动作，则判定为疲劳驾驶，此时则单片机5输出控制信号至蜂鸣器6和报警灯7，使蜂鸣器6发出警报声，并使报警灯7点亮。

Claims (7)

1.基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，其特征在于：包括节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器、车速传感器、单片机、蜂鸣器和报警灯；其中，
节气门位置传感器，输出节气门位置信号；
制动灯开关传感器，输出制动灯是否点亮的开关信号；
方向盘转角传感器，输出方向盘转角大小和正负信号；
车速传感器，输出车速信号；
单片机，输入端与节气门位置传感器、制动动开关传感器、方向盘转角传感器和车速传感器连接，接收节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器和车速传感器的输出信号，输出端与蜂鸣器和报警灯连接。
2.根据权利要求1所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，其特征在于：所述的节气门位置传感器，其输出信号经过电阻R2和电容C1组成的低通滤波电路，电路输出信号IN1送到单片机的A/D转换接口。
3.根据权利要求1所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，其特征在于：所述的方向盘转角传感器采用两个槽型光电开关传感器，方向盘转向轴上安装一个随其转动的遮光盘，遮光盘上均匀地开有许多槽，所述两个槽型光电开关传感器的光敏三极管导通与截止脉冲信号相位相差90°。
4.根据权利要求1所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，其特征在于：所述的制动灯开关传感器，其输出信号BRAKE经过电阻R5、R6和二极管D1组成的限幅电路，电路输出信号IN3送到单片机5的I/O接口。
5.根据权利要求1所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置，其特征在于：所述的车速传感器为电磁感应式轮速传感器，其输出信号在送进单片机前转换成相同频率的方波信号，具体处理过程为：电磁感应式轮速传感器输出信号SPEED先经过电阻R7和电容C2组成的低通滤波电路，然后送到由电阻R8、R9和运算放大器U2组成的电压比较器进行整形，再送到运算放大器U3对信号进行隔离抗干扰，最后经过由电阻R10、R11和二极管D2组成的限幅电路，然后接到单片机5的中断端口。
6.一种如权利要求1所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置的检测方法，其特征在于：根据一定时间长度内是否检测到驾驶员操作动作来判定疲劳驾驶是否存在，具体包括以下步骤：由单片机检测节气门位置传感器、制动灯开关传感器、方向盘转角传感器、车速传感器传送来的相关信号；从上一个驾驶员操作动作结束开始检测下一个驾驶员操作动作出现的时间，如果在设定的疲劳检测时间阈值内检测到任何一种驾驶员操作动作，则为正常驾驶；并从该驾驶员操作动作出现的时刻开始重新进行下一个驾驶员操作动作的检测；如果在设定的疲劳检测时间阈值内任何一种动作都没有检测到，则判定为疲劳驾驶；如果是疲劳驾驶状态，则单片机输出控制信号至蜂鸣器和报警灯，使蜂鸣器发出警报声，并使报警灯点亮。
7.根据权利要求6所述的基于动态阀值的驾驶员疲劳状态检测装置的检测方法，其特征在于：所述的驾驶员操作动作包括以下三种的任意一种：
驾驶员踩下油门踏板，该动作由节气门位置传感器提供，由信号变化率进行判定；
驾驶员踩下制动踏板，该动作由制动灯开关传感器提供，由信号高低电平进行判定；
驾驶员转动方向盘，该动作由方向盘转角传感器提供，由信号变化量进行判定；
所述的驾驶员踩下油门踏板和驾驶员踩下制动踏板动作，其疲劳检测时间阈值为固定值，为4s；
所述的驾驶员转动方向盘动作，其疲劳检测时间阈值为动态的，具体确定方法如下：
(1)直线行驶：当汽车方向盘转角小于±15°时，视为直线行驶；其疲劳检测时间阈值随汽车速度等级大小的变化而改变，车速等级分类及相应的疲劳检测时间阈值为：车速0-20km/h，车速类型为低速，其疲劳检测时间阀值为3-3.5s；车速20-40km/h，车速类型为中速，其疲劳检测时间阀值为4s；车速大于40km/h，车速类型为高速，其疲劳检测时间阀值为5-5.5s；
(2)转向行驶：当汽车方向盘转角的绝对值大于或等于±15°时，视为转向行驶；其疲劳检测时间阈值根据车速和方向盘转角的大小动态确定；
车速等级分类为：车速0-20km/h，车速类型为低速；车速20-40km/h，车速类型为中速；车速大于40km/h，车速类型为高速；
方向盘转角等级分类为：转角绝对值15-40°，等级为小；转角绝对值40-90°，等级为中；转角绝对值大于90°，等级为大；
其疲劳检测时间阈值的等级分类为：
车速类型为高速、方向盘转角等级为大、疲劳检测时间阈值等级为小；
车速类型为高速、方向盘转角等级为中、疲劳检测时间阈值等级为小；
车速类型为高速、方向盘转角等级为小、疲劳检测时间阈值等级为中；
车速类型为中速、方向盘转角等级为大、疲劳检测时间阈值等级为小；
车速类型为中速、方向盘转角等级为中、疲劳检测时间阈值等级为中；
车速类型为中速、方向盘转角等级为小、疲劳检测时间阈值等级为大；
车速类型为低速、方向盘转角等级为大、疲劳检测时间阈值等级为中；
车速类型为低速、方向盘转角等级为中、疲劳检测时间阈值等级为大；
车速类型为低速、方向盘转角等级为小、疲劳检测时间阈值等级为大；
其疲劳检测时间阈值为：
疲劳检测时间阈值等级为小，阀值为2s；
疲劳检测时间阈值等级为中，阀值为3s；
疲劳检测时间阈值等级为大，阀值为4s。
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