CN112451833A - 一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***及方法，其特点是：所述***包括脑电采集终端、上位机、下位机和个性化音乐推荐器依次连接，脑电采集终端用于实时采集驾驶员的脑电信号；上位机用于脑电信号预处理，提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动相应工作模式的指令；个性化音乐推荐器用于根据下位机的控制指令进入相应的音乐播放模式。***结构简单适用，成本低，检测准确性高；方法科学合理，适用性强，效果佳，能够缓解驾驶疲劳，提高驾驶安全性。

Description

一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***及方法

技术领域

本发明涉及驾驶疲劳检测缓解***及方法，具体地说，是一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***及方法。

背景技术

近年来，随着汽车的数量急剧增加，交通事故也随之增多。导致交通事故的因素很多，其中，驾驶员疲劳驾驶是导致交通事故的主要原因。据统计数据显示，因驾驶疲劳造成的交通事故占事故总量的三分之一左右；美国道路交通管理部门统计显示，近五年来平均每年因疲劳驾驶造成的交通事故近12万起；澳大利亚交通管理相关部门在对全国交通事故引发原因分析中发现，每年因驾驶员疲劳引发的交通事故至少占据每年交通事故总量的17％；日本的交通事故统计数据也表明，因驾驶疲劳导致的交通事故高达35％-45％。因此，准确快速检测驾驶员驾驶疲劳状态并及时缓解显得尤为重要。

缓解人类精神疲劳的传统方法有很多，比如降低工作强度，短暂休息，喝含咖啡因的饮料，服用特殊的药物。近年来，电刺激作为一种缓解人体疲劳的新方法得到了广泛的研究。有研究表明，适量的认知任务比少量的认知任务更有利于缓解精神疲劳。但是以上缓解驾驶疲劳的方法采用的模块较多，成本较高，效率低，另外设备的便携性和可靠性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种结构简单适用，成本低，检测准确性高的基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***；并提供科学合理，适用性强，效果佳，能够缓解驾驶疲劳，提高驾驶安全性，减少因疲劳驾驶带来的交通隐患的基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解方法。

实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征是：它包括脑电采集终端、上位机、下位机和个性化音乐推荐器，所述脑电采集终端用于实时采集驾驶员的脑电信号；所述上位机用于脑电信号预处理，提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；所述下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动相应工作模式的指令；所述个性化音乐推荐器用于根据下位机的控制指令进入相应的音乐播放模式；所述脑电采集终端的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集终端的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机与个性化音乐推荐器连接，个性化音乐推荐器根据下位机发出的指令进入相应的音乐播放模式。

进一步，所述个性化音乐推荐器包括：主控制单元、个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元、车载终端和无线射频通讯单元，主控制单元通过无线射频通讯分别与个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元和车载终端相连，所述驾驶员疲劳缓解模式控制单元包括驾驶员疲劳状态缓解音乐分类模块和下位机指令接收模块；所述个性化音乐推荐单元包括音乐上传模块、个性化音乐推荐模块；音乐上传模块利用蓝牙上传或U盘和TF卡上传车载个性化音乐，个性化音乐推荐模块根据慢波平均功率谱和慢波复杂度的变化来进行音乐推荐，个人音乐存储单元用来存储车载个性化音乐；所述报警单元包括语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块；所述车载终端包括音乐检索播放单元和驾驶员疲劳状态显示模块。

进一步，所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐推荐器的工作模式包括个性化音乐周期性播放工作模式、个性化音乐非周期性播放工作模式和报警工作模式。

进一步，所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐周期性播放工作模式为车载终端的音乐检索播放单元输出周期性个性化缓解驾驶疲劳的音乐。

进一步，所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐非周期性播放工作模式为车载终端的音乐检索播放单元输出间歇性个性化缓解驾驶疲劳的音乐；

进一步，所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述报警工作模式为通过报警单元的语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块提示驾驶员停车休息。

实现本发明目的之二采用的技术方案是，一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解方法，其特征是，包括如下步骤：

1)脑电采集终端实时采集驾驶员在驾驶过程中的脑电信号；

2)将采集到的驾驶员脑电信号传输至上位机；

3)上位机利用独立分量分析(independent component analysis,ICA)算法对AF3通道脑电信号进行预处理，去除工频噪声、眼电和肌电的伪迹干扰；提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

①对预处理后的驾驶员脑电信号进行巴特沃斯带通滤波，提取脑电信号中的慢波频段信号；

②计算疲劳指数F、G：

式中P和P0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻的δ(0.5～4Hz)和θ(4～8Hz)节律的平均功率谱，L和L0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻δ节律和θ节律的复杂度；

③实时计算驾驶员的当前脑电疲劳指数，并根据当前脑电疲劳指数的驾驶疲劳状态的变化来判断驾驶员的驾驶状态：若疲劳指数F≤1.2(1+h)且G≤1.2(1+h)，则驾驶员处于正常驾驶状态，此时返回步骤1；若疲劳指数1.2(1+h)＜F≤1.3(1+h)且1.2(1+h)＜G≤1.3(1+h)，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若疲劳指数1.3(1+h)＜F≤1.5(1+h)且1.3(1+h)＜G≤1.5(1+h)，则驾驶员处于严重疲劳驾驶状态；若F＞1.5(1+h)且G＞1.5(1+h)，则驾驶员处于极度疲劳状态；h个人耐疲劳差异的调节因子；

④将驾驶员的驾驶疲劳状态数据传输至下位机；

4)下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动并进入相应的音乐播放模式：若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐周期性播放工作模式；若驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐非周期性播放工作模式；若驾驶员处于极度疲劳驾驶状态，则进入报警工作模式，提示驾驶员停车休息。

本发明的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***及方法，与现有技术相比，本发明采用脑电采集终端及上位机实时监测驾驶员的驾驶疲劳状态，采用个性化音乐推荐器对驾驶员适时进行个性化缓解疲劳音乐的播放。通过脑电信号多疲劳指标实时检测驾驶员疲劳状态，另外下位机可以根据驾驶员所处的驾驶状态，控制个性化音乐推荐器启动并进入不同工作模式，降低驾驶员的工作负荷。其基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***具有结构简单适用，成本低，检测准确性高的优点；其基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解方法科学合理，适用性强，效果佳，能够缓解驾驶疲劳，提高驾驶安全性，减少因疲劳驾驶带来的交通隐患。

附图说明

图1为本发明一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***结构方框示意图；

图2为图1中个性化音乐推荐器结构方框示意图；

图3为本发明具体实施方式的下位机与个性化音乐推荐器的电路连接原理图；

图4为本发明一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解方法流程图；

图5为本发明具体实施的下位机数据处理及驾驶疲劳状态判别流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作详细说明。

本发明的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，如图1所示，包括脑电采集终端、上位机、下位机和个性化音乐推荐器；

脑电采集终端用于实时采集驾驶员的脑电信号；

上位机用于脑电信号预处理，提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动相应音乐播放模式；

个性化音乐推荐器用于根据下位机的控制指令进入相应的音乐播放模式；

脑电采集终端的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集终端的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机与个性化音乐推荐器连接，个性化音乐推荐器安装在驾驶室，个性化音乐推荐器根据下位机发出的指令进入相应的音乐播放模式；

脑电采集终端采用CUBand脑波仪，由北京中西远大科技有限公司生产，上位机采用PC机，下位机采用STM32F103RBT6型号单片机，如图2所示，个性化音乐推荐器包括：主控制单元、个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元、车载终端和无线射频通讯单元。主控制单元通过无线射频通讯分别与个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元和车载终端相连，控制各模块协同工作；其中驾驶员疲劳缓解模式控制单元包括驾驶员疲劳状态缓解音乐分类模块和下位机指令接收模块；个性化音乐推荐单元包括音乐上传模块、个性化音乐推荐模块；音乐上传模块利用蓝牙上传或U盘和TF卡上传车载个性化音乐，个性化音乐推荐模块根据慢波平均功率谱和慢波复杂度的变化来进行音乐推荐，个人音乐存储单元用来存储车载个性化音乐。报警单元包括语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块；车载终端包括音乐检索播放单元和驾驶员疲劳状态显示模块；

本实施方式的下位机与个性化音乐推荐器的电路连接如图3所示，包括主控制单元(STM32F103RBT6芯片电路)、个性化音乐推荐单元、个性化音乐存储单元、驾驶员缓解模式控制单元、报警单元和车载终端；

如图3所示，个性化音乐推荐单元包括CIC481音乐集成电路和USB接口和蓝牙作为音乐上传模块，CIC481音乐集成电路引脚15、16分别和主控芯片STM32F103RBT6的PB0、PB10相连接，CH340CSOP16的引脚5、6分别和主控芯片STM32F103RBT6的PC11、PC12相连接,USB转串口芯片控制USB收发信号和串口信号精确的波特率；个性化音乐存储单元采用24C02数据存储器芯片，24C02数据存储器芯片的引脚5、6分别和主控芯片STM32F103RBT6的PA1、PA4相连接,实现个性化音乐存储；驾驶员缓解模式控制单元采用型号为x9312的数控电位器连接555定时器(NE555定时芯片)作为控制单元，数控电位器A1引脚1、2、3分别和主控芯片STM32F103RBT6的PC6、PB14、PB15相连接，A1的RW与555定时器的DIS相连接。主控芯片STM32F103RBT6通过PC6、PB14、PB15引脚,控制数字电位计输出不同的电压(0-5V),555定时器根据不同的电压值输出不同频率的脉冲，最终实现自动控制个性化音乐推荐器的开关及进入相应的音乐播放模式的功能。

通讯单元连接下位机，用于实现音乐推荐器与下位机之间的数据通讯；报警单元采用扬声器Bell(型号YHE12-05)和LED灯模块，用于在驾驶员处于极度疲劳状态时提示驾驶员停车休息。

个性化音乐推荐器的不同音乐播放模式缓解驾驶疲劳功能的实现：

单片机(下位机)接收驾驶状态数据后，判断并发出操作指令，控制个性化音乐推荐器工作。

当个性化音乐周期性播放工作模式时，555定时器关闭，车载终端的音乐检索播放单元输出周期性个性化缓解驾驶疲劳的音乐；

当个性化音乐非周期性播放工作模式时，555定时器开启，车载终端的音乐检索播放单元输出间歇性个性化缓解驾驶疲劳的音乐；

当报警工作模式时，主控芯片STM32F103RBT6通过引脚PC13控制扬声器(报警单元)的开启和关闭，语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块提示驾驶员停车休息。

本发明的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解方法，如图4和图5所示，包括如下步骤：

1)脑电采集终端实时采集驾驶员在驾驶过程中的脑电信号；

2)将采集到的驾驶员脑电信号传输至上位机；

3)上位机利用独立分量分析(independent component analysis,ICA)算法对AF3通道脑电信号进行预处理，去除工频噪声、眼电和肌电的伪迹干扰；提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

①对预处理后的驾驶员脑电信号进行巴特沃斯带通滤波，提取脑电信号中的慢波频段信号；

②计算疲劳指数F、G：

式中P和P0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻的δ(0.5～4Hz)和θ(4～8Hz)节律的平均功率谱，L和L0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻δ节律和θ节律的复杂度；

③实时计算驾驶员的当前脑电疲劳指数，并根据当前脑电疲劳指数的驾驶疲劳状态的变化来判断驾驶员的驾驶状态：若疲劳指数F≤1.2(1+h)且G≤1.2(1+h)，则驾驶员处于正常驾驶状态，此时返回步骤1；若疲劳指数1.2(1+h)＜F≤1.3(1+h)且1.2(1+h)＜G≤1.3(1+h)，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若疲劳指数1.3(1+h)＜F≤1.5(1+h)且1.3(1+h)＜G≤1.5(1+h)，则驾驶员处于严重疲劳驾驶状态；若F＞1.5(1+h)且G＞1.5(1+h)，则驾驶员处于极度疲劳状态；h个人耐疲劳差异的调节因子；

④将驾驶员的驾驶疲劳状态数据传输至下位机；

4)下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动并进入相应的音乐播放模式：若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐周期性播放工作模式；若驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐非周期性播放工作模式；若驾驶员处于极度疲劳驾驶状态，则进入报警工作模式，提示驾驶员停车休息。

本发明具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施式获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：它包括脑电采集终端、上位机、下位机和个性化音乐推荐器，所述脑电采集终端用于实时采集驾驶员的脑电信号；所述上位机用于脑电信号预处理，提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；所述下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动相应工作模式的指令；所述个性化音乐推荐器用于根据下位机的控制指令进入相应的音乐播放模式；所述脑电采集终端的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集终端的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机与个性化音乐推荐器连接，个性化音乐推荐器根据下位机发出的指令进入相应的音乐播放模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐推荐器包括：主控制单元、个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元、车载终端和无线射频通讯单元，主控制单元通过无线射频通讯分别与个性化音乐存储单元、驾驶员疲劳缓解模式控制单元、个性化音乐推荐单元、报警单元和车载终端相连，所述驾驶员疲劳缓解模式控制单元包括驾驶员疲劳状态缓解音乐分类模块和下位机指令接收模块；所述个性化音乐推荐单元包括音乐上传模块、个性化音乐推荐模块；音乐上传模块利用蓝牙上传或U盘和TF卡上传车载个性化音乐，个性化音乐推荐模块根据慢波平均功率谱和慢波复杂度的变化来进行音乐推荐，个人音乐存储单元用来存储车载个性化音乐；所述报警单元包括语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块；所述车载终端包括音乐检索播放单元和驾驶员疲劳状态显示模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐推荐器的工作模式包括个性化音乐周期性播放工作模式、个性化音乐非周期性播放工作模式和报警工作模式。

4.根据权利要求3所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐周期性播放工作模式为车载终端的音乐检索播放单元输出周期性个性化缓解驾驶疲劳的音乐。

5.根据权利要求3所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述个性化音乐非周期性播放工作模式为车载终端的音乐检索播放单元输出间歇性个性化缓解驾驶疲劳的音乐。

6.根据权利要求3所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于：所述报警工作模式为通过报警单元的语音提醒模块和LED灯闪亮报警模块提示驾驶员停车休息。

7.根据权利要求1所述的一种基于个性化音乐推荐器的驾驶疲劳检测缓解***，其特征在于，其驾驶疲劳检测缓解的方法包括如下步骤：

1)脑电采集终端实时采集驾驶员在驾驶过程中的脑电信号；

2)将采集到的驾驶员脑电信号传输至上位机；

3)上位机利用独立分量分析(independent component analysis,ICA)算法对AF3通道脑电信号进行预处理，去除工频噪声、眼电和肌电的伪迹干扰；提取脑电信号中的慢波频段信号，计算慢波平均功率谱和慢波复杂度，根据该平均功率谱和复杂度的变化判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

①对预处理后的驾驶员脑电信号进行巴特沃斯带通滤波，提取脑电信号中的慢波频段信号；

②计算疲劳指数F、G：

式中P和P0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻的δ(0.5～4Hz)和θ(4～8Hz)节律的平均功率谱，L和L0分别为驾驶员当前时刻与前15分钟时刻δ节律和θ节律的复杂度；

③实时计算驾驶员的当前脑电疲劳指数，并根据当前脑电疲劳指数的驾驶疲劳状态的变化来判断驾驶员的驾驶状态：若疲劳指数F≤1.2(1+h)且G≤1.2(1+h)，则驾驶员处于正常驾驶状态，此时返回步骤1；若疲劳指数1.2(1+h)＜F≤1.3(1+h)且1.2(1+h)＜G≤1.3(1+h)，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若疲劳指数1.3(1+h)＜F≤1.5(1+h)且1.3(1+h)＜G≤1.5(1+h)，则驾驶员处于严重疲劳驾驶状态；若F＞1.5(1+h)且G＞1.5(1+h)，则驾驶员处于极度疲劳状态；h个人耐疲劳差异的调节因子；

④将驾驶员的驾驶疲劳状态数据传输至下位机；

4)下位机根据驾驶疲劳状态数据控制个性化音乐推荐器启动并进入相应的音乐播放模式：若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐周期性播放工作模式；若驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，则进入个性化音乐非周期性播放工作模式；若驾驶员处于极度疲劳驾驶状态，则进入报警工作模式，提示驾驶员停车休息。

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