疲劳驾驶检测的方向盘装置及其安全预警方法
【专利摘要】本发明公开了一种疲劳驾驶检测的方向盘装置及其安全预警方法。该装置包括数据采集模块、微处理器控制模块、数据传输模块、数据储存模块、数据分析模块和安全预警模块六大部分，其中，数据采集模块包括方向盘转角采集模块、车速采集模块、方向盘压力采集模块和眼动特征数据采集模块，采集的数据通过微处理器处理后传输给数据分析模块，分析模块对采集数据进行分析处理，搭建自适应监测模型，并进行实时差异分析，判断驾驶员当前驾驶状态，若出行疲劳驾驶状态则采取预警措施。本发明可实现对驾驶疲劳的判断，实用性高，可迅速感应驾驶疲劳，灵敏性高，检测结果可靠性、准确性高，且不用手动输入任何数据，可自动进行安全预警，智能性高。
【专利说明】
疲劳驾驶检测的方向盘装置及其安全预警方法
技术领域
[0001] 本发明属于智慧交通领域，具体是一种基于驾驶员眼动特征和驾驶行为分析的检 测疲劳的方向盘装置及其安全预警方法。
【背景技术】
[0002] 随着公路网的逐步完善，汽车保有量越来越大，公路交通事故特别是恶性交通事 故发生率居高不下，而疲劳驾驶是引起恶性交通事故原因中所占比例最高的一项，它是引 发道路交通事故的主要原因之一。
[0003] 疲劳驾驶是一种严重的社会问题，它不仅会影响自身安全，还会危害其他道路使 用者，因此在驾驶员驾驶时，如何检测疲劳并第一时间告知驾驶人，采取一定的应急措施是 当下解决疲劳驾驶问题的一个关键点。
[0004] 目前缺乏有效的检测与防止疲劳驾驶的技术手段，为减少疲劳驾驶造成的事故， 各国普遍采取的措施是限制驾驶人的驾驶时间。《中华人民共和国道路交通安全法实施条 例》第六十二条中就明确规定:机动车驾驶人不得"连续驾驶机动车超过4小时未停车体息 或者停车体息时间少于20分钟"。对于驾驶人和运营单位来说，管理措施条文明确、容易执 行。但由于疲劳驾驶不像酒后驾驶一样容易鉴别，造成执法困难。目前，我国主要采用交警 查问、检查行车记录和驾驶日记等方法检测疲劳驾驶。同时，这种根据驾驶人连续驾驶时间 简单判断的方法，无法考虑到不同驾驶人个体在身体素质、生活习惯等方面的差异性，同 时，即使对于同一驾驶人在不同时期由于健康状况、心情状况等因素的影响，安全驾驶时长 也不相同。因此，采用单一驾驶时间作为限制疲劳驾驶措施，容易引起争议，给法律法规的 落实与执行带来困难。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种疲劳驾驶检测的方向盘装置及其疲劳驾驶检测方法。 将方向盘转动、眼动特征监测等数据规划入检测指标中，根据驾驶员的个人特点在驾驶过 程中灵敏检测到疲劳并采取相应措施。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为:一种疲劳驾驶检测的方向盘装置，普通方向 盘内部设有数据采集模块，微处理器控制模块，数据传输模块，数据储存模块，数据分析模 块，安全预警模块;其中，数据采集模块与微处理器控制模块相连，将采集到的数据发送给 控制模块;微处理器控制模块与数据传输模块相连，控制模块将采集到的所有数据打包发 送给数据传输模块，同时接收传输模块反馈回来的操作指令;数据传输模块与数据分析模 块相连，传输模块将数据传输给数据分析模块，并接收分析模块反馈回来的信息;数据分析 模块与数据存储模块相连，数据储存模块存储采集获得的数据，同时数据分析模块对采集 的数据进行处理分析，做出决策;安全预警模块与数据分析模块相连，根据数据分析模块判 断的驾驶员驾驶状态，决策是否进行安全预警。数据采集模块包括方向盘转角采集模块，车 速采集模块，方向盘压力采集模块和眼动特征数据采集模块;方向盘转角采集模块为方向 盘转角传感器和转角速度传感器，安装于转向柱上，转角传感器测量汽车转向时方向盘的 "旋转角度"，为多圈绝对角度输出方式，可检测方向盘"多圈旋转"时的"绝对角度"；转角速 度传感器测量方向盘的转动速度。车速采集模块为车速传感器，安装于转向柱上，测量汽车 的行驶速度;方向盘压力采集模块为压力传感器，安装于方向盘圆周内，测量驾驶人手握方 向盘时的压力大小;眼动特征数据采集模块为摄像头，安装于转向柱与方向盘连接处，运用 摄像头拍摄驾驶员头部的实时图像序列，运用图像处理技术对图像进行人脸区域识别、人 眼定位和跟踪，最后提取眼动特征。安全预警模块为声音预警，通过设定好的提示音来提示 驾驶员停车休息。
[0007] -种基于疲劳驾驶检测的方向盘装置的安全预警方法，采集驾驶员最初驾驶前一 段时间的驾驶数据，搭建自适应监测模型，之后将采集的驾驶数据与监测模型进行对比，若 存在显著差异则进行安全预警；
[0008] 具体执行过程如下：
[0009] 步骤一:数据预处理，获取驾驶最初一段时间的方向盘转角、转角速度、车速和眼 动特征数据；
[0010]步骤二:搭建自适应检测模型；
[0011] Pij = {Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE}
[0012]其中，Pl伪第i位驾驶人第j个特征的参数值；
[0013]步骤三:获取数据，对比自适应检测模型，进行显著性检验；
[0014] 实时获取驾驶人驾驶行为和眼动行为等数据，利用步骤一的方式进行预处理，得 到新的Pij' ；
[0015] Pij7 ={Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE}
[0016] 针对?1」与？1/的实时数据，运用配对样本t检验，量化同一驾驶员不同驾驶状态下 的驾驶数据差异，设置显著性水平a = 〇. 05;
[0017]若结果得到的弃真概率P〈0.05，则所测数据与检测模型具有显著差异，进行第四 步骤安全预警;若P>〇. 05，则不具备显著差异，回到步骤一；
[0018] 步骤四：安全预警，自动播放提示音。
[0019] 本发明与现有技术相比，其显著优点：（1)本发明将疲劳驾驶检测系统整合于方向 盘之中，通过方向盘监测即可实现对驾驶疲劳的判断，实用性高；
[0020] (2)本发明将监测数据多元化，将眼动、方向盘转动、车速等数据融为一体，可迅速 感应驾驶疲劳，灵敏性尚；
[0021] (3)本发明存在自适应学习过程，能够针对驾驶员的个体差异获取相对应的检测 数据，检测结果可靠性、准确性高；
[0022] (4)本发明不用手动输入任何数据，并可在检测出驾驶疲劳之后自动进行安全预 警，智能性高。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明疲劳驾驶检测的方向盘装置的结构框图。
[0024] 图2为本发明的数据采集模块安装示意图。
[0025] 图3为本发明的安全预警算法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027] 如附图1所示，在驾驶方向盘内部嵌入基于驾驶员眼动特征和驾驶行为的安全预 警系统，主要用来检测驾驶疲劳，系统由数据采集模块、微处理器控制模块、数据传输模块、 数据储存模块、数据分析模块和安全预警模块组成，数据采集模块包括方向盘转角采集模 块，车速采集模块，方向盘压力采集模块和眼动特征数据采集模块。
[0028] 数据采集模块将采集到的方向盘转角、方向盘转角速度、车速、方向盘压力、眼动 特征等数据传输给微处理器控制模块，微处理器控制模块对相应数据进行预处理，并将所 有数据打包发送给数据传输模块，同时接收传输模块反馈回来的操作指令;数据传输模块 将数据传输给数据分析模块，并接收分析模块反馈回来的信息;数据分析模块为核心部分， 负责整个基于驾驶员心生理监测的安全预警算法的实现，分析模块将数据传输给储存模块 进行数据存数，同时利用已设定好的算法进行驾驶疲劳检测，并作出决策;安全预警模块与 数据分析模块相连，根据数据分析模块判断的驾驶员驾驶状态，决策是否进行安全预警。
[0029] 如附图2所示，方向盘转角采集模块为方向盘转角传感器和转角速度传感器，转角 传感器测量汽车转向时方向盘的"旋转角度"，为多圈绝对角度输出方式，可检测方向盘"多 圈旋转"时的"绝对角度"；转角速度传感器测量方向盘的转动速度;方向盘转角采集模块安 装于方向盘下方的转向柱上，通过CAN总线与PCM相连，可以量化方向盘的转角与转角速度。 车速采集模块为车速传感器，测量汽车的行驶速度，安装于方向盘下方的转向柱上。方向盘 压力采集模块为压力传感器，测量驾驶人手握方向盘时的压力大小，压力传感器环绕整个 方向盘的圆周，覆盖驾驶人手握的所有区域;眼动特征数据采集模块为摄像头，运用摄像头 拍摄驾驶员头部的实时图像序列，运用图像处理技术对图像进行人脸区域识别、人眼定位 和跟踪，最后提取眼动特征，摄像头安装于方向盘中部，可捕捉其正前方的人眼。
[0030] 如附图3所示，一种疲劳驾驶检测的方向盘的安全预警方法，通过采集驾驶员最初 驾驶前20分钟的驾驶数据，搭建自适应监测模型，之后将采集的驾驶数据与监测模型进行 对比，若存在显著差异则进行安全预警;具体执行过程如下：
[0031] 步骤一:数据预处理，获取前20分钟的方向盘转角、转角速度、车速和眼动特征数 据；
[0032] (1)对方向盘转角数据进行预处理，获得转角均值EW、方差DW、25 %数值MI、75 %数 值MA;
[0035]将方向盘转角样本从小到大排列，第25 %数值记为MI，第75 %数值记为MA，可得到 所有小于MI的转角均值EMI和所有大于MA的转角均值EMA，
[0038]其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Wi为第i次采样点的方向 盘转角。
[0039] (2)对方向盘转角速度数据进行预处理，获得转角速度均值EA、方差DA、方向盘持 续不动时间比例S;
[0043]其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Ai为第i次采样点的方向 盘转角速度;n为方向盘转角速度在± 0.1 ° /s间的采样点的数量；
[0044] (3)对车速数据进行预处理，获得车速均值EV、方差DV;
[0047]其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Vi为第i次采样点的车 速；
[0048] (4)对方向盘压力数据进行预处理，获得压力均值EP、方差DP;
[0051 ]其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Pi为第i次采样点的方向 盘压力值；
[0052] (5)对眼动数据进行预处理，获得眼睛闭合比P、眼动速度VE
[0053] 眨眼过程可看作眼睛从完全睁开到闭合，再到完全睁开的过程；其中完全睁开的 时刻记为t0,完全闭合的时刻记为tc;而完全睁开到闭合的过程是眼睛开度逐渐降低的过 程，当眼睛开度降低至80%时，将该时刻即为tl;当眼睛开度降低至20%时，将该时刻即为 t2;闭合之后到完全睁开的过程是眼睛开度逐渐增加的过程，当眼睛开度从零增加至20% 时，将该时刻记为t3;当眼睛开度增加至80 %时，将该时刻记为t4;
[0054] P为单位时间内眼睛闭合所占的比例，P的计算采用P80的国际标准，即单位时间内 眼脸遮住瞳孔面积超过80 %所占时间比例；
[0057] 步骤二:搭建自适应检测模型；
[0058] Pij = {Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE}
[0059]其中，为第i位驾驶人第j个特征的参数值；
[0060]步骤三:获取数据，对比自适应检测模型，进行显著性检验；
[0061] 实时获取驾驶人驾驶行为和眼动行为等数据，利用步骤一的方式进行预处理，得 到新的Pij' ；
[0062] Pij7 ={Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE}
[0063] 针对?1」与？1/的实时数据，运用配对样本t检验，量化同一驾驶员不同驾驶状态下 的驾驶数据差异，设置显著性水平a = 〇. 05;
[0064]若结果得到的弃真概率P〈0.05，则所测数据与检测模型具有显著差异，进行第四 步骤安全预警;若P>〇. 05，则不具备显著差异，回到步骤一；
[0065]步骤四：安全预警，自动播放提示音"您已疲劳驾驶，请停车休息!"。
【主权项】
1. 一种疲劳驾驶检测的方向盘装置，其特征在于:普通方向盘内部设有数据采集模块、 微处理器控制模块、数据传输模块、数据储存模块、数据分析模块和安全预警模块； 数据采集模块与微处理器控制模块相连，将采集到的数据发送给微处理器控制模块； 微处理器控制模块与数据传输模块相连，将采集到的所有数据打包发送给数据传输模 块，同时接收数据传输模块反馈回来的操作指令； 数据传输模块与数据分析模块相连，数据传输模块将数据传输给数据分析模块，并接 收分析模块反馈回来的信息； 数据分析模块与数据存储模块相连，数据储存模块存储采集获得的数据，同时数据分 析模块对采集的数据进行处理分析，判断驾驶员驾驶状态； 安全预警模块与数据分析模块相连，根据数据分析模块判断的驾驶员驾驶状态，决策 是否进行安全预警。2. 根据权利要求1所述的疲劳驾驶检测的方向盘装置，其特征在于:所述数据采集模块 包括方向盘转角采集模块、车速采集模块、方向盘压力采集模块和眼动特征数据采集模块； 方向盘转角采集模块为方向盘转角传感器和转角速度传感器，安装于转向柱上，转角 传感器测量汽车转向时方向盘的"旋转角度"，为多圈绝对角度输出方式，可检测方向盘"多 圈旋转"时的"绝对角度"；转角速度传感器测量方向盘的转动速度； 车速采集模块为车速传感器，安装于转向柱上，测量汽车的行驶速度； 方向盘压力采集模块为压力传感器，安装于方向盘圆周内，测量驾驶员手握方向盘时 的压力大小； 眼动特征数据采集模块为摄像头，安装于转向柱与方向盘连接处，运用摄像头拍摄驾 驶员头部的实时图像序列，运用图像处理技术对图像进行人脸区域识别、人眼定位和跟踪， 最后提取眼动特征。3. 根据权利要求1所述的疲劳驾驶检测的方向盘装置，其特征在于:所述安全预警模块 为声音预警，通过设定好的提示音来提示驾驶员停车休息。4. 一种基于权利要求1所述的疲劳驾驶检测的方向盘装置的安全预警方法，其特征在 于:采集驾驶员最初驾驶前一段时间的驾驶数据，搭建自适应监测模型，之后将采集的驾驶 数据与监测模型进行对比，若存在显著差异则进行安全预警； 具体执行过程如下： 步骤一:数据预处理，获取驾驶最初一段时间的方向盘转角、转角速度、车速和眼动特 征数据； 步骤二:搭建自适应检测模型； Pij={Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE} 其中，Pu为第i位驾驶人第j个特征的参数值； 步骤三:获取数据，对比自适应检测模型，进行显著性检验； 实时获取驾驶人驾驶行为和眼动行为等数据，利用步骤一的方式进行预处理，得到新 的 Pij，； Pij7 ={Eff,Dff,EMI,EMA,EA,DA,S,EV,DV,EP,DP,P,VE} 针对的实时数据，运用配对样本t检验，量化同一驾驶员不同驾驶状态下的驾 驶数据差异，设置显著性水平a = 0.05; 若结果得到的弃真概率P〈〇. 05，则所测数据与检测模型具有显著差异，进行第四步骤 安全预警;若P>〇. 05，则不具备显著差异，回到步骤一； 步骤四：安全预警，自动播放提示音。5.根据权利要求4所述的疲劳驾驶检测的方向盘装置的安全预警方法，其特征在于:所 述步骤一的具体过程为 (1) 对方向盘转角数据进行预处理，获得转角均值EW、方差DW、25 %数值MI、75 %数值 MA；将方向盘转角样本从小到大排列，第25 %数值记为MI，第75 %数值记为MA，得到所有小 于MI的转角均值EMI和所有大于M的转角均值EM，其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Wi为第i次采样点的方向盘转 角； (2) 对方向盘转角速度数据进行预处理，获得转角速度均值EA、方差DA、方向盘持续不 动时间比例S;其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Ai为第i次采样点的方向盘转 角速度;η为方向盘转角速度在± 0.1° /s间的采样点的数量； (3) 对车速数据进行预处理，获得车速均值EV、方差DV;其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Vi为第i次采样点的车速； (4) 对方向盘压力数据进行预处理，获得压力均值EP、方差DP;其中，N为采样点的总个数，方向盘每动一次可计数一次;Pi为第i次采样点的方向盘压 力值； (5)对眼动数据进行预处理，获得眼睛闭合比P、眼动速度VE 眨眼过程看作眼睛从完全睁开到闭合，再到完全睁开的过程;其中完全睁开的时刻记 为tO,完全闭合的时刻记为tc;而完全睁开到闭合的过程是眼睛开度逐渐降低的过程，当眼 睛开度降低至80%时，将该时刻即为tl;当眼睛开度降低至20%时，将该时刻即为t2;闭合 之后到完全睁开的过程是眼睛开度逐渐增加的过程，当眼睛开度从零增加至20%时，将该 时刻记为t3;当眼睛开度增加至80%时，将该时刻记为t4; P为单位时间内眼睛闭合所占的比例，P的计算采用P80的国际标准，即单位时间内眼脸 遮住暗71而*0龆讨sn %所占时间比例；VE = tc-tO〇6.根据权利要求4所述的疲劳驾驶检测的方向盘装置的安全预警方法，其特征在于:所 述最初驾驶前一段时间为20分钟。
【文档编号】G08B21/06GK105894736SQ201610424835
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】郭唐仪, 姜雪娇, 郭进, 朱周, 葛徐婷, 朱云霞, 邵飞, 刘康, 吴中山
【申请人】南京理工大学