考虑生理与操控信息的驾驶员路怒状态车载识别交互系统的制作方法

本发明涉及一种车载驾驶辅助安全系统，具体涉及一种考虑生理信息与操控信息的驾驶员路怒状态车载识别与交互系统。

背景技术：

汽车数量的增加在给人们带来便利的同时,也使得交通拥堵情况日益严重。在众多交通事故中，近年来由于“路怒”引起的道路交通事故与日俱增。

由于驾驶过程中道路拥堵、交通冲突、车辆状态异常等客观事件的发生，驾驶员感知到这些应激变化时会很快改变人体有机体的激活水平，致使驾驶人的心率、血压、肌肉紧张发生显著变化，从而引起情绪的高度应激化与行动的应激化。由于受到情绪的影响，自制力显著降低，容易产生不理性的决策，进而导致异常驾驶行为甚至事故发生。因此，有效的检测与识别出驾驶人的愤怒情感状态，进而通过人机交互手段及时的进行必要的干预和调节，对于减少不必要的驾驶操作失误，避免不恰当的驾驶行为，保证安全、舒适的行车状态具有重要的作用。

以往对于驾驶员愤怒情绪的研究主要集中在驾驶员愤怒情绪产生机理、驾驶员愤怒时的表现或行为、驾驶员愤怒情绪对交通安全的影响等方面，对于路怒状态的识别以及相应的交互、缓解方法研究相对较少。目前的车载情绪识别系统一般是通过摄像头采集驾驶员面部特征的方式来识别驾驶员情绪。尽管这种方式能够识别驾驶员的情绪状态，但还是存在一些问题，比如：其受光线、个体容貌、佩戴墨镜等因素的影响较大，无法准确地识别各种环境下的驾驶员情绪；很多驾驶员在驾驶汽车时情绪并不一定体现在面部表情；驾驶员的面部表情还可能受到周围环境、时间等因素的影响。这些诸多因素使准确率下降。同时还有研究是通过驾驶人的行为特征作为愤怒状态的监测和识别指标。例如，公告号为cn106114516a的中国发明专利，公开了“一种自适应驾驶人特性的愤怒驾驶行为监测及干预装置”，其通过对车辆鸣笛、方向盘操作等行为特征对驾驶人进行愤怒监测。

在识别出驾驶员的愤怒状态后，需要进行进一步的响应缓释驾驶员的愤怒情绪。目前运用在车辆上的情绪调节方式主要是人工语音提示，但是自动语音死板机械的音质缓释效果不理想；而且现今的研究中缺少可以提醒周围邻车驾驶员以及行人的交互方法。

技术实现要素：

为了解决在驾驶过程中路怒情绪识别准确率不高，普适性较差，使用单一识别指标检测精度较低，不能对周围交通参与成员进行交互提醒等问题，本发明搭建一套基于驾驶员生理和操控信息的路怒状态车载识别与交互系统，在驾驶过程中可以实时检测驾驶人的情绪状态，并适时的做出预警响应，在一定程度上缓解驾驶员愤怒情绪并提醒周围司机。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种考虑生理与操控信息的驾驶员路怒状态车载识别交互系统，包括生理信息监测模块、侧向操作监测模块、纵向操作监测模块、路怒状态识别模块、预警交互模块，所述生理信息监测模块、侧向操作监测模块、纵向操作监测模块分别与路怒状态识别模块通讯连接，路怒状态识别模块与预警交互模块通讯连接；

所述驾驶员生理信息监测模块包括安装在方向盘上的光学心率传感器，驾驶员生理信息监测模块通过光学心率传感器的led可见光源感应，结合光电容积脉搏波描记法获得驾驶员生理信号的动态数据；

所述侧向操作监测模块用于实时监测用于表征驾驶员愤怒情绪下的侧向操作指标特征，其所需指标的数据由can总线提取并发送至车载控制单元进行处理；

所述纵向操作监测模块，用于实时监测用于表征驾驶员愤怒情绪下的纵向操作指标，其所需指标的数据由can总线提取并发送至车载控制单元进行处理；

所述路怒状态识别模块，采用支持向量机机器学习方法构建驾驶员愤怒情绪的离线训练与在线识别模型，并将在线识别模型嵌入车载控制单元进行驾驶员愤怒情绪的在线识别；

所述预警交互模块根据驾驶员路怒识别模块的判断结果进行工作。

进一步地，所述驾驶员生理信息监测模块获得的驾驶员生理信号的动态数据包括驾驶员心率、血氧饱和度。

进一步地，所述侧向操作监测模块监测的用于表征驾驶员愤怒情绪下的侧向操作指标特征包括方向盘转角绝对值均值、方向盘转角标准差、方向盘转角熵值、方向盘转角速度、方向盘转角加速度。

进一步地，所述纵向操作监测模块的监测的用于表征驾驶员愤怒情绪下的纵向操作指标包括车辆的纵向速度、加速踏板信号、制动踏板信号、纵向加速度、纵向加速度变化率，同时统计固定时间间隔内的急加速次数、急刹车次数。

进一步地，所述路怒状态识别模块采用支持向量机机器学习方法构建驾驶员愤怒情绪的离线训练与在线识别模型包括：

将所述驾驶员生理信号的动态数据、侧向操作指标数据、纵向操作指标数据作为识别特征，统计固定时间间隔内的各个特征值的均值，同时统计该时间间隔内车辆的急加速次数、急刹车次数，以此构建识别模型的样本特征向量x＝{x1,x2,……xn}；

离线采集驾驶员自然驾驶状态下的生理信号的动态数据、侧向操作指标数据、纵向操作指标数据，抽取愤怒情绪下与非愤怒情绪下的指标数据构建训练样本库；

训练样本库包含正样本集合与负样本集合：愤怒情绪下采集提取的驾驶员生理与行为特征向量构建正样本集合，正常状态下采集提取的驾驶员生理与行为特征向量构建负样本集合；

设计基于svm的愤怒情绪在线识别模型并进行离线测试优化模型参数。

进一步地，所述预警交互模块包括音乐播放器、镭射灯光投射装置，当驾驶员处于愤怒状态，音乐播放器自动启动，播放驾驶员提前定制的个性化音乐曲目；镭射灯光投射装置运用3d镭射灯光投影技术在车辆四周投射灯光及光谱，警示周围交通参与者。

本发明的有益效果是：本发明驾驶员路怒状态车载识别交互系统使用的生理指标采集传感器直接安装在汽车转向盘上，在不影响驾驶员的驾驶安全的同时，保持所采集数据的准确性；相关操作指标从can总线上提取，保证数据的可靠性、实时性和灵活性；根据生理指标和操作行为指标这两方面数据的综合对比，可以在很大程度上提高对路怒情绪识别的准确率；指标采集装置和交互装置的安装方法和安装位置对原有汽车结构的改动不大，适用性广；采用镭射灯光投影进行预警，技术成熟度高，能够有效的警示周围交通参与者。

附图说明

图1为本发明考虑生理与操控信息的驾驶员路怒状态车载识别交互系统的组成示意图。

图2为心电示意图。

图3为光学心率传感器在方向盘上的布设位置示意图。

图4为本发明的整体工作流程图。

图5为镭射灯光投射装置示意图。

图中：1.生理信息监测模块2.侧向操作监测模块3.纵向操作监测模块4.路怒状态识别模块5.预警交互模块

具体实施方案

以下结合附图，详细介绍本发明的技术方案：

如图1所示，本发明一种考虑生理与操控信息的驾驶员路怒状态车载识别交互系统，包括生理信息监测模块1、侧向操作监测模块2、纵向操作监测模块3、路怒状态识别模块4、预警交互模块5。

其输入部分包括分别与路怒状态识别模块4通讯连接的生理信息监测模块1、侧向操作监测模块2、纵向操作监测模块3；数据处理部分主要是路怒状态识别模块4；输出部分主要是预警交互模块5，其与路怒状态识别模块4通讯连接，根据路怒状态识别模块4的判断结果进行工作。

所述的驾驶员生理信息监测模块，是由安装在方向盘上的光学心率传感器主要构成，该传感器纽扣般大小，能够较为方便的嵌入在方向盘上，便于驾驶员手握方向盘操作过程通过手指按压进行信号检测。如图3所示，采用三副方向盘，光电传感器安置在方向盘横轴小圆圈处。具体位置经过大数据统计，选取驾驶员握方向盘时手指按压的最大概率区间上。该种布设方案满足左右手单手、双手操作时的测量，同时便于拇指充分按压接触，以保证测量信号的准确性。通过光学心率传感器的led可见光源感应，采用光电容积脉搏波描记法实时监测驾驶员驾驶员心率、血氧饱和度信息等生理信号的动态数据。

这里选择计算平均心率和心率变异性(heartratevariability，hrv)作为心电信号方面的特征指标。图2为一典型的心电图，由图可知，典型的心电波形图是由p、q、r、s、t等波组成。其中，p波代表心房激动，pr间期代表激动传导至房室结，qrs波群代表心室除极，t波代表心室复极。心率变异性指的是连续心动周期(r-r间期)的微小变化或连续瞬时心率的微小涨落。hrv是调节正常心血管系统稳态的重要机制，它反映的是心脏交感神经和迷走神经活动的张性以及均衡性。心率变异性分析实质上是对心动周期变异情况的分析。

平均心率计算公式如下：

其中，t表示整个采样周期的总时间，rri表示第i个相邻窦性rr间期的长度。

周期内所有正常窦性rr间期标准差：

其中，n表示正常心搏的总次数，rri表示第i个相邻窦性rr间期，表示n个rr间期平均值。一般地，标准差越大，hrv则越高，反之正好相反。

血氧饱和度计算公式如下：

式中，

rso2——人体组织的氧饱和度。其定义为局部组织中占cthb的百分比，也叫toi。rso2是局部组织中微动脉血、微静脉血和毛细血管血液各自血氧饱和度的加权平均，并且微静脉血的血氧饱和度占据主要地位；

——氧合血红蛋白浓度，单位umol/l；

chb——还原血红蛋白浓度，单位umol/l；

cthb——总血红蛋白浓度，单位umol/l。chb和主要反映组织的含氧状况，而cthb实质则是单位体积组织中血液的充盈情况。

所述的侧向操作监测模块，用于实时地监测方向盘的转动方向、转动角度变化情况，侧向操作监测模块2所需指标的数据由can总线提取并发送至车载控制单元。在此基础上，在车载控制单元计算固定时间间隔内的方向盘转角绝对值均值，方向盘转角标准差，方向盘转角熵值以及转角速度，转角加速度等，进而获得用于表征驾驶员愤怒情绪下的侧向操作指标特征。

其中，转角熵值可以推测驾驶员操纵方向盘的稳定性，同时也可以评估驾驶员的心理情况。熵值越大，表明驾驶操作越紊乱，越易产生愤怒情绪。方向盘转角熵值公式如下：

式中，

e(n)——方向盘转角预测偏差值，根据方向盘转角熵值理论，偏差值服从正态分布，确定出α值，使之满足p{-α<e(n)<α}＝90％，将预测偏差e(n)划分为n个区间；

pi——方向盘转角值在各区间的分布概率；

se——方向盘转角熵值，根据预测方向盘转角偏差出现的概率来计算。

所述的纵向操作监测模块，用于实时地监测车辆的纵向速度、加速踏板信号、制动踏板信号，纵向操作监测模块3所需指标的数据同样由can总线提取并发送至车载控制单元。在此基础上，在车载控制单元计算纵向加速度以及纵向加速度变化率，同时统计固定时间间隔内的急加速次数，急刹车次数等，进而获得用于表征驾驶员愤怒情绪下的纵向操作指标特征。

在较为安全的驾驶行为中，驾驶员的加速与刹车行为应该是平滑、稳定的。在采样周期内加速、刹车踏板的幅值变化率可以反映一段时间段内驾驶员的心态。加速踏板、刹车踏板的幅值变化率的值越大，则说明驾驶员情绪越不稳定，容易发怒。因此可以在车载控制单元计算纵向加速度以及纵向加速度变化率，同时统计固定时间间隔内的急加速次数，急刹车次数等，进而获得用于表征驾驶员愤怒情绪下的纵向操作指标特征。

所述的路怒状态识别模块4，采用支持向量机(svm)机器学习方法构建驾驶员愤怒情绪的离线训练与在线识别模型，进而实现驾驶员愤怒情绪的有效识别。将驾驶员生理信息指标平均心率、血氧饱和度与操控信息指标方向盘转角、方向盘转角熵值、方向盘转速、方向盘转速变化率、车辆的纵向速度、纵向加速度、纵向加速度变化率等作为识别特征，统计固定时间间隔内的各个特征值的均值，同时统计该时间间隔内的急加速次数，急刹车次数，以此构建识别模型的样本特征向量x＝{x1,x2,……xn}。离线采集驾驶员自然驾驶状态下的生理与操控数据，抽取愤怒情绪下与非愤怒情绪下的指标数据构建训练样本库。训练样本库包含正样本集合与负样本集合。其中，愤怒情绪下采集提取的驾驶员生理与行为特征向量构建正样本集合，正常状态下采集提取的驾驶员生理与行为特征向量构建负样本集合。进而设计基于svm的愤怒情绪识别模型并进行离线测试优化模型参数；并将模型嵌入车载控制单元进行驾驶员愤怒情绪的在线识别。

所述的预警交互模块5，由音乐播放器、镭射灯光投射装置组成，根据驾驶员路怒识别模块的判断结果进行工作。若驾驶员处于愤怒状态，则在车内自动启动适合于驾驶员自身的提前定制的个性化音乐曲目，该曲目通过音乐心理效应能够可以增进积极品质与舒缓消极、愤怒的情绪。其中，个性化音乐曲目由驾驶员自己根据自身喜好，提前在音乐播放器的音乐库中选择设定，音乐库汇总了若干首目前国内外适用于情绪缓释的欢快、愉悦乐曲。同时在车外运用3d镭射灯光投影技术在车辆四周投射到地面红色灯光以及表示愤怒情绪的光谱，以表明该车驾驶员当前处于较为愤怒激进的驾驶状态，进而警示周围交通参与者加以注意。

对于本发明的基于驾驶员生理和操作信息的路怒状态车载识别与交互系统的具体实施过程如下：

如图1、图2所示，驾驶员进入驾驶室开始进行车辆驾驶，系统即开始工作：生理信息监测模块通过光学心率传感器获得驾驶员心率、血氧饱和度信息的实时变化情况。侧向操作监测模块通过can总线提取驾驶员操作方向盘的转动方向、转动角度变化情况，在车载控制单元计算固定时间间隔内的方向盘转角绝对值均值、方向盘转角标准差、方向盘转角熵值以及转角速度、转角加速度等，进而获得用于表征驾驶员愤怒情绪下的侧向操作指标特征。纵向操作监测模块通过can总线提取车辆的纵向速度、加速踏板信号、制动踏板信号，在车载控制单元计算纵向加速度以及纵向加速度变化率，同时统计固定时间间隔内的急加速次数，急刹车次数等，进而获得用于表征驾驶员愤怒情绪下的纵向操作指标特征。路怒状态识别模块将驾驶员生理信息指标心率、血氧饱和度与操控信息指标方向盘转角、方向盘转速、车辆的纵向速度、纵向加速度以及纵向加速度变化率等综合考虑，构建识别模型的样本特征向量；离线采集驾驶员自然驾驶状态下的生理与操控数据，抽取愤怒情绪下与非愤怒情绪下的指标数据构建训练样本库，设计基于svm的愤怒情绪识别模型并进行离线测试优化模型参数；并将模型嵌入车载控制单元进行驾驶员愤怒情绪的在线识别。当驾驶员处于正常状态时，将不触发预警交互模块工作；当驾驶员处于路怒状态时，则在车内播放适合于驾驶员自身的个性化定制的抑制愤怒情感音乐进行缓释；同时在车外运用3d镭射灯光投影技术反映出驾驶员的愤怒状态，以警示周围交通参与者加以注意。

本发明基于驾驶员愤怒驾驶时表现的普遍生理和操作信息，通过生理信息监测模块、侧向操作监测模块和纵向操作监测模块对驾驶员处于路怒情绪状态时的生理和操作信息进行较为全面的实时周期性监测，通过路怒状态识别模块构建识别模型的样本特征向量，设计基于svm的愤怒情绪识别模型，并将模型嵌入车载控制单元进行驾驶员愤怒情绪的在线识别，通过预警交互模块对路怒状态进行相应的缓释和警示。在准确识别驾驶员路怒情绪状态，进行相应的提醒缓释的同时，又不影响驾驶员的正常驾驶行为，还可以警示周围交通参与者加以注意，具有较强的创新性和实用性。