专利名称：一种驾驶员踏板操作行为的测量装置及其监测方法
技术领域：
本发明涉及汽车驾驶员操作行为监测技术，尤其涉及一种驾驶员踏板操作行为的测量装置及其监测方法。
背景技术：
驾驶员对车辆踏板的操作行为直接影响到车辆的安全运行，是驾驶行为的重要组成部分。车辆踏板包括加速踏板、制动踏板和离合器踏板。在对驾驶行为以及车辆性能进行试验研究时，通常需要测量记录驾驶员对踏板的操作行为，具体需要测量驾驶员在任意时刻对哪些踏板进行了操作、对某个踏板的操作时间持续长度和在不同踏板操作之间切换的速度等，以此来反映驾驶员在驾驶过程中的驾驶行为。驾驶员对踏板的操作分为两种状态，第一种是驾驶员对踏板进行踩踏，这是驾驶行为的典型代表参数；第二种是驾驶员将脚部放置在踏板上，但是对踏板不进行踩踏，例如驾驶员经常将脚部放置在制动踏板上，但是不踩踏踏板，只有驾驶员判断需要进行制动时才踩踏制动踏板。驾驶员将脚部放置在制动踏板上的这种行为也是驾驶行为的代表参数，它表明了驾驶员准备制动，但还没有实施， 这种情况在驾驶过程中很常见，也是一种典型的踏板操作行为。目前，对驾驶员踏板操作行为测量通常有两种方法，第一种是在踏板上安装力传感器，测量记录驾驶员脚部对踏板所施加的作用力，根据作用力来判断驾驶员对哪个踏板进行了操作。第二种方法是在踏板上安装位移传感器，通过测量位置传感器的位移来反映踏板行程，以此来判断驾驶员对哪个踏板进行了操作。这两种方法均存在一定的缺点，所安装的力传感器和位移传感器对驾驶员的正常操作会带来一些干扰，导致驾驶员的踏板操作行为与正常情况下的踏板操作行为发生差异，影响实验结果的准确性。另一方面，采用力传感器或者位移传感器只能判断出驾驶员对踏板有踩踏动作时的踏板操作情况，而不能判断出驾驶员将脚部放置在某个踏板上，还没有进行踩踏的动作，如驾驶员将脚部放置在制动踏板上，但还没有踩踏制动踏板进行制动，即驾驶员准备制动状态。采用力传感器和位移传感器无法判断出类似这种驾驶员将脚部放置在踏板上，但是没有踩踏踏板的动作。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种投资费用少、操作简单、测量精度高的一种驾驶员踏板操作行为的测量装置。本发明的另一个目的在于提供一种驾驶员踏板操作行为的监测方法，基于上述驾驶员踏板操作行为的测量装置。本发明的基本原理是通过使用一个图像采集装置(摄像头)来实时采集车辆加速踏板、制动踏板和离合器踏板的图像，然后将踏板图像传输至计算机。计算机利用图像处理软件，通过图像处理得到驾驶员脚部的图像位置。由于摄像头相对三个踏板的位置不变，因此，将图像采集得到的驾驶员脚部位置与三个踏板的实际位置相比较，判断出驾驶员脚部属于哪个踏板的区域，从而得到驾驶员正在操作的踏板名称以及驾驶员对该踏板的操作时间，反映驾驶员的踏板操作行为。将不同时刻驾驶员所操作的踏板名称按照时间序列保存为文件，通过分析该文件就能够得到驾驶过程中驾驶员的踏板操作行为，准确的反映驾驶员对驾驶踏板、制动踏板以及离合器踏板的操作行为。为了达到上述技术目的，本发明采用以下技术方案予以实现。(1) 一种驾驶员踏板操作行为的测量装置，其特征在于，包括摄像头，固定在驾驶室底板上，镜头朝向加速踏板、制动踏板和离合器踏板，同时采集三个踏板的运动图像；视频采集卡，电连接摄像头，传输上述三个踏板的运动图像；计算机，电连接视频采集卡，接收来自视频采集卡的运动图像，通过图像处理得到的不同时刻的驾驶员脚部的图像位置，经过与三个踏板的实际位置比较判断得到驾驶员所操作的踏板名称以及对该踏板的操作时间。本技术方案的进一步改进和特点在于所述摄像头采用WAT-240微型模拟摄像头。(2) 一种驾驶员踏板操作行为的监测方法，基于上述驾驶员踏板操作行为的测量装置，其特征在于，包括以下步骤踏板位置标定，采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像，对静止图像按列进行灰度分析处理得到三个踏板在静止图像中的列范围，分别用踏板左边缘和右边缘在静止图像中的列数来界定；踏板列灰度阈值标定，采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像，对静止图像以列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度标准和值，取各个踏板的列灰度和值的平均值作为列灰度阈值；图像采集，利用摄像头采集驾驶员在驾驶过程中操作三个踏板的运动图像，并通过视频采集卡实时传输到至计算机；图像预处理，对每帧运动图像按列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度实际和值，利用列灰度实际和值与列灰度阈值进行比较运算，判断出该帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围、未操作踏板列范围和踏板之间的空白列范围；驾驶行为判断与记录，根据每帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围，与踏板位置标定所得到的三个踏板在静止图像中的列范围相比较，如果驾驶员实际操作踏板列范围属于某个踏板标定的列范围，则表示驾驶员脚部位于该踏板之上，准备对该踏板进行操作或正在对该踏板进行操作，记录驾驶员所操作踏板的名称和对该踏板的操作时间。本发明的驾驶员踏板操作行为的测量装置，主要部件采用摄像头和计算机，投资费用少、操作简单、检测方便、测量精度高，而且不需要改动制动踏板，避免了现有技术中对驾驶操作的干扰或不能判断驾驶员准备操作某个踏板但还没有实施操作状态等问题。本发明的监测方法中，踏板图像的处理以及踏板操作行为判断由计算机直接完成，因此，操作简单，检测结果直观、可靠。通过本发明，获取驾驶员对驾驶踏板、制动踏板以及离合器踏板的操作行为，可以进行不同类型驾驶员在不同道路环境下的踏板操作行为实验研究，总结踏板操作行为对安全行车的影响。例如为研究事故多发驾驶员的驾驶行为，通过采集记录事故多发驾驶员在特定道路环境下的踏板操作行为，并与无事故驾驶员在相同道路环境下的踏板操作行为进行比较分析，可以得到事故多发驾驶员踏板操作行为中存在的不安全行为，从而提出相对应的改善措施，降低道路交通事故的发生。
图1为摄像头的安装及对加速踏板、制动踏板和离合器踏板的拍摄示意图；图中1、摄像头；2、钢板支架；3、加速踏板；4、制动踏板；5、离合器踏板。
具体实施例方式参照图1，在驾驶员踏板操作行为的测量装置中，摄像头为低照度摄像头，本实施例中摄像头采用WAT-240微型模拟摄像头。低照度摄像头1依靠钢板支架2固定在加速踏板、制动踏板和离合器踏板下方，位于驾驶室的底板上，镜头朝向加速踏板3、制动踏板4和离合器踏板5。加速踏板3、制动踏板4和离合器踏板5所处环境比较阴暗，因此，采用低照度摄像头1可以提高所采集图像的亮度。本实施例低照度摄像头采用WAT-240微型模拟摄像头，其水平解析度为480线，将该摄像头通过视频连接线连接到安装在计算机主板中的视频采集卡上，视频采集卡接收加速踏板、制动踏板和离合器踏板的运动图像，并将运动图像发送到计算机中。计算机接收加速踏板、制动踏板和离合器踏板的运动图像，通过图像处理得到的不同时刻的驾驶员脚部的图像位置，经过与加速踏板、制动踏板和离合器踏板的实际位置比较判断，得到驾驶员脚部位于哪个踏板上，从而得到驾驶员所操作踏板的名称和操作时间。在测量驾驶员踏板操作行为时，由于驾驶员操作加速踏板、操作制动踏板和操作离合器踏板在某些情况下的相互转换速度非常快，如紧急制动情况下驾驶员从操作加速踏板到操作制动踏板之间的快速转换。因此，摄像头的采集频率必需能够满足实验系统的采集需求，本实施例中所选用的摄像头采集频率为25Hz，即摄像头每秒对加速踏板、制动踏板和离合器踏板采集25帧图片。为了实现本发明的驾驶员踏板操作行为的监测，以上述驾驶员踏板操作行为的测量装置为基础，具体步骤如下(1)安装摄像头摄像头选定完成之后，首先安装摄像头，摄像头采用柱状支架固定在加速踏板、制动踏板和离合器踏板下方的驾驶室底板上的钢板支架上，钢板支架与底板采用螺栓连接。 摄像头朝向加速踏板、制动踏板和离合器踏板安装，与这三个踏板所处平面垂直。摄像头安装时需要保证镜头与被踩踏到底的加速踏板、制动踏板和离合器踏板之间的距离大于3cm， 否则驾驶员在进行踏板操作时可能会干扰到摄像头的正常视频采集，造成测量结果发生较大的误差。(2)加速踏板、制动踏板和离合器踏板的位置标定，利用摄像头采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像，对静止图像按列进行灰度分析处理得到三个踏板在静止图像中的列范围，分别用踏板左边缘和右边缘在静止图像中的列数来界定。具体为按照摄像头垂直分辨率将图像分为320列，对采集到的静止图像在计算机中按列进行灰度分析，挑选出加速踏板、制动踏板和离合器踏板在图静止像中的列范围， 记录每个踏板区域左边缘所位于的列数和右边缘所位于的列数。对每一个踏板，用该踏板图像区域左边缘的列数和右边缘的列数来表示该踏板在图像中的位置。(3)踏板列灰度阈值标定，采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像， 对静止图像以列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度标准和值，取各个踏板的列灰度和值的平均值作为列灰度阈值。具体为按照摄像头垂直分辨率将图像分为320列，对采集到的静止图像在计算机中进行分析，挑选出加速踏板、制动踏板和离合器踏板在静止图像中的区域，对这些区域以列为单位对列灰度值求和，得到各个踏板区域的列灰度值标准和值，取这些踏板区域的列灰度和值的平均值作为列灰度阈值，用于判断运动图像中踏板区域与空白区域。(4)图像采集与传输，利用摄像头采集驾驶员在驾驶过程中操作三个踏板的运动图像，并通过视频采集卡实时传输到至计算机。在驾驶员实际驾驶过程中，摄像头采集加速踏板、制动踏板和离合器踏板区域的运动图像，并将采集的运动图像通过视频采集卡实时地传输至计算机。采集过程中，摄像头根据周围环境的明暗程度自动调整快门速度、自动对运动图像进行曝光补偿、白平衡，以此提高所采集运动图像的质量和整体明暗程度。如果摄像头出现故障无法采集踏板运动图像时，计算机根据所接收的视频情况能实时判断出摄像头故障状态，并将该故障信号在图像处理软件中显示，提醒实验人员采取相关措施排除故障。摄像头在运动图像采集过程中，实时地将采集到的踏板图像通过视频采集卡发送到计算机中，该发送过程与踏板运动图像的采集过程是同时进行，即摄像头以25Hz的速率不停的采集加速踏板、制动踏板和离合器踏板的运动图像，同时将采集到的踏板运动图像通过视频连接线发送到计算机中，以供图像处理软件采集使用。(5)图像预处理，对每帧运动图像按列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度实际和值，利用列灰度实际和值与列灰度阈值进行比较运算，判断出该帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围、未操作踏板列范围和踏板之间的空白列范围。具体是先去除加速踏板、制动踏板和离合器踏板运动图像中的无用点及干扰点。 然后，对经过图像预处理的图像进行灰度值计算，计算机中接收到的运动图像由多个像素点组成，每个像素点包含一个灰度值，即该点的明暗程度。灰度值变化范围为0-255，其中白色灰度值为255，黑色灰度值为0。原始运动图像中包括加速踏板、制动踏板、离合器踏板和驾驶员脚部，其中驾驶员脚部通常位于某个踏板附近。与加速踏板、制动踏板、离合器踏板相同，采用脚部区域边缘的列数来表示驾驶员脚部区域在图像中的位置。每一帧图像分为 320列，图像处理程序从左到右对每一列像素进行灰度值求和。所采集到的图像中加速踏板、制动踏板、离合器踏板和驾驶员脚部位置所在区域表现为黑色，灰度值较小，即踏板或驾驶员脚部所在区域列数的灰度值求和较小。驾驶员操作某个踏板时，脚部区域与该踏板区域在运动图像中连为一体，踏板下方所出现的黑色区域为驾驶员脚部图像，因此，以列为单位对图像进行灰度值求和时，驾驶员操作的踏板区域列灰度值求和值要远远小于驾驶员没有操作踏板区域和没有踏板的空白区域。对每帧运动图像按列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度实际和值， 利用列灰度实际和值与列灰度阈值进行比较运算。如果某一列的灰度和值远小于该阈值， 则表明该列属于驾驶员所操作的踏板区域。如果某一列的灰度和值远大于该阈值，则表明该列属于踏板之间的空白区域。如果某一列的灰度和值与阈值接近，则表明该列属于驾驶
6员没有操作的踏板区域。(6)驾驶行为判断与记录，根据每帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围，与踏板位置标定所得到的三个踏板在静止图像中的列范围相比较，如果驾驶员实际操作踏板列范围属于某个踏板标定的列范围，则表示驾驶员脚部位于该踏板之上，准备对该踏板进行操作或正在对该踏板进行操作，记录驾驶员所操作踏板的名称和对该踏板的操作时间。经过列灰度实际和值与列灰度阈值进行比较运算，判断出该帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围、未操作踏板列范围和踏板之间的空白列范围，得到驾驶员所操作踏板在图像中的列数，使用踏板位置标定中所得到的加速踏板列范围、制动踏板列范围以及离合器踏板的列范围来判断驾驶员对哪个踏板进行了操作。例如驾驶员所操作踏板在运动图像中的列数属于制动踏板标定的例范围，则表示此时刻驾驶员正对制动踏板进行操作，判断完成之后将得到的制动踏板名称输出，同时输出该测量时刻的时间。在驾驶员踏板操作行为测量过程中，存在着驾驶员同时操作单个踏板和驾驶员操作两个踏板的情况，单踏板操作输出单踏板名和操作时间，双踏板操作输出分别输出两个踏板名和对应的操作时间。同时，采用图像处理软件实时地将驾驶员踏板操作行为的监测结果在计算机中显示，供研究人员实时监控驾驶员踏板操作行为使用。此外，图像处理软件在计算机中创建一个EXCEL文件，将每个测量时刻驾驶员所操作的踏板名称和测量时刻以行为单位保存，供后续分析研究使用。
权利要求
1.一种驾驶员踏板操作行为的测量装置，其特征在于，包括摄像头，固定在驾驶室底板上，镜头朝向加速踏板、制动踏板和离合器踏板，同时采集三个踏板的运动图像；视频采集卡，电连接摄像头，传输上述三个踏板的运动图像；计算机，电连接视频采集卡，接收来自视频采集卡的运动图像，通过图像处理得到的不同时刻的驾驶员脚部的图像位置，经过与三个踏板的实际位置比较判断得到驾驶员所操作的踏板名称以及对该踏板的操作时间。
2.根据权利要求1所述的驾驶员踏板操作行为的测量装置，其特征在于，所述摄像头采用WAT-240微型模拟摄像头。
3.一种驾驶员踏板操作行为的监测方法，基于权利要求1所述的驾驶员踏板操作行为的测量装置，其特征在于，包括以下步骤踏板位置标定，采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像，对静止图像按列进行灰度分析处理得到三个踏板在静止图像中的列范围，分别用踏板左边缘和右边缘在静止图像中的列数来界定；踏板列灰度阈值标定，采集驾驶室没有驾驶员情况下的三个踏板的静止图像，对静止图像以列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度标准和值，取各个踏板的列灰度和值的平均值作为列灰度阈值；图像采集，利用摄像头采集驾驶员在驾驶过程中操作三个踏板的运动图像，并通过视频采集卡实时传输到至计算机；图像预处理，对每帧运动图像按列为单位进行灰度值求和，得到各个踏板的列灰度实际和值，利用列灰度实际和值与列灰度阈值进行比较运算，判断出该帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围、未操作踏板列范围和踏板之间的空白列范围；驾驶行为判断与记录，根据每帧运动图像中驾驶员实际操作踏板列范围，与踏板位置标定所得到的三个踏板在静止图像中的列范围相比较，如果驾驶员实际操作踏板列范围属于某个踏板标定的列范围，则表示驾驶员脚部位于该踏板之上，准备对该踏板进行操作或正在对该踏板进行操作，记录驾驶员所操作踏板的名称和对该踏板的操作时间。
全文摘要
本发明涉及汽车驾驶员操作行为监测技术，公开了一种驾驶员踏板操作行为的测量装置及其监测方法；其测量装置包括摄像头，固定在驾驶室底板上，镜头朝向加速踏板、制动踏板和离合器踏板，同时采集三个踏板的运动图像；视频采集卡，电连接摄像头，传输上述三个踏板的运动图像；计算机，电连接视频采集卡，接收来自视频采集卡的运动图像，通过图像处理得到的不同时刻的驾驶员脚部的图像位置，经过与三个踏板的实际位置比较判断得到驾驶员所操作的踏板名称以及对该踏板的操作时间；其监测方法包括踏板位置标定、踏板列灰度阈值标定、图像采集、图像预处理、驾驶行为判断与记录。
文档编号G01M17/007GK102269656SQ201010244609
公开日2011年12月7日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者付锐, 张琼, 袁伟, 郭应时, 马勇 申请人:长安大学