一种基于智能手机的危险驾驶行为检测方法与流程

技术特征：

1.一种基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于，实现方法如下：

步骤一：以智能手机中的加速度计和陀螺仪作为传感器，计算汽车和手机均处于静止状态下手机相对于汽车的俯仰角和横滚角；在该俯仰角和横滚角基础上，当汽车有直线加减速运动时，根据加速度差值进一步估计出手机相对于汽车的偏航角；所述的静止状态是指汽车与手机在惯性系内静止；

步骤二：当满足静止状态的条件时，根据倾角仪算法更新手机相对于汽车的俯仰角和横滚角，同时给出偏航角可信度，该偏航角可信度与时间相关，随着时间增长，当前所采用的偏航角可信度降低，当有新的可信度大于当前可信度的偏航角出现，用新的偏航角更新当前使用的偏航角，实现手机相对于汽车的偏航角、俯仰角和横滚角实时更新；

步骤三：将手机直接测得的加速度信息和角速率信息转换为能够直接描述汽车运动的加速度信息和角速率信息，通过对加速度和角速率的进一步计算，得到行驶过程中汽车相对于水平地面的汽车俯仰角和汽车横滚角，根据汽车俯仰角和汽车横滚角以及经过进一步计算的加速度和角速率信息，得到危险驾驶行为的实时信息，并实时输出危险驾驶行为初步检测结果；

步骤四：对已经转换到汽车坐标系的陀螺仪角速率积分，并对所得积分结果进行分段直线拟合，找出上下坡区间段；

步骤五：如果存在步骤四中的上下坡区间段，则从初步检测结果中去掉所述上下坡的区间段的危险驾驶行为判定结果，得到最终的检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于：步骤一中手机相对于汽车的偏航角如下：

在汽车处于直线加减速状态下，采用加速度差值的比值来计算手机相对于汽车的偏航角，偏航角的获取方法如下：

并且同时满足下式，才能计算偏航角：

其中，n表示求取偏航角均值所采用的n个时刻，为k时刻的手机相对于汽车的偏航角，i的初值取(k-n+1)；表示偏航角的标准差，是P系下陀螺仪X轴、Y轴、Z轴测量的角速率，Δω是计算偏航角所用的角速率阈值，是计算偏航角所用的加速度阈值。

3.根据权利要求1所述的基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于：步骤二中偏航角可信度f_k定义如下：

$f_k=\frac{\sqrt{{\left(a_x^p\right(k)-a_x^p(s\left)\right)}^2+{\left(a_y^p\right(k)-a_y^p(s\left)\right)}^2}}{\[\left(\right|{\mathrm{\ω}}_x^p\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_x^p\left(s\right)|+|{\mathrm{\ω}}_y^p\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_y^p\left(s\right)|+|{\mathrm{\ω}}_z^p\left(k\right)-{\mathrm{\ω}}_z^p\left(s\right)\left|\right)*60+1\]*Var\_k}$

其中，Var_k是当前k时刻计算的偏航角与前面N个时刻计算的偏航角的标准差；

当前正在使用的偏航角的可信度定义为

$f_{k,work}=f_k*e^{\frac{-\left(t\right(now)-t(k\left)\right)}{t\_atten}}$

其中，t(now)表示当前时刻，t(k)表示该偏航角计算的时刻，t_atten为根据经验值选取的时间常数；

当实时计算的偏航角的可信度f_k,now大于正在使用的偏航角的可信度f_k,work时，将当前时刻的偏航角更新为实时计算的偏航角值。

4.根据权利要求1所述的基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于：步骤三中汽车相对于水平地面的汽车俯仰角和汽车横滚角计算方法如下：

通过转换到汽车系下的加速度和角速率信息，设定类似静止状态阈值，当小于该类似静止状态阈值时采用倾角仪算法计算汽车相对于水平地面的汽车俯仰角和汽车横滚角，当大于该类似静止状态阈值时，采用四元数法，通过四阶龙格库塔算法计算汽车俯仰角和汽车横滚角；

类似静止状态的判定方法如下：

$\left|\sqrt{\underset{i}{\Σ}{\[a_i^v\left(k\right)\]}^2}-g\right|\≤{\mathrm{\Δa}}_{similar},i=x,y,z;$

处于类似静止状态的当前时刻汽车俯仰角θ_v和汽车横滚角γ_v的计算方法如下：

${\mathrm{\θ}}_v=\arcsin (a_y^v/g)$

${\mathrm{\γ}}_v=arctan(-a_x^v/a_z^v)$

其中，表示k时刻V系下的三轴加速计测量的xyz三个方向的加速度测量值；Δa_similar是为检测类似静止状态设置的加速度阈值。

5.根据权利要求1所述的基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于：步骤三中危险驾驶行为包括急加速急减速、急转向、连续变道、驾驶过程中操作手机；

如果是急加速急减速，则判定方法如下：

如果当前时刻汽车俯仰角与稳定状态汽车俯仰角的差值的绝对值大于给定的低阈值并且小于给定的高阈值，且汽车横滚角小于给定的横滚角阈值，则认为有急加速急减速危险动作，并通过当前时刻汽车俯仰角与稳定状态汽车俯仰角的差值的符号判定加速还是减速，符号为正表示加速，符号为负表示减速；

基于汽车俯仰角的急加速急减速危险动作判定方法如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\θ}}_{v\_th\_low}\≤|{\mathrm{\θ}}_v\left(k\right)-{\mathrm{\θ}}_v\left(s\right)|\≤{\mathrm{\θ}}_{v\_th\_high}& k\∈\[k_{start},k_{end}\]\\ |{\mathrm{\γ}}_v\left(k\right)-{\mathrm{\γ}}_v\left(s\right)|\≤{\mathrm{\γ}}_{v\_th}& k\∈\[k_{start},k_{end}\]\\ k_{end}-k_{start}\>N_{speeding}& \end{array}\right.$

其中，θ_{v_th_low}和θ_{v_th_high}分别为汽车俯仰角的低阈值和高阈值，γ_{v_th}为汽车横滚角阈值，N_speeding是时间阈值；

如果是急转向，具体的检测算法如下：

$\begin{array}{cc}|a_x^v\left(k\right)-a_x^v\left(s\right)|\≥{\mathrm{\Δa}}_{steering}& k\∈\[k_{start},k_{end}\]\end{array}$

k_end-k_start＞N_steering

其中Δa_steering和分别为急转向判定条件下的加速度和角速率阈值，N_steering是急转向判定条件下的时间阈值；

连续变道检测算法为：定义汽车横滚角的正负阈值分别为Δγ_WP和Δγ_WN，同时定义汽车横滚角越过汽车横滚角正阈值计数器r_P，r_P只取整数，汽车横滚角越过汽车横滚角负阈值计数器r_N，r_N只取整数，定义N_weaving为连续变道检测中设置的时间间隔阈值；当汽车横滚角由低于汽车横滚角正阈值Δγ_WP变为高于汽车横滚角正阈值Δγ_WP或者当汽车横滚角由高于汽车横滚角正阈值Δγ_WP变为低于汽车横滚角正阈值Δγ_WP，则将汽车横滚角正阈值计数器r_P加1；当汽车横滚角由高于汽车横滚角负阈值Δγ_WN变为低于汽车横滚角负阈值Δγ_WN或者当汽车横滚角由低于汽车横滚角负阈值Δγ_WN变为高于汽车横滚角负阈值Δγ_WN，则将汽车横滚角负阈值计数器r_N加1；在N_weaving时间阈值之内，当满足(r_P+r_N)≥4的条件时，认为检测出连续变道的驾驶行为；

如果是驾驶过程中操作手机，则检测方法如下：

1)采用滑动时间窗方法，当有两轴或者两轴以上加速度计或者陀螺仪的变化大于阈值，判定为有驾驶过程中操作手机动作；

2)当有驾驶过程中操作手机操作时要等到下一个稳定状态更新了手机相对于汽车的俯仰角和横滚角，并且更新了手机相对于汽车的偏航角之后再继续判定危险驾驶行为。

6.根据权利要求1所述的基于智能手机的危险驾驶行为检测方法，其特征在于：步骤四中所述的上下坡的区间段的检测方法如下：

采用最小二乘拟合的方法对V系下X轴的角速率的积分值进行处理，即：

$S\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{C}_p^v({\mathrm{\ω}}_i^p+b_0+b_i+v_i){\mathrm{\Δt}}_i$

其中表示P系下陀螺仪三轴角速率矢量，表示陀螺仪固定零偏矢量，表示陀螺仪三轴随机漂移矢量，表示陀螺仪三轴白噪声矢量，S(n)＝[S_x(n),S_y(n),S_z(n)]^T表示三轴角速率积分矢量；

选取S(n)的X轴分量，采用一个时间滑动窗口进行线性拟合，拟合参数为直线的斜率α和截距β，拟合公式为：

$\hat{X}={\left(H^{T}H\right)}^{-1}{H}^{T}Z$

其中

Z＝[S_x(1) S_x(2) … S_x(m-1) S_x(m)]^T，m是时间滑动窗口内的采样个数；

在进行线性拟合的区域，计算拟合直线的斜率α的拟合误差，定义拟合误差小于误差阈值的点为稳定点，否则为不稳定点，然后计算不稳定点左右两端第一个稳定点对应的拟合直线斜率对应倾斜角的改变量：

δ(n)＝tan^-1(α_right)-tan^-1(α_left)

δ(n)≥Δδ

其中α_right和α_left分别是不稳定点右侧和左侧第一个稳定点对应拟合曲线的斜率，Δδ是直线斜率对应倾角改变量的阈值。