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太原理一 大学硕七研究牛学位论文 机动车驾驶员驾驶状态监控系统研究与设计 摘要 随着经济的快速增长，机动车的拥有数量也在持续上升，机动车在给 人们的出行带来方便的同时，也存在着很大的安全隐患。据统计，在意外 事故中交通事故的死伤率最高，而尤其需特别指出的是疲劳、紧张、酗酒 驾驶在这些交通事故中占有相当大的比例。据相关统计，司机因疲劳、紧 张、酗酒驾驶所造成的道路交通事故约占交通事故总数的2 0 ，而在死亡 交通事故的原因中却居首位。所以对驾驶员驾驶状态进行监测以有效的监 督驾驶员的驾驶行为，对于降低交通事故及人员死亡率，保护人身生命安 全及财产，创建和谐社会有着十分重要的现实意义。 本课题来源于导师山西省科技厅项目机动车驾驶状态智能监控装 置。该项目致力于研究出具有全天候、非接触式、实时性、智能化这四个 特点的驾驶状态监控装置。 围绕这四个要求，本文在上届学友的国家发明专利“疲劳驾驶状态监 控装置及方法”( z l ：2 0 0 6 1 0 0 1 2 6 2 3 6 ) 的基础上进行了更进一步的研究。 综合了对驾驶过程中驾驶员脑电、心率、脉搏、方向盘转角、车速与疲劳 度关系的研究。并从整体j 二为该监控装置进行了可行性设计。主要工作如 下： 1 设计了机动车疲劳驾驶模拟实验。选择v r - 4 型驾驶模似器进行实验。 利用b f s 4 一f x 一3 01 0 六道自动分析心电图机、上海诺诚电气有限公司的动态 太原理大学磺 ：靖究生学位论文 脑电图仪、合肥华科电子技术研究所h k - 2 0 0 0 系列的h k 一2 0 0 0 a 集成化脉搏传 感器采集并保存模拟驾驶过程中驾驶员生理信号变化信息；利用模拟驾驶 器自带的操控数据采集系统对驾驶过程中的车速信息、方向盘转角幅度及 频率信息进行采集并保存。 2 。对实验得到的驾驶员生理数据及驾驶操控数据选取不同的数学方法 进行分析处理。并利焉s p s s 统计软件对这些信号与疲劳度的相关性进行方 差与显著性分析。分析结果表明心电、脉搏、脑电等生理信号指标与疲劳 度之间具有一定的模糊数学关系。 3 根据能量化疲劳度的生理信号指标选择传感器。结合目前各传感器 技术水平、性价比、安装条件等选择了能反映驾驶员驾驶状态的脉搏传感 器、方向盘转角传感器及红外线摄像头传感器。并通过实验分别得出了这 些传感器输入与输出信号的形式。 4 对该监控装置进行了可行性设计。根据系统所选传感器、d s p 、a r m 类型对装置中传感器与d s p 之间、d s p 与a r m 之间电路的连接进行了设 计，同时对3 级警报执行功能进行了设计，为项目的完成与实现提供了基 本依据。 关键词：驾驶状态，模拟驾驶实验，生理信号，多传感器信息融合技术 太原理1 ：人7 硕_ 二研究生学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no nt h es y s t e mo fd e t e c t i n g d i u v i n gs t a t ef o r m o t o rv e h i c l ed r i v e r s a b s t r a c t a l o n gw i t h t h er a p i de c o n o m i cg r o w t h ，t h en u m b e ro fm o t o rv e h i c l e o w n e r sa l s oc o n t i n u e dt or i s e ，t ot h ep e o p l ei n t h em o t o rv e h i c l et r a v e l c o n v e n i e n c ea tt h es a m et i m e ，t h e r ea r es i g n i f i c a n ts e c u r i t yr i s k s s t a t i s t i c s i n d i c a t e dt h a tt r a f f i ca c c i d e n t 。sc a s u a l t yr a t ei sh i g h e s ti nt h ea c c i d e n t ，a n dw h a t b u tm u s tp o i n to u ts p e c i a l l ye s p e c i a l l yi sw e a r y , a n x i o u s ，e x c e s s i v ed r i n k i n g d r i v i n gh o l d st h eq u i t eg r e a tp r o p o r t i o ni nt h e s et r a f f i ca c c i d e n t a c c o r d i n gt ot h e r e l a t e ds t a t i s t i c s ，t h er o a dt r a f f i ca c c i d e n tw h i c hb e c a u s et h ed r i v e rw e a r y , i n t e n s e ，e x c e s s i v ed r i n k i n gd r i v i n gc r e a t e sa p p r o x i m a t e l yc o m p o s e st h et r a f f i c a c c i d e n tt o t a l2 0 ，b u ta c t u a l l yo c c u p i e st h ef i r s tp l a c ei nt h ed e a t ht r a f f i c a c c i d e n t sr e a s o n t h e r e f o r ed r i v e st h ec o n d i t i o nt ot h ep i l o tt oc a r r yo nt h e m o n i t o r b yt h ee f f e c t i v es u r v e i l l a n c ep i l o t sd r i v i n gb e h a v i o r , r e g a r d i n gr e d u c e s t h et r a f f i ca c c i d e n ta n dt h ep e r s o n n e lm o r t a l i t yr a t e ，p r o t e c t st h ep e r s o ns a f e t y a n dt h ep r o p e r t y , f o u n d st h eh a r m o n i o u ss o c i e t yh a st h ev e r yr e a l i s t i ci m p o r t a n t m e a m n g t h ei s s u ef r o mm yt e a c h e r ss t e mo fs h a nx ip r o v i n c es c i e n c e a n d t e c h n o l o g yo f f i c es t e m “t h ei n t e l l e c t u a l i z e dd e t e c t i n gs e to f t h em o t o rv e h i c l e d r i v i n gs t a t e ”t h es t e m h a m m e ra te x c o g i t a t i n gt h es y s t e mt oh a v ea l l 。w e a t h e r 、 太琢理t 大学硕士研究生学位论文 n o n c o n t a c t 、r e a l t i m e 、i n t e l l e c t u a l i z e dt h e s ef o u rc h a r a c t e r i s t i c s e n c l o s et h ef o u rd e m a n d s ，o nt h eb a s eo fm yp r e v i o u sc l a s s m a t e 。sc o u n t r y p a t e n t o fi n v e n t i o n w e a r yd r i v i n gc o n d i t i o nm o n i t o r i n gc o n t r o lu n i ta n d m e t h o d ”( z l ：2 0 0 6 1 0 0 1 2 6 2 3 6 ) ，t h i s a r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h ef u r t h e r r e s e a r c h i n t e g r a t e dt h er e s e a r c ho nt h er e l a t i o na b o u tf a t i g u ea n db r a i nw a v e s i g n a l ，h e a r tr a t es i g n a l ，p u l s es i g n a l ，s t e e r i n gw h e e lt u mc o m e r ，v e h i c l e s p e e d a n dm a k et h ef e a s i b i l i t yd e s i g nf o rt h ed e t e c t i n gs e t m a i na c t i v i t i e sa s f o l l o w ： 1 d e s i g nt h es i m u l a n tm o t o rv e h i c l ef a t i g u ed r i v i n ge x p e r i m e n t c h o o s et h e v r - 4d r i v i n gs i m u l a t o r - u s i n gt h eb f s 4 一f x 一3 0 1 0e l e c t r o c a r d i o g r a p h 、 s h a n g h a in u o c h e n ge l e c t r i c l t d sd y n a m i ce l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h 、h e f e i h u a k ee l e c t r o n i cr e s e a r c hi n s t i t u t e sh k 2 0 0 0s e r i e s h k 一2 0 0 0 a c o m p o s i t i v ep u l s es e n s o rc o l l e c ta n ds a v et h ed r i v e r sp h y s i o l o g i c a ls i g n a l ； u s i n gt h es i m u l a n tm o t o r sd r i v e r so p e r a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mc o l l e c ta n d s a v et h es p e e ds i g n a l ，s t e e r i n gw h e e lt u mc o m e rs i g n a l 2c h o o s et h ed i f f e r e n tm a t h e m a t i cm e t h o dt oa n a l y s i sd r i v e r sp h y s i o l o g i c a l s i g n a la n do p e r a t i o nd a t a a n du s et h es p s ss t a t i s t i c a l s o f tt om a k et h e n o t a b l ea n a l y s i sa b o u tt h er e l a t i v i t yb e t w e e nt h e s es i g n a la n df a t i g u ed e g r e e t h er e s u l t si n d i c a t et h a th e a r tr a t e ，p u l s e ，b r a v ee l e t r i c i 锣h a v ed e f i n i t ef u z z y m a t h sr e l a t i o nw i t hf a t i g u ed e g r e e 3c h o o s es e n s o r so nt h eb a s i so fp h y s i o l o g i c a ls i g n a lw h i c hc a nm e a s u r et h e f a t i g u ed e g r e e c o m b i n e t h es e n s o r s t e c h n i q u el e v e l ，t h e r a t eb e t w e e n 太原理l 人学硕士研究生学位论文 c a p a b i l i t ya n dp r i c et oc h o o s es e n s o r sw h i c hc a n r e f l e c tt h ed r i v e r ss t a t e t h r o u g ht os u r v e yi n p u ta n dt h eo u t p u ts i g n a lc a r r i e so n t h ee x p e r i m e n t ，h a s o b t a i n e dt h e s es e n s o rt h ei n p u t o u t p u ts i g n a lf o r ms e p a r a t e l y 4m a k et h et h ef e a s i b i l i t y d e s i g nf o r t h ed e t e c t i n g s e t d e s i g n t h ec i r c u i t c o n n e c ta m o n gs e n s o ra n dd s p ，d s p a n da r mo nt h eb a s eo ft h e s y s t e m s e n s o r s ，d s p ，a r m a n dd e s i g nt h r e e a l a r me x e c u t i n gf u n c t i o n p r o v i d e r e f e r e n c ef o rt h es t e m sc o m p l e t i o na n dr e a l iz a t i o n k e yw o r d s ：d r i v i n gs t a t e ，s i m u l a t i o nd r i v i n ge x p e r i m e n t ， p h y s i o l o g i c a ls i g n a l ，m u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o n f u s i o n v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：丛墨羞塞日期：丝：监塑望垒 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签：名：五盔蔓： 日期：丝! 监塑望旦 导师签名：笠望垒旦军 日期：笠避趔冱 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 随着中国高收入人群增多，私人轿车也已浩浩荡荡驶在了大街小巷。但不可忽视 的是交通事故的高发生率也在向人们敲响警钟。据交通部门统计，2 0 0 4 年，中国全国 交通死亡人数约1 1 万人，是美国同年死亡之人数4 1 8 万的两倍多，而美国汽车总数却 是我国的1 5 倍。到了2 0 0 6 年，全国交通死亡人数激增至近1 3 万人，直接经济损失达 3 、4 亿元人民币，间接损失近百亿元。由此，制止交通事故的增长是当务之急。且交 通事故导致死亡的人数占非正常死亡数的7 0 ，是意外夺取人类生命的一个最主要的 原因。这给无数家庭带来了难以弥补的伤痛。而发生事故的重要原因之一就是驾驶员疲 劳、紧张驾驶。据相关统计，开车人因疲劳、紧张、酗酒驾驶所造成的道路交通事故约 占交通事故总数的2 5 ，在死亡交通事故的原因中却3 0 一3 5 ，在死亡交通事故的 原因中居首位。其危害显而易见。因此很多国家很早就开始了对这方面的研究，其目的 在于利用先进的技术，及时发现驾驶员出现的疲劳或紧张状况，并给以声光预警提示， 提醒驾驶员意识到危险的存在，采取相应措施。 机动车数量的增加在方便了人们出行的同时，也给我国的交通事业带来了很多负面 问题。交通事故的逐年增加即是其一。因此近年来我国对驾驶安全的研究也投入了相当 大的人力物力，国内很多的高校及研究单位都有对这方面的研究。并提出了一些有建设 性意义的理论方法，推动了这项研究的进展。但是由于驾驶疲劳成因复杂、疲劳征兆因 人各异、传感器安装受限等原因，至今还无法通过简单方便有效的方法进行监控，为事 故的发生留下了严重的隐患。因疲劳驾驶导致的交通事故每天都在发生，面对无数生命 的离去，尽快研制出一套切实可行的驾驶员驾驶状态监控装置迫在眉睫。本课题的来源 是笔者导师项目机动车驾驶状态智能监控装置。此课题的提出及进行对于推动交通 安全、保护国家财产及人民生命财产安全、构建和谐社会有着十分重要的现实意义。 1 2 驾驶状态监测技术的国内外研究概况 早在2 0 世纪7 0 年代，美国等些发达国家就开始了对机动车安全驾驶的研究，我 太原珲i ：人学硕士研究生学位论文 国的研究起于2 0 世纪9 0 年代。对汽车安全的研究主要分两部分：一是主动式安全技术， 用于防止事故的发生；二是被动式安全技术，用于事故发生后对驾驶员的保护。 主动式安全技术研究主要侧重于汽车本身性能的提高。重点是将车轮悬架、制动和 转向的性能达到最好的程度，尽量提高汽车行驶的稳定性和舒服性，减少行车时所产生 的偏差。如现在车内装配的刹车防抱死系统、电子制动力分配系统、电子稳定控制系 统、胎压监测系统、闸间导线技术、智能巡航控制系统等都属于主动式安全技术。这在 很大程度上降低了交通事故的发生，为保护国家及个人的生命财产做出了重要的贡献。 但是研究人员逐渐发现即使在装配有主动式安全系统的机动车中仍有发生交通事故，究 其原因在于机动车安全驾驶中除了机动车本身的安全性能外，还有一不容忽视的重要因 素一驾驶员本身。因此对驾驶员驾驶状态的研究逐渐成为了机动车安全驾驶研究的热 点。 驾驶状态的变化一般是由驾驶员疲劳或紧张造成。驾驶员在疲劳或紧张时其生理和 心理都会发生变化。其表现为：神经系统的功能、血液和眼睛的变化，如头重、心跳加 快、脉搏加速、手脚酸痛、气喘、胸闷、口渴、食欲不振、叹气打哈欠、频繁眨眼、表 情变化少、眼睛发红发干、视觉模糊、耳内轰鸣、感觉烦躁恍惚、分辨不清方位等等。 心理反应有：视力下降、注意力分散、视野逐渐变窄、漏看错看信息的情况增多、反应 迟钝、判断迟缓、动作僵硬、节律失调、思维能力下降、头脑糊涂、忘记操作规范、精 神不振、郁闷嗜睡、自我控制能力减退、容易激动、心情急躁。同时其驾驶行为也有所 变化如转向盘的微调，头部前倾，眼睑的眨动、甚至闭合等。 根据以上情况测得驾驶员在疲劳或紧张时其脉搏次数、眼睛的眨动、脑电图、心电 图、体温、方向盘握力、转角加速度等都与正常状态时有显著的不同，多数的驾驶员驾 驶状态监测系统都是基于人体生理信号或驾驶行为的变化而设计的。 目前国内外已经取得的研究成果主要有： ( 1 ) 监测脑电图( e e g ，e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y ) 。 脑电图一直被誉为监测疲劳的“金标准”。澳大利亚的s a r o jk ll a l 和a s h l e yc r a i g 对3 5 名非专业驾驶员进行试验，以他们在清醒状态下的平均e e g 活动为基准，分析得出了 他们在清醒、接近疲劳、疲劳、极度疲劳( 打瞌睡) 和从疲劳中惊醒这5 个不同阶段脑电图 的变化特点：我国浙江大学的王炳浩等用k t 9 8 2 0 0 0 a 动态脑电仪记录了健康的驾驶员 驾车行驶时的动态脑电波，并同静止条件下睁眼、坐在椅子上得到的清醒状态和瞌睡状 太原理1 ：大学硕七研究生学位论文 态的脑电波进行对比，得到了判断驾驶员是否处于疲劳状态的依据。 ( 2 ) 监测心电图( e k g ，e l e c t r o c a r d i o g r a m ) 。 心电图指标包括心率指标和心率变异性指标，是判断驾驶疲劳的一项重要的生理指 标。上海交通大学的杨渝书等采集1 6 名被测试者在实验室模拟驾驶操作9 0 分钟的心电信 号，并对实验开始和结束时的1 5 分钟时段心电信号的7 项时频域指标进行分析，发现有4 项心电时频域指标与疲劳程度明显相关。 ( 3 ) 监视眼睑眨动。 目前大部分研究驾驶疲劳的机构都采用p e r c l o s ( p e r c e n te y e l i dc l o s u r e ，眼睛闭合 时间占特定时间的百分率) 作为生理疲劳程度的测量指标。人在疲劳瞌睡时，眼睑的眨 动一般较频繁，眼睛闭合时问也较长。一般情况下人们眼睛闭合的时间在0 1 2 - - 0 1 3 s 之 间，驾驶时若眼睛闭合时间达到0 1 5 s 就很容易发生交通事故。 2 0 0 0 年1 月明尼苏达大学的n i k o l a o sp 与p a p a n i k ol o p o u l o s 成功开发了一套驾驶员 眼睛的追踪和定位系统，通过安置在车内的一个c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合 组件) 摄像头监视驾驶员的脸部，实现以下功能： 用快速简单的算法确定驾驶员眼睛在脸部图像中的确切位置和其他脸部特征； 通过追踪多幅正面脸部特征图像来监控驾驶员是否疲劳驾驶； 追踪多幅侧面脸部特征图像来估算驾驶员是否疲劳驾驶； 2 0 0 0 年3 月，n i k o l a o sp 和p a p a n i k ol o p o u l o s 对上述系统进行了改进，改用红外 线彩色摄像头并加滤波器滤除图像的噪声和非脸部的图像，使搜索脸部图像的次数减 少，加快了系统处理图像的速度。在国内也有多家研究单位开展了驾驶疲劳的研究，如 吉林大学的王荣本等与北京农业大学郑培等，利用机器视觉的方法对驾驶员的眼睛特征 进行实时跟踪从而判断驾驶员的精神状态。 ( 4 ) 测量瞳孔。 可根据瞳孔的变化规律来评测疲劳度。c i r c a d i a nt e c h n o l o g i e si n c 的a n n e k e h e i t m a n n 等通过实验分别测量了人在清醒和瞌睡时瞳孔直径大小，得出人在清醒时瞳 孔直径保持相对稳定，而在瞌睡时瞳孔缩小的结论，并以此作为判断驾驶疲劳的评价标 准。 ( 5 ) 监测头部位移。 其主要是通过监视驾驶员在行驶过程中头部的位移情况来判断其是否在打瞌睡。由 太原理f ：大学硕士研究生学f 旁论文 a s c l ( a d v a n c e ds a f e t yc o n c e p t sl n c ) 研制开发的头部位置传感器可精确测量驾驶员头 部位置。该装置是设计安装在驾驶员座位上面的一个电容传感器阵列，每个传感器都能 输出驾驶员头部距离传感器的位置，利用三角函数就可以计算出头在x ，y ，z 三维空间 中的位置，也能够实时跟踪头部的位置，同时利用各个时间段头部位置的变化特征，可 以判断出司机是否在打瞌睡。 ( 6 ) 监视方向盘运动。 由于当驾驶员感到疲劳时，反应变慢，操作方向盘的动作也会减缓。美国e l e c t r o n i c s a f e t y p r o d u c t s 公司开发的方向盘监视装置s a m ( s t e e r i n ga t t e n t i o nm o n i t o r ) 是一种监 测方向盘非正常运动的传感器装置，适用于各种车辆。方向盘正常运动时传感器装置不 报警，若方向盘持续4 s 不运动，s a m 就会发出报警声，直到方向盘正常运动为止。 s - a m 被固定在车内录音机旁，方向盘下面的杆上装有一条磁性带，用以监测方向盘 的运动监视汽车行驶方向。 ( 7 ) 驾驶员疲劳驾驶时，由于注意力分散、反应迟钝，车辆可能偏离车道。 美国e l l i s o nr e s e a r c h l a b s 实验室研制的d a s 2 0 0 0 型路面警告系统( t h e d a s 2 0 0 0 r o a da l e r ts y s t e m ) 就是一种设置在高速公路上用计算机控制的红外线监测装 置，当车辆偏离道路中线时会向驾驶员发出警告；此外，也有研究者在车辆的前端安装 摄像头，用来测量车辆离开白线的时间和程度，并向驾驶员报警。 ( 8 ) 监视驾驶员驾车动作的稳定性和协调性。上海交通大学的石坚、吴远鹏、卓斌 等通过传感器测量驾驶员驾驶时方向盘、踏板等的运动参数，通过模糊神经网络方法对 驾驶员疲劳程度进行辨识和分析。 ( 9 ) 我的上届学友在本项研究中的成果简介：一项国家发明专利“疲劳驾驶状态监 控装置及方法”( z l ：2 0 0 6 l o o l 2 6 2 3 6 ) 能对驾驶员眼睛状态进行准确识别。 1 3 本文的主要工作概述 驾驶员驾驶状态监控装置需具有全天候、非接触式、实时性、智能化这四个特点。 为更好地实现这四个要求，在导师山西省科技产业化环境建设计划项目机动车驾驶状 态智能监控装置的资金及技术支持下，本文进行了更深入的研究。主要工作有： ( 1 ) 对司机疲劳或紧张时其生理和心理上的变化进行了更深入的研究。设计了模拟 驾驶实验。对实验过程中采集到的变化明显的生理信号通过数学方法逐步总结其变 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 化规律。利用s p s s 统计分析软件分析这些变化，建立了与疲劳度的模糊数学关系。 ( 2 ) 根据系统需要及各传感器性价比等选择传感器。且这些传感器都需具备传输速 度快、抗干扰性好等优点。 ( 3 ) 对司机驾驶时机动车方向盘转角大小、车速等信息进行采集。分析其与司机紧 张、疲劳的相关度。 ( 4 ) 对驾驶状态监控装置基本结构、工作条件等进行了可行性设计。 1 4 论文内容安排 第一章：绪论。主要提出了研究本课题的来源、目的及意义，概述了国内外驾驶员 驾驶状态监控系统的研究动态。最后介绍了本文的主要工作及论文安排。 第二章：驾驶员生理信号的采集及分析。通过模拟驾驶实验采集车速、方向盘转向 幅度及转向频率、心电信号、脑电信号、脉搏信号等并利用s p s s 统计软件进行分析， 最后得出脉搏信号功率谱峰值、心率信号的s d 、l f 、h f 、l f h f 值以及脑电口波与脑 电波平均功率谱密度比值尺的变化情况可以定量的反映出疲劳度的变化情况。 第三章：传感器的选型。本章主要对系统中用于监测驾驶员驾驶状态的红外线摄像 头、脉搏传感器、方向盘转角传感器、酒精传感器、车速传感器进行了介绍。对这些传 感器的工作原理、所选传感器的性能指标给以了详细的介绍。 第四章：驾驶状态监控装置的可行性设计。设计了驾驶状态监控系统的基本结构， 介绍了系统中所用主要芯片，对装置中的各接口电路及报警执行功能分别进行了设计。 同时对系统软件部分进行了设计。最后对系统性能进行了实验测试。 第六章：总结与展望。本章主要概括讲述了本文的研究成果及不足之处。并在此基 础上对本研究的后续工作进行了展望。 太原理工大学硕! 仁研究生学位论文 第二章驾驶员生理信号的采集及分析 在驾驶员的整个驾驶过程中其驾驶状态的变化主要表现在驾驶员生理信号、心理信 号、驾驶行为的变化。从生物学的角度分析，人体在疲劳时其脉搏、血压、体温、肌电 都较正常有显著变化。同时驾驶员的眨眼频率、方向盘握力也发生变化。为更好地使系 统能根据不同驾驶状况来采取措施，本文把驾驶状态分为正常驾驶、轻度疲劳驾驶、中 度疲劳驾驶、重度疲劳驾驶这四类情况。对疲劳度的划分也相应地分为轻度疲劳、中度 疲劳、重度疲劳这三神情况。上届学友较好地实现了对驾驶员眼睛状态的监控，但对驾 驶过程中驾驶员生理信号变化与疲劳度之间关系只作了定性分析，未作定量研究。这一 章主要讲述的是分析驾驶员生理信号的变化曲线以确定其变化规律，并根据生理信号数 据在哪个变化曲线或变化规律内来辨别疲劳度。 2 1 疲劳的分类及驾驶员疲劳时的表现 疲劳是人体一种及其复杂的生理状态，虽然很早就有对疲劳的研究，但因其起因及 表象十分繁杂至今仍未有对疲劳的统一定义。一般而言疲劳是指人在劳动生产过程中， 作业能力出现明显下降，或由于厌倦而不愿意继续工作的一种状态，这种状态是相当复 杂的，并非由一种明确的单一的因素构成。对疲劳虽然可以分成几类，但都不完全，详 细区分可将疲劳分为5 种类型： ( 1 ) 个别器官疲劳，如计算机操作人员的肩肘痛、眼疲劳；刻字人员的腕疲劳等。 ( 2 ) 全身性疲劳，全身动作。进行较繁重的劳动，表现为关节酸痛、困乏思睡、作 业能力下降、错误增多、操作迟钝等。 ( 3 ) 智力疲劳，长时间从事紧张脑力劳动引起头昏脑胀、全身乏力、嗜睡失眠等， 常与心理因素相联系。 ( 4 ) 技术性疲劳，常见于体力脑力并用的劳动，如驾驶汽车、收发电报、半自动化 生产线等，表现为头昏脑胀、嗜睡失眠或腰腿疼痛。 ( 5 ) 心理性疲劳，多是由于单调的作业内容决定的。如监视仪表的工人，信号率越 低越容易疲劳，警觉性下降。这时的疲劳并不是体力上的，而是大脑皮层。一个部位引起 的抑制。 7 太原理j = 大学硕七研究生学位论文 驾驶疲劳：驾驶疲劳是指驾驶员在连续行车后所产生的生理、心理机能以及驾驶操 作效能下降的现象。一般认为驾驶疲劳是脑力、体力同时参与的技术性疲劳。在长时间 的驾驶过程中驾驶员要时刻注意外界环境变化，以便作出快速、准确的判断。这需要驾 驶员保持高度的注意力。再者受驾驶条件限制，驾驶姿势相对固定，驾驶员活动受限。 这些也都增加了驾驶员的精神负担、体力消耗，引发疲劳。 驾驶员疲劳时，除表现有循环机能的变化、血液的变化、呼吸机能的变化、神经机 能的变化、体温的变化等以外，在心理状态方面也会引起各种各样的变化。这些变化主 要通过驾驶员的自觉症状和他觉症状来反映出来。 驾驶疲劳时的心理表现主要有以下几方面： ( 1 ) 对驾驶操作缺乏信心，主动性降低，或无法按驾驶操作规程要求继续行车。 ( 2 ) 注意分散，判断能力下降，注意分配不均衡并且转移速度低，经常丢失重要的行车 信息。 ( 3 ) 感觉器官的功能发生衰减或紊乱，如视觉模糊，听力下降，判断迟缓。 ( 4 ) 驾驶动作不灵活，节律失调，动作的自动化程度减低。 ( 5 ) 记忆和思考能力下降。在过度疲劳情况下，往往会忘掉操作技术规程，违反交通法 规，甚至走错行车路线。 ( 6 ) 过度疲劳会在行车途中产生困倦，甚至打瞌睡。 驾驶员紧张时其表现为：方向盘握力急剧变大，转角加速度变大等。在疲劳和紧张情况 下极易发生交通事故。 2 2 驾驶员疲劳度的测量方法 要对疲劳度进行划分，并根据疲劳度的不同采取不同的措施，首先要对疲劳进行测 量。疲劳或紧张驾驶时驾驶员从内到外的变化可分为三种：( 1 ) 操作能力下降、失误增 多、对意外情况不能很好处理等。( 2 ) 驾驶员自己感觉到四肢无力、注意力不能集中、 昏昏欲睡等。( 3 ) 身体内部生理信号发生变化，如脉搏较正常时过高或过低。据此疲劳 测量的方法主要可分为( 1 ) 主观评定法( 2 ) 生理信号测量法。在疲劳检测过程中，疲劳只 能间接测定，而驾驶员本人对疲劳的感觉是最直接最真实的，任何测定的数据只有符合 人的感觉，才能有效准确的判断人的疲劳程度。现阶段生理信号测量法必须结合主观评 定以确定相应的客观标准，而主观评定法也需依赖生理参数测定法，以提高客观性和可 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 靠度。所以在实验中对疲劳的测量采取的是主观评定和生理信号测量相结合的方法。 2 2 1 驾驶员疲劳状态测量的基本要求 l 客观性：测量结果应当有客观的表达，而不依赖于研究的主观解释； 2 定量化：测量结果应当以定量化形式表示疲劳的程度； 3 非侵入性：测量方法应没有或很少对作业者的工作产生干扰，尤其不能导致附加疲劳 或使被试者分神； 4 可接受性：测量时，不能导致被测者不愉快或造成心理负担，应为被试者可接受，以 利于配合，提高测试的可信度； 2 2 2 汽车模拟驾驶实验设计 在人体生理信号中脑电、心电、脉搏包含了几乎全部的生理信息。驾驶员在紧张或 疲劳驾驶时这些生理信号都较正常时有显著变化。因此实验中对驾驶员的脑电、心电、 脉搏信息进行收集，对不同生理信息选取不同的数学方法进行分析处理，目的是能最大 程度的从生理信号中提取出反映疲劳变化的信息。 把疲劳度分为轻度疲劳、中度疲劳、重度疲劳只是定性分析。只有把生理信号的变 化规律与疲劳程度相结合，找出其内在的数学关系式才能使疲劳度的划分在驾驶状态监 控系统中起到作用。掌握驾驶过程中驾驶员生理信号的变化规律，测定驾驶过程中驾驶 员的疲劳度，需要做大量的实验对采集到的数据进行分析。考虑到实验的安全性、经济 性、易操作性等，采用模拟驾驶系统进行实验 7 1 。 实验样本 选择1 0 名志愿者作为实验对象。5 男5 女。年龄2 5 岁左右。身体健康。驾龄2 - 3 年。被试者进入实验时要求精神处于清醒状态，以便实验结果能全面反映驾驶员驾驶时 清醒状态到疲劳状态的车速、方向盘转角、生理信号的变化情况。1 0 名被式共进行2 0 次实验。 实验平台 v r - 4 型驾驶模似器，心电图检测仪，脑电图检测仪，脉搏检测仪，电脑。 实验中，操控数据由模拟驾驶舱提供，车速、方向盘转角、离合、油门等数据一秒 钟采集一组通过串口传到计算机并保存。实验中分别采用b f s 4 一f x - 3 0 1 0 六道自动分析 心电图机、脑电图仪、脉搏检测器采集被试的心电信号、脑电信号、脉搏信号等。主观 疲劳状态由被试填写睡眠尺度表进行评测。该表的设计参考了斯坦福睡眠尺度表，按瞌 太原理i ：大学硕：研究生学位论文 睡程度不同分为七个等级。从一级到七级疲劳度逐渐上升。 实验过程 不同的道路状况对驾驶疲劳的影响也存在差异。相比于普通道路，在高速公路上进 行长途运输的驾驶员更容易出现疲劳现象。据相关数据统计6 5 以上的重大道路交通事 故发生在高速公路上。这是与高速公路长时间单调驾驶的环境密不可分的。高速公路路 面宽阔景观单一，交通干扰小。在单调的驾驶环境下驾驶员机械地重复做单调的动作， 缺乏必要的行车信息刺激。时间一长大脑细胞会进入抑制状态极容易造成疲劳打盹甚至 瞌睡。 实验中以高速公路作为实验背景，被试需要控制车辆车速，尽量按1 0 0k m h 的车 速匀速行驶。同时保持车辆在车道中的位置居中。被试者驾驶时间不予限制，在驾驶前 两个小时内每隔1 5 分钟对被试者进行主观疲劳评定。两小时后每隔1 0 分钟进行一次主 观疲劳评定。驾驶时间一直到被试者感到非常疲劳为止。车速、方向盘转角、方向盘握 力、心电、脑电、脉搏等数据在驾驶过程中被全部实时采集和保存。 数据分析 使用s p s s 统计软件对采集到的数据处理分析。分别对车速、方向盘握力、方向盘 转角、心率、脑电波、脉搏、主观疲劳度进行了方差分析。然后对在高速公路环境下驾 驶的各项指标进行相关分析。 2 2 3 模拟驾驶实验仪器简介 汽车模拟器简介 汽车模拟驾驶系统是用高科技手段如高速图形计算机、数据头盔或其他三维视觉通 道( 例如投影仪) 、三维位置跟踪器和立体声音响等构造出一种人工环境，它具有模仿 人的视觉、听觉、触觉、嗅觉等感知功能的能力，具有使人可以亲身体验沉浸在这种虚 拟环境中并与之相互作用的能力。 组成模块： 检测模块：检测用户的操作命令，并通过传感器模块作用于虚拟环境。 反馈模块：接受来自传感器模块信息，为用户提供实时反馈。 传感器模块：一方面接受来自用户的操作命令，并将其作用于虚拟环境，另一 方面将操作后产生的结果以各种反馈的形式提供给用户。 一中央控制模块：对传感器进行控制，使其对用户、虚拟环境和现实世界产生作 1 0 太原理 ：大学硕 ：研j 1 - ：学俯论文 用。 建模模块：获取现实世界组成部分的：i 维表示，并由此构成对应的虚拟环境臣p 场景搭建。 图2 - 1v r 一4 模拟驾驶器 f i 9 2 1s i m u l a t i o nd r i v i n g v r 一4 型驾驶模似器在视觉感受，操纵感受和运动感受二方面都能找到驾驶真车的 感觉。在这种真车改装而成的模拟车中，车前有3 米宽的弧形大屏幕，驾驶员在车内观 看车前屏幕图的水平视角为7 5 。一8 5 。，与实际驾车的驾驶员视角( 8 0 。) 完全相同， 再加上屏幕是弧形，更使人有“沉浸感”，和在真车驾驶时感觉无异。用于做实验非常 合适。模拟器中油门、刹车、离合、方向盘和档位信息都有专用的传感器提取，当驾驶 员在模拟器上进行驾驶操作时所有的操作数据都能被实时的记录并存储下来。 心电图检测仪：心电图的采集是通过北京中西远大科技有限公司的b f s 4 一f x 一3 0 1 0 六道 自动分析心电图机进行的。 该心电图仪配有6 英寸l c d 液晶显示屏，可同步显示1 2 导联心电波形，可进行手动 记录、自动记录、心率不齐分析记录和自律神经记录，触摸屏与轻触按键结合使用，简 捷方便。 交直流两用，具有运动试验的分析模式，可以对被测试者进行运动试验，试验中 的各项参数可以显示和记录，选用标准存储卡叮存储被测试者心电图波形和分析报 告。 配备r s 一2 3 2 c 串口与计算机连接，便于信息的保存和传递。 脑电图检测仪：脑电图的采集使用的是上海诺诚电气有限公司的动态脑电图仪。 功能特点： 脑电图数据记录在动态脑电记录盒内，对数据不做任何压缩，记录的是全信息 脑电图。 太原理工大学硕j ：研究生学位论文 采集结束后，动态脑电记录盒内存储的脑电信息通过u s b 2 0 接口上传主机， 传输速度快( 4 8 0 m b p s ) 。 动态脑电记录盒配有大液晶显示屏，可以显示：当前时间和采集时间、采样参 数、动态存储容量、版本信息、设备序列号、动态电池电量检测。 动态盒功能键可对相关参数进行设置。 数据上传： 滤波、高通等各种参数可设置。 可通过软件或动态脑电记录盒上的功能键对时间、是否格式化、通道数、事件 等参数进行设置。 回放分析： 具有尖棘波自动识别功能与时间跳转功能。 可按秒、页或卜1 2 0 倍回放速度三种模式回放分析。 波形可随意编辑、剪辑生成新的文件另外保存。 具备事件备注功能，可标注脑电波形的分析结果等各种信息并存储在病例中。 f f t 快速分析、功率谱阵图、幅度谱阵图、功率谱阵地形图、幅度谱地形图、 q 、0 、6 、o 频谱地形图、棘波地形分析。 波形测量、标尺等各种常规功能。 打印： 多种打印模板可自由制作，方便快速出报告。 打印前可预览，防止报告内容、格式错误。 支持连续多页打印。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 再f r “， ：，t ，p 8p # f ) - 1 7 丁_ # 日 q 叩# ， v r w ： 一。二。， 强蕴。瞧必，圈i 瑶目露曩l 互盈 图2 - 2 脑电波回放图 f i 9 2 - 2b r a i nw a v ep l a y b a c k i n g c h a r t 脉搏检测仪：脉搏信号的采集由合肥华科电子技术研究所h k - 2 0 0 0 系列的h k - 2 0 0 0 a 集 成化脉搏传感器和数据采集系统组成。 一、产品简介 该产品采用高度集成化工艺将力敏元件( p v d f 压电膜) 、灵敏度温度补偿元件、感 温元件、信号调理电路集成在传感器内。脉搏波动一次输出一正脉冲。 二、主要特点： 1 、灵敏度高。 2 、抗干扰性能强。 3 、过载能力大。 4 、一致性好，性能稳定可靠，使用寿命长。 三、技术指标： 电源电压：3 1 2 v d c 压力量程：一5 0 , - - 一+ 3 0 0 m m h g 过载：1 0 0 倍 输出高电平：大于v c c 1 5 v 输出低电平：小于0 2 v 之所以选择p v d f 压电薄膜，因为它有如下j 乙个的优点： 太原理1 ：人学硕士研究生学位论文 v c c 1 5 0 2 图2 - 3h k - 2 0 0 0 a 脉搏传感器输出波形 f i 9 2 - 3o u t p u tw a v es h a p eo fh k - - 2 0 0 0 a p u l s es e n s o r t l 压电常数大( d 3 3 = 2 0p c n ) ，变力响应灵敏度高。比石英晶体高l o 倍，压电电压 输出常数g = 1 7 4 是所有压电体中最高的。 2 在非常高的交变电场中不至于去极化，单位体积能获得