（生物医学工程专业论文）基于驾驶座舱的驾车疲劳实验研究.pdf

中周科学技术人学顾七学位论立a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r yh i g h w a y , t r a f f i ca c e i d e mp r o p o r t i o n a l s or i s e sy e a rb yy e a r d r i v i n gf a t i g u ea c t sas i g n i f i c a n tf a c t o ri na c c i d e n t so n h i g h w a y t h e r e f o r e ，t h et o p i co nr e s e a r c ho fd r i v i n gf a t i g u e , n o to n l yh a st h e i m p o r t a n tt h e o r e t i cs e n s e ，b u ta l s ow i l lh a v et h es i g n i f i c a n ts o c i a la n de c o n o m i cv a l u e t h ed e v e l o p e dc o u n t r i e ss t a r t e dt h er e l a t e dr e s e a r c he a r l ya n dh a v eo b t a i n e dm a n y u s e f u lr e s e a r c hr e s u l t s d r i v i n gs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sa l li m p o r t a n tr e s e a r c h a p p r o a c ht oa n a l y s i st y p i c a lf a c t o r st of a t i g u e t oe v a l u a t et h ef a t i g u ed e g r e ea n dt o f i n dt h ew a yo fe a r l yw a r n i n go ff a t i g u e i th a st h ev i t a l r o l e i nd r i v i n gf a t i g u e m e c h a n i s mi n v e s t i g a t i o na n di sa d o p t e db ym a n yr e s e a r c hg r o u p si nt h ew o r l da t p r e s e n t t h i sr e s e a r c hw o r ki s p a r to ft h ep r o j e c t ”r e s e a r c ho nf a t i g u em o d e la n d d r o w s i n e s sd e t e c t i o nf o rh i g h w a yt r u c kd r i v e r si nc h i n a ”，w h i c hi ss p o n s o r e db y n a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) a n dg e n e r a lm o t o rc o m p a n y ( p r o j e c t n u m b e r ：6 0 4 2 2 2 0 1 ) i ti sf o rm ep u r p o s ea sf o l l o w s ：t od e s i g nas e to fe x p e r i m e n t a l m e t h o d sf o rs i m u l a t i o n , t oc o n s t r u c ta ni n t e g r a t e ds y s t e mw h i c hc a ne v a l u a t ed r i v i n g f a t i g u e i nt h e l a b o r a t o r yb y s e v e r a l m e a n s , i n c l u d i n gs e l f - e v a l u a t i n g , p h y s i o l o g y e v a l u a t i n g a n d o p e r a t i o n - e v a l u a t i n g , t oc a r r y o nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n ta f t e r w a r d sa c c o r d i n gt ot h em e t h o d sa n du s i n gt h ef a t i g u ee v a l u t i o n s y s t e m o u rr e s e a r c hr e s u l t sw i l lp r o v i d et h em a t e r i a l sf o rt h ef u r t h e rs t u d yo f c h i n e s e d r i v e r s f a t i g u em o d e la n dr u l e t h et h e s i sa c c o m p l i s h e de f f e c t i v ew o r ki nt h e s ep a r t s ： 1 c o n s t r u c t e dt h ed r i v i n gf a t i g u ee v a l u a t i o ns y s t e m b a s e do nas i m u l a t e d d r i v i n gc a b ，c o m p l e t e dt h er e l a t e ds o r w a r ed e s i g na n dp r o g r a m m i n g , a n dt e s t e dt h e s t a b i l i t yo f t h es i m u l a t i o ns y s t e ma n de a c he v a l u a t i o nm o d u l e 2 i n v e s t i g a t e dt h ec a u s a t i o n sf o rd r i v i n gf a t i g u e 鹊w e l l 蹈t h ej u d g m e n tm e t h o d o ff a t i g u e ，a n a l y z e dt h et e c h n i q u eb a s e do nd r i v i n gs i m u l a t i o n 、：l ，i t i l e m p h a s i s ， d e t e r m i n e dt h ec o r r e l a t e de x p e r i m e n tp r i n c i p l e ，d e s i g n e ds o m em e t h o d sf o rt h e e x p e r i m e n t a ls i m u l a t i o na f t e r w a r d s 3 u s i n gt h es i m u l a t o r , c a r r i e do nt h el o n g 嘶v i n gd u r a t i o na n dm o n o t o n o u s e n v i r o n m e n td r i v i n gt a s k , a n da s s e s s e dt h e l o n gt i m ed r i v i n g a sw e l la st h e m o n o t o n o u se n v i r o n m e n tt ot h ed r i v i n gf a t i g u ed e g r e ei n f l u e n c e a n dw ea l s oc a r r i e d o na ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nd r i v e r sc o m p l e xr e a c t i o nw i t ht i m eo fd a yv a r i a t i o n s ， a n a l y s i s e d t h ee f f e c t i o no fd i f f e r e n tt i m e p e r i o d so nt h ed r i v e r s 。r e s p o n da n d j u d g e m e n ta b i l i t y , a n dp r o v i d e dt h er e f e r e n c ef o rt h el a t t e rd r i v i n gs i m u l a t i e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：d r i v i n gf a t i g u e ，d e s i g nm e t h o df o rd r i v i n ge x p e r i m e n t , r e s e a r c ho n s i m u l a t e dd r i v i n g 中田科学技术人学硕l 学位论文第l 章前言 第1 章前言 1 1 驾驶疲劳研究的意义 机动车辆作为社会发展、人类文明和科学技术进步的产物，为人类文明进步 和社会经济发展做出了巨大贡献。然而，随着机动车辆的增加，交通事故发生量 有不断增加的趋势。交通事故是当前世界各国所面临的严重问题，由于交通事故 的原因，每年世界的道路交通事故多达l o 亿次之多，至少使5 0 万人死亡i l l 。欧 美各国的交通事故统计分析表明，交通事故中有8 0 9 0 是驾驶员的人为因素 造成的1 2 j 。 交通事故中驾驶员的原因是指事故发生前一瞬间驾驶员的行为和故障，可能 是对即将发生的危险知觉延误，对环境反应的决策错误，或是对危险情况的反应 不当等。而疲劳往往是导致这些状态的最关键因素。 驾驶疲劳是指驾驶员在长时间或超强度的行车过程中，由于体力和脑力过多 消耗，产生的生理、心理机能衰退以及反应水平和操控效率下降的现象1 3 】。驾驶 疲劳严重影响行车安全，容易导致交通事故，甚至车毁人亡。据相关统计报道， 卡车司机疲劳驾驶造成的交通事故占总数的2 0 到4 0 【4 】。 随着我国高速公路建设的飞速发展，发生重大交通事故的比例也呈逐年上升 的趋势。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。有人根据安徽省交警大队的资料统计【5 1 ，1 9 9 5 和1 9 9 6 两年内，沪宁高速 公路交通事故的7 6 o 和7 3 2 是驾驶员肇事引起，而疲劳驾驶占比例最大。此 外，华北高速公路股份有限公司对2 0 0 1 2 0 0 4 年京津塘高速公路北京段的交通事 故进行了统计分析，发现疲劳驾驶在造成交通事故的原因中位列第一，占所有事 故起因的2 7 l 6 1 。 驾驶疲劳影响驾驶员的警觉和安全驾驶能力，因此，对于驾驶疲劳的产生机 理和检测方法的研究已经成为一个重要课题，驾车仿真实验，是驾驶疲劳研究的 重要方面，西方发达国家投入巨大的人力、物力广泛开展驾驶疲劳实验的研究工 作。实验研究的结果将会揭示长途行车过程中的疲劳模式和瞌睡规律，为如何减 中田科学技术人学硕f ：学位论丈第1 章前言 少疲劳、警示瞌睡等提供科学依据，从而促进研究用于实际使用的驾驶疲劳预警 系统装置的开发，它不但具有极高的理论研究价值，同时也具有重要的现实意义。 1 2 驾驶疲劳研究的国内外现状 驾驶员疲劳检测技术作为智能交通系统的智能安全辅助驾驶技术的一部分， 国外发达国家对该项技术的研究非常重视，资助了一系列的研究课题，并开发出 了应用的产品，建立了相应的技术标准。 早期的驾驶疲劳测评主要从医学角度出发，借助医疗器械进行。但是驾驶疲 劳真正进行实质性的研究工作是从2 0 世纪8 0 年代由美国国会批准交通部实施的 驾驶服务时间改革、研究商业机动车驾驶时间与交通安全的关系、健全卡车和公 共汽车安全管理条例开始的。此时，美国己把驾驶疲劳的研究提高到了立法高度。 随后，欧美各国政府纷纷提出减轻驾车疲劳和提高驾车安全的措施1 7 4 ”。 随着科学技术的进步，驾驶疲劳测量方法有了很大的发展。世界各国陆续展 开驾驶疲劳车载电子测量装置的开发研究工作。下面介绍几种典型的试验型产 品。 打磕睡驾驶员侦探系统d d d s ( t h e d r o w s y d r i v e r d e t e c t i o n s y s t e m ) ! ，用多 普勒雷达和复杂的信号处理来测量驾驶员打磕睡或睡着的活动，包括不安烦躁的 情绪活动、眨眼频率、眨眼的持续时间和眼皮的活动。 转向操作注意监视器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 ) 0 3 1 是一种测量方向盘 非正常运动的传感器装置，适用于各种车辆，提醒驾驶员不要打瞌睡驾驶。 路面警告系统d a s 2 0 0 0 ( t h ed a s2 0 0 0r o a da l e r ts y s t e m ) 【堋，在高速公路 上用计算机控制的红外线装置探测到驾驶员驾驶车辆摆过中线或路边时，向驾驶 员发出警告。 反应时测试仪p v t ( t h ep s y c h o m o t o rv i g i l a n c et e s t ) ，这种测试仪能在计算机 屏幕上随机闪动黄光，应试者以敲击键盘来测试他的反应时间，而反应时间大小 反映了疲劳程度的轻重。 电子“清醒带”【”l ，使用时用一根可以调整的松紧带固定在驾驶员头部， 使驾驶员睡意消除精神振作。 2 中困科学技术大学硕l 。学位论文第1 章前言 1 9 9 6 年美国k n i p l i n g 。w a n g 和k a n i a n t h r a l l l 6 1 等人测量眼睛的开闭、眼睛的 运动和眼睛的生理学表现形态来研究机动车驾驶员的疲劳问题，他们认为利用眼 睛来判断疲劳是非常恰当的，也是行之有效的方法这种方法称为p e r c l o s ， 它的最根本的| j i f 提条件是眼睛的生理学表现形态能够充分提供机动车驾驶员的 普觉状态的信息，眼睛的视觉表现行为能够被测量。目前，p e r c l o s 方法己被 公认是最有效的、车载的、实时的驾驶疲劳测评方法。 国内对于驾驶员疲劳驾驶造成的交通事故的严重危害已有所关注，对于驾驶 疲劳的也有过一些研究工作。刘宝善【17 l 等开展过一些飞行员精神负荷评估方面 的研究，郭克友等l 。8 懈驾驶员眼部状态分为精神饱满、精神萎靡、打瞌睡三类， 用基于g a b o r 小波的驾驶员眼睑特征来分析驾驶员的疲劳状态。周玉彬等【1 9 1 采 用头戴式摄像机采集驾驶员眼部图像来分析其眨眼状态采用头戴式摄像机使眼 睛区域容易从图像中分割出来。但从总体来看，国内对与驾驶疲劳检测和预警方 法等方面的研究还相对较少。 可喜的是，王大珩、杨嘉墀等一批有眼光的资深院士，看到了我国汽车工业 “空心化”的严重问题，他们关于尽快组织实施支柱产业振兴工程“国家汽车计 算平台工程”的建议也正被政府采纳，这是我国发展汽车电子产业，促进产业持 续快速发展，带动集成电路和软件产业跨越式发展的一大举措。本课题的提出顺 乎此潮流，希望在驾车疲劳的研究基础上，更深入进行驾车疲劳预警方法和警示 装置的应用研究，为我国汽车的智能化尽一份力量。 1 3 本论文的研究内容和组织安排 论文的研究内容主要有以下三个部分： 1 在模拟驾驶座舱的基础上，设计出含多种评测方法的疲劳检测系统。 在模拟驾车的过程中，该疲劳检测系统不仅记录被试的操控信息数据( 车速、 方向盘转角、离合、档位、刹车、油门等) ，而且同步记录包括脑电、心电的电 生理信号及被试的面部视频等生理变化情况，记录包括反应力、注意力等心理参 数，记录被试的主观疲劳变化等等。这样一套系统提供了一个在实验室的模拟驾 3 中国科学技术大学硕 = 学位论文 第1 章前言 车环境下研究驾驶员疲劳情况的平台，解决了在随车条件下难以实现对驾驶员生 理心理参数的采集的难题，使得对于采集到的各项数据的后续分析可以和鸳驶员 的驾驶疲劳状态结合起来，更加有效的分析疲劳规律和对应的生理变化和操控状 态变化的关系。 2 设计实验方案，用上述装置进行驾车仿真实验。 在模拟驾驶软件方面，我们选择了各种不同的道路场景来进行测试，既有单 调的高速公路场景，也有情况复杂的城市道路，以及山区道路等等。 在驾车的时间选择上，我们可以利用人体生物钟的规律，选择不同的时段进 行测试。 在不同的睡眠状况下，我们利用睡i + 1 2 半睡眠剥夺与正常睡眠的对比进行实 验。 在实验室环境下，我们人为制造一些条件( 如噪声条件、温度条件) 来模拟 实际交通环境来加快疲劳的产生或者进行长时间不问断测试。 在测试对象选择方面，考虑到不同年龄、不同性别、不同职业的人疲劳发生 情况和规律是不完全相同的，可以按不同的分组测试。 3 已歼展的有关驾驶疲劳实验的研究。 通过不同道路状况的长时间驾驶，在分析操控能力的基础上，结合自我评溯、 生理参数测量与反应力测试等方法，综合评估长时间驾驶以及单调环境对驾驶员 疲劳程度的影响。通过不同时段下驾驶员复杂反应实验，分析时段对驾驶员反应 判断能力的作用，为模拟驾驶实验提供参考。 论文的组织安排如下： 论文的第l 章前言，简要介绍了课题的背景、研究意义、研究内容，以 及论文的组织安排。 论文第2 章介绍了驾驶疲劳检测系统整体架构和各模块软件设计。 论文第3 章详细介绍了在模拟驾驶系统上的实验方案设计。 论文第4 章详细介绍了长时间单调模拟驾驶对疲劳影响的实验和不同时段 下驾驶员的复杂反应实验。 论文第5 章结束语部分总结了论文的研究成果，并展望了进一步的工作。 4 中阁科学技术大学顿仁学位论文第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的架构 第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验 评测系统的架构 2 1 驾驶疲劳评测方法介绍 驾驶疲劳的危害相当严重，因此，对疲劳的监测是非常必要的。由于疲劳这 种复杂的生理现象能引起人体的众多指标发生改变，疲劳检测的方法也多种多 样。 般来说，驾驶疲劳的评测方法可以分为主观评测和客观评测两方面。其中， 主观评测主要指驾驶员对驾驶中出现的疲劳度的自我评定，包括生理和心理上 的，驾驶员只需要在描绘不同疲劳度或表征各种疲劳状态的表格里打勾即可，优 点是简洁方便，缺点是所得的信息量不多，而且每个人的自我评判标准存在差异。 客观评测是指利用相关的装置对驾驶员进行各项能反应疲劳度的测试，一般包含 操控能力评测、生理或心理变化情况评测等等，客观评测的数据更加准确，且测 量的方法多样化，从不同侧面反应出疲劳的程度。如何能够在不影响驾驶员的正 常驾驶的情况下，准确地测量出身体上精神上的疲劳状态，这对进行客观测试的 实验方法以及测量的装置提出了新的课题。下面分别对目前国际上的一些常用评 测方法做一个简单的介绍。 1 主观评测 主观评测法是根据驾驶员或受试者的主观感觉来判断其疲劳状况和疲劳程 度的评测方法。 疲劳本身就是一种主观上的感觉，因此对疲劳主观成分的评定非常重要。驾 驶疲劳的主观评测主要是通过对驾驶员的问卷调查的形式来进行，由被测试者在 驾驶前后根据自己的感觉填写测试表格，最后进行统计分析。这种方式能够提供 关于脑力疲劳的多种信息，如脑力疲劳出现的时间、造成疲劳的原因和主观上的 不舒适感觉等。实际上国外有很多关于脑力疲劳的研究就是通过问卷调查的方式 来进行的，如飞行疲劳的评定。主观评测不仅可以应用于疲劳的评定，还可以用 于情绪情感，脑力负荷等多种心理表现的评定。 5 中国科学技米大学颅f ：学位论文第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的架构 国外应用较多的疲劳主观评测方法有斯坦福睡眠尺度表( s s s ) ( 如图2 1 所示) 。在斯坦福睡眠尺度表( s s s ) 中，被测试者的状态从完全清醒、充满活力 到几乎要睡着，无法保持清醒被分成了7 个尺度。 、i 、l r 1 ) 、1 1 i i i p l 、l i 、，、( 、1 1 ： _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - 一 “l 、 j l t 、m i t i th i 、 i l l _ ii i i c 。i j - t ln i 釜j l l | 、 c cj i n 菩r t g b t h 。 o kh 。l ii 、 t h l i t l 。1 il h t l l 、川i h【i r ll 。ft h e r l t l i l j h ：lt h ；t lk 、i 州r “l 、”1 k 、l h 、i t “i n o l l fi k 、f i h “；h t 、i hl 。i “t i t ci 1 1 1 c 1 1 l 。r l l f j - _ , 。l l i 、。a i l 、t t 。t l 、k l t 。i l h l h l o 。l u i k i l i l l e h - g 。i i 。il ￥hi “1 b i l lm 吨1 ti v n l 、h l ot i o 、q f i t | r ，1 1 c r o 。l 、li | l l t l 1 ：i k o h l nr l qo lr l l l ；l h 丁i n c g 、 致c q n n 、l 、r 、h i t i k l ：￥) i h 、i “r , c a k lc lt l l n “ 氛1 r cr 擘g ) l ；。g i n n l ”g “ l t i ci n t l + 柏ii n - ：l a b l l l 牮：l ”4 a l ：口 s l i 、o t l “n 、r ，i 。p 3 。l i 4 h i i l l g 、l “p n h v 1 r o l l lt t tt vl ，1 “g 、k n 、1 1 1 h 、“：l s i c c ” i t h l 、t l t i 擘苎l c “、r c l a i l l i 、“k o 图2 1 斯坦福睡眠尺度表( s s s ) 2 操控性能评测 疲劳会影响驾驶员的操控性能，并随着疲劳感的加强而逐渐下降，如对方向 盘的操控动作迟缓，方向把握不准，容易越线行驶或摆过路肩等。与方向盘控制 不稳相对应的状况就是行车偏离车道，因此相应的通过监控车辆在道路上的行车 轨迹就可以和方向盘转动参数一起成为判断疲劳情况的依据。对行车轨迹和偏移 的检测需要在车头安装摄象机对前进的路面进行拍摄，然后再进行后续的图像分 析处理来完成。国外对于这方面的研究已经相当成熟，基于视频路面监测的车载 防偏移系统也已经有所报道。 6 中固科学技术人学顾i ：学位论互 第2 苹摹f 驾驶座舱的疲劳实验评测系统的鳇翅 图2 2l a n et r a c k i n gs y s t e m 车道偏移监控 图2 3 车载疲劳预警装置 3 ，生理参数评测 生理参数评测是借助于仪器、设备等辅助工具记录人体生理、生化方面的某 些指标的变化并进行评定的方法。可用的生理参数有脑电图( e e g ) 、服电图( e o g ) 、 眨眼频率、瞳孔尺寸变化、呼吸速率、血压、耗氧量、说话的流畅程度和音量的 大小、心电图( e c g ) 、心率变异性( h r v ) 以及皮质分泌，甚至皮肤上特殊部位 的肌电图( e m g ) 等等。 生理参数评测是一类最客观的评测方法，疲劳的测评结果较准确，其深入研 究将加深对驾车时行为控制的理解，若与神经科学结合有可能进一步了解疲劳的 产生机理。其缺点是测量需要复杂的测量仪器，并与驾驶员身体接触，测量过程 容易受外界干扰并且测量本身会干扰驾驶员的正常驾驶，因而不易被驾驶员接 受，只适用于实验室内进行的驾车疲劳原因、疲劳规律和疲劳模式的研究。 中固科学技术大学硕：学位论文第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的架构 图2 , 4 不同睡眠期的脑电、眼电、肌电 4 心理参数评测 反应和判断力评测主要是检测驾驶员对外界变化的信号的保持正确反应的 能力。它可以在驾驶测试前、中、后分别采用不同的形式进行。例如，在驾驶测 试前对驾驶员迸行颜色对应识别测试；驾驶过程中，不断随机产生声音信号，要 求听到声音信号后立刻按下某一个按键，记录其反应时间和正确率：在驾驶结束 后，再进行一次颜色对应识别测试。通过3 个阶段的测试结果对比来判断在什么 时候产生了疲劳。 图2 5p s y c h o m o t o rv i g i l a n c et e s t 心理测试 8 中国科学技术大学硕l 学位论立第2 幸摹于驾驶唐舱的疲劳实验评测系统的集掏 此外驾驶疲劳还表现在频繁出现打呵欠点头，较长时间闭眼等现象。通 过对这些的监测，也可以有效的判断其疲劳状况和疲劳程度。国内外在这方面的 研究都很多，甚至国外一些车载疲劳预警系统就是以眨眼检测为主要判断依据研 制的。 图2 6 眨眼检测装置 2 2 驾驶疲劳实验评测系统架构 2 , 2 1 模拟驾驶舱和疲劳评测系统介绍 模拟驾驶舱是整个实验的平台，是驾驶疲劳评测系统的基础组成部分。我们 所采用的模拟驾驶舱1 2 a l 选自安徽三联科技股份有限公司的产品。三联公司在智 能交通领域有较大的知名度和比较成熟的技术，其生产的综合模拟驾驶系统具有 高度的逼真度和精确度，已经在国内众多城市的公安、交通等系统中得到应用。 模拟驾驶舱具有高度的真实感。整个座舱设计完全按照真车驾驶室布局进 行，从方向盘、转向灯、雨刷、喇叭到档位、离合、刹车、手刹，再到各种仪表 ( 如车速表、里程表、转速表) 、灯光，最后还有车门、左右后视镜，可以说是 应有尽有，给人一种完全真实的驾驶感觉。在驾驶舱p c 主机上运行模拟驾驶软 件并在显示器上显示各种开车道路环境。高度仿真的模拟驾驶软件提供各种不同 道路场景，配套的模拟驾驶软件提供了包括驾驶教学、训练练习等共计7 0 多套 场景，包括各种天气下，如雨天，雪天、雾天、夜晚等：各种路矿下，如普通 公路，高速公路，山区公路，泥泞道路等；各种特殊路段，如s 型道路，直角转 ! 堡型兰塾查_ 丈兰堡! ：兰些堡塞塑! 童兰竺壁堕堕竺鉴堑壅壁堡型墨竺塑型旦 弯，环岛路等。如此多的场景为驾车实验提供了大量丰富的素材。 该模拟驾驶舱的上述特点有力的保障了后续的模拟驾车实验的真实性、可靠 性。实现了实验室条件下对真实驾驶环境的模拟，为驾驶疲劳规律和模式的研究 创造了良好的条件。 图2 7 模拟驾驶舱外观及驾驶场景 有了模拟驾驶舱的基础，接下来的工作就是疲劳评测系统的构建，我们所设 计的驾驶疲劳评测系统的总体目标是： 在模拟驾车中，全程同步记录驾驶员的各项驾驶参数( 包括车速、方向盘转 角等) ，同时采集被试的心电、脑电等生理电信号，跟踪被试的面部视频图像和 车辆行驶轨迹视频，并在驾车过程中，分段对被试进行主观疲劳测评和包含反应 力或注意力的心理疲劳测试。 整个系统可以分为以下五个模块。 1 驾驶操控参数采集功能模块 此模块主要由模拟驾驶舱、驾驶舱p c 主机及其它配套设施组成。实现了在 实验室条件下模拟驾驶环境，并能够提供各项驾驶参数。 2 生理参数采集功能模块 此模块主要由数据采集卡( a d 转换板) ，脑电采集模块，心屯采集模块， 眼电采集模块等组成。实现对被测试者生理参数的实时采集。 3 心理参数铡试功能模块 此模块主要由测试软件、p c 机、喇叭等组成。实现了在测试过程中对驾驶 员对外界信号的反应力和注意力的测试。 4 主观疲劳测试功能模块 此模块主要由包括主观疲劳表在内的各种用于自我评定疲劳感受的表格组 1 0 中固科学技术人学硕i ：学位论文第2 荜摹于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的槊构 成。实现了在测试过程中对驾驶的主观评测。 5 视频监控功能模块 此模块主要由视频采集卡，c c d 摄象头等组成。实现了在驾驶实验过程中 对驾驶员面部及对车辆路面行驶轨迹的视频监控。 各功能模块可以独立的实现各自功能，互不影响。因此，在不同的实验条件 下，可以选择全部或部分功能模块，满足不同的需求。 j 模拟驾驶舱，： ，p1u、 陲； 孳； 毫参：主0 攀 ? 理，-：现一 i 麓i 二参：；：疲i 毫 数。j 巍? ：瓣i；测 j 武：i - i i 後： j 横j；模j ，块，：i 笱毫ji 觏j lilll 誊 一 ： 。l 0 | 灞； 璐一。 j 面， ，速 ：脑： ? 反， | 孝：j + 电： ，j ? 。瓤i i i 旁注，7 向 心 京= 盎 电，j 赴i ? 图2 8 模拟驾驶评测系统总体架构 2 2 2 各模块的介绍及相关的软件编写 1 驾驶操控参数采集功能模块 驾驶操控参数提取与记录功能模块主要由驾驶舱各操控装置传感器、驾驶舱 p c 主机、p c 机等组成。该功能模块实现了对实验中驾驶员驾驶参数的采集和记 录，包括方向盘转向和转角、油门、刹车、档位、离合、车速等。 中周科学技术大学硕j ：学位论文第2 章蟮j 二驾驶瞳舱的疲劳实验评测系统的架构 实验系统中的各传感器都由三联公司提供并安装于模拟驾驶舱中。驾驶参数 可以在模拟驾驶操作界面下显示。 图2 9 模拟驾驶软件主界面 驾驶参数的提取和记录则是通过串口输出实现的，由于模拟驾驶舱p c 主机 的唯一串口已用来与主功能板进行通讯，我们就使用一根u s b 转串口线和一根 公公串口线实现了驾驶舱p c 主机与p c 机的通讯，达到驾驶参数的提取与记录 的目的。 我们编写了驾驶参数采集( 串口通讯) 程序，实现对驾驶参数的采集和记录， 数据由驾驶舱p c 主机的串口输出，在p c 机端接收。我们在接收端顺序读取数据， 并把数据保存在文本文件中。数据内容由每一秒一组的七个字节信息构成，包括 方向盘方向和转角、档位、油门、离合、刹车、车速。我们在后续的工作中再对 这些信息分类进行分析。 通讯数据内容： 方向盘方向及数据( 2 个字节) ； 油门( 8 位) ；4 离合( 8 位) ： 1 2 中固科学技术人学硕f ：学位论文第2 章单卡钙驶鹾眙的疲劳实验评溯系统的架构 刹车( 8 位) ： 档位( 8 位) ： 车速( 8 位) ： 每l s 上位机下传7 个字节 图2 1 0 驾驶参数采集( 串口通讯) 程序界面 2 生理参数采集功能模块 生理参数采集功能模块主要实现对驾驶员在驾驶实验过程中的生理参数，包 括脑电、心电、眼电等数据的测量和记录，是驾驶疲劳评测系统的重要功能模块。 它主要由电生理信号放大通道、a d 转换板、配套电极( 电极帽) 、屏蔽线等组 成。 采集信号的导联方式可有多种选择，我们采用的是标准e i n t h o v e r 导联输入 方式( 单路双极肢导测量) ，生理参数采集程序主要实现对生理参数的采集，包 括一路心电，两路脑电，一路眼电。程序主界面如图3 1i 所示。采用i 0 方式， 采样频率和采样点数可调，可实现多路循环采集。 中国科学技术大学硕士学位论文第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的槊构 图2 1 1 电生理放大通道集成板 图2 1 2 单导心电采集连接图 图2 1 3 生理参数采集程序主界面 1 4 u o ， = 中国科学技术大学硕l ：学位论文第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的架构 3 心理参数测试功能模块 这个功能模块的主要作用是用反应力或注意力测试软件测试驾驶员在驾驶 实验i i 后反应判断的变化情况。 此功能模块主要由心理测试软件、键盘或手柄、p c 机、喇叭等组成。 测试软件在驾驶实验前后分别对驾驶员进行测试，测试的结果可用来分析疲 劳对心理的影响程度。 在驾驶实验过程中通过产生一组随机图像或声音信号，要求驾驶员根据不同 的信号在输入端敲打相应不同的键，来完成对不同指令的相应，以此来衡量驾驶 员对外界信号的反应判断能力。反应测试数据包括反应的时间和判断的正确性。 注意力判断测试数据包括在一定时间内的成绩。 图2 1 4 复杂视觉反应测试图2 1 5 听觉反应测试 图2 1 6 速度知觉判断测试 中国科学技术大学硕 。学位论文 第2 章基于驾驶座舱的疲劳实验评测系统的架构 4 主观疲劳测试功能模块 这个功能模块主要的作用是实现驾驶员在驾车前后对自我疲劳感觉的评测， 包括疲劳度、瞌睡度以及身体的不适等。可以采用国外常见的斯坦福睡眠尺度表 ( s s s ) 和r s m e ( r a t i n gs c a l em e n t a le f f o r t ) 评测表等进行评定。也可以采用 描述身体各部位的状况变化的图表进行测试。本实验参照斯坦福睡眠尺度表，从 完全清醒到几乎睡着分为七个等级，驾驶员只需在接受测试时在表格上打勾即 可，这种评测操作简单，对任务完成无干扰、易被接受。 主观疲劳衰 等镳 主震疲劳搓述 l 定差潘醒 较请醒，能寨申注意，1 3 略育托懈， 圭意力下降 4 育卣疹黄t l e 袤 俘谗碡疆 比! i 多艘舅下自f $ 捧清醒 非甯疹带，姆柏下来 7授度霰葛下眺续 ：驶王现帝芎 ljj 6， 阶侈 1 ，3 4 6 7 9 1 0 l l 1 2 5 舰频监控功能模块 图2 1 7 主观疲劳评测标准 视频监控功能模块主要实现两个功能：一是对驾驶员身体状态的监控，即通 过一路对着驾驶员面部的视频将驾驶员在驾驶过程中的面部表情，主要是眨眼、 点头、打呵欠的情况等记录下来。二是对驾驶员操控性能的监控，主要是记录车 辆行驶的状态，通过一路对着正前方面的视频来实现。 1 6 中国科学技术太学砸 岸位论文第2 章基于驾驶座舱的硅劳实验评测系统的架构 我们的实验系统中用两个摄象头分别采集驾驶员面部情况和车辆行驶轨迹。 由u s b 接口连接到驾驶舱p c 主机和p c 机上，分别记录。同步性方面，由于疲劳 是某一个较长时日j 内的阶段性的评价，因此对检测的同步性要求不高，通过录象 时问标记就可以解决。视频图像分析是进行驾驶疲劳分析的有效手段之一，其非 接触式、器材简单，操作方便等特点更使其在随车实验和实际应用中成为主要技 术手段。 图2 1 8 视频监测车道偏移 本章简单介绍了基于驾驶舱的驾驶疲劳评测系统的架构，各模块的安装和调 试己准备就绪，可以说，实验平台已经搭建完毕。驾驶疲劳实验的硬件条件已经 成熟。接下来实验方法设计的工作迫在眉睫，正式的驾驶实验也即将启动。 中国科学技术大学硕t 学位论文第3 章基于驾驶座舱的驾车疲劳实验方法设计 第3 章基于驾驶座舱的驾车疲劳 实验方法设计 3 1 驾驶疲劳实验文献综述 3 1 1 影响驾驶疲劳的因素 疲劳是一种复杂的生理、心理现象，理论上难以作定量的准确描述，现象上 也因人而异。一般来说，疲劳由是一种超过负荷或延长时间的脑力或者体力劳动 引起的，这种需要是人体本身不能抵制的一种状态。人在疲劳时往往有一些身体 的征兆： 1 反应时间变慢。遇到紧急情况时，不能及时做出反应。随着睡觉时间的减 少，反应时间也会相应的延长，如4 0 小时不睡眠的话反应时间可能延长大于 5 0 ，在凌晨时，反应时间大约延长2 0 1 2 ”。 2 。注意力不能集中。长时间作同样的操作，容易分神，警惕性降低。 3 肌肉放松。眼皮下垂，甚至闭眼，同时手部和全身的肌肉收缩力减小。 4 信息处理的能力降低。大脑收集和处理信息的能力降低，短时间的记忆能 力降低，操作变慢。 驾驶员对此都有自我觉察的能力。既然如此，为什么还会产生由于驾驶疲劳 而导致的交通事故呢? 这除了存在侥幸心理和动机的影响之外，可能与过度疲劳 产生了心理反应迟钝和在极度疲劳时驾驶员无法控制自己等因素有关 h a t t o r i 2 2 1 认为：驾驶员在较长时间的驾驶过程中，其疲劳程度可以分成三种 水平： 1 清醒阶段，这时驾驶员基本没有疲劳。2 有一点疲劳阶段，这时驾驶员 感到非常困，从而减少了对安全的注意，眼光是随意的飘动而不是注意特别的点， 汽车不是随着路况的不同而改变速度，而是保持恒定不变。3 高度疲劳阶段，这 时驾驶员意识水平非常低，眨眼也急剧减少，驾驶操作也比第二阶段显得更加不 慌不忙，但是驾驶员对汽车的控制极其困难，他们会之字型驾车，并且他们所驾 驶的汽车往往会横过道路的中线，甚至会冲出路面。疲劳驾驶所产生的交通事故 1 3 中国科学技术大学硕 ：学位论文第3 章基于驾驶座舱的驾车疲劳实验方法设计 往往比较严重，典型的表现是：正面相撞、汽车冲出路面，碰撞前没有紧急刹车 的痕迹。说明在疲劳的时候，驾驶员不能及时回避瞬间出现的意外情况。 疲劳包括生理疲劳和心理疲劳。生理疲劳主要发生在人的行动器官环节，中 枢神经系统对行动器官发出操作指令，然后由行动器官对汽车操作部进行操作， 中间涉及人的肢体动作。在各种操作中，手部转向操作和脚部脚踏操作是生理疲 劳的主要疲劳源。而心理疲劳在整个信息传递过程中占主要位置，中枢神经系统 必须不断处理持续涌入的大量信息，这些信息主要来自于周围环境，中枢神经系 统对这些信息作出处理后，对人体发出指令信息，整个接受分析处理过程反复 进行，逐渐引起驾驶员的心理疲劳。 导致驾驶疲劳的原因很多，主要可分为以下几方面： 1 工作模式引起的疲劳： ( 1 ) 长时间连续驾驶。持续或者延长时间的工作都是产生疲劳的一个重要原 因，在驾驶的过程中，疲劳程度逐渐加深。一个健康的驾驶员如果一天连续行车 8 小时，即使途中饮食正常并有短暂休息，也会出现暂时性疲劳】。对于一些特 殊职业的人，可能必须昼夜加班或者持续的长时间工作，比如飞行员和汽车驾驶 员等，需要长时间精力高度集中的工作。 ( 2 ) 不同时段的作用。受生理节律的支配，在一天2 4 小时内，人的精力、工 作效率和疲劳程度等是有规律变化的。一般来说，大多数人在凌晨( 2 ：0 0 - 6 ：0 0 ) 、 和午后( 1 4 ：0 0 1 6 ：0 0 ) 的一段时间最容易瞌睡，身心状态最疲劳嗍。因此，驾驶 员在这些时段出车，会降低驾车安全。据文献记载，驾驶员的困倦程度在不同时 段比较，凌晨2 点是上午1 0 点的5 0 倍，下午1 5 1 6 点是上午1 0 点的3 倍t 2 5 】。 2 导致疲劳的睡眠因素： ( 1 ) 睡眠不足。人在正常情况下，每昼夜需要约8 小时的睡眠，实验证明每 晚睡眠少于4 小时，人的肌肉反应速度、警惕性就会降低。 ( 2 ) 睡眠质量。睡眠方面的疾病是影响睡眠质量的重要原因，睡眠呼吸暂停 综合症是一种发病率很高的疾病，这种疾病的特征是在床上睡眠的总时间很长， 甚至比证常人的睡眠时间长，但是，由于在睡眠过程中有呼吸暂停，因此易被憋 醒，所以在睡眠过程中，深睡期( 睡眠分期中的3 、4 期睡眠) 很短，大脑和肌 肉不能得到充分的恢复。因此，在白天的工作中表现为嗜睡，这种病人驾车是十 1 9 中固科学技术人学硕i ：学位论文第3 章摹十驾驶座舱的审口车疲劳实验方法设计 分危险的。 3 加速疲劳的环境因素： 驾驶员的疲劳过程与驾驶员在行驶过程中所接受的信息量大小有关，当信息 过多( 交通状况复杂时) ，会使驾驶员的心理活动过度紧张而导致疲劳过早出现； 反之，若信息量不足，会使驾驶员的心理活动强度下降，因长时间单调操作，使 驾驶员更快地感到疲乏。导致驾驶员在道路交通状况突然发生变化时，心里准备 不足，来不及应付。例如驾驶员在高速公路上长距离直行时容易犯困就是这个道 理，因此高速公路在路形设计上有时有意识的要增加一些弯道或道路标志，其目 的就是为了使驾驶员在行车中有合适的信息量。 下列因素会加速驾驶员的疲劳过程：座位不舒适、路面状况条件差、驾驶室 内温度偏高或偏低、湿度不理想、驾驶室内有汽油蒸气味或废气、昼夜昏暗时道 路光照度差和能见度低、噪声和振动等。 4 个体差异引起的疲劳： 如年龄是一个影响因素，年龄在2 6 岁以下比年龄在2 6 岁以上更容易产生疲 劳，它们具有统计上的显著性差异。此外，驾龄、性别、身体素质、精神压力、 受教育程度等等因素都会对疲劳有不同的影响。 。， 喜硅嚣技，j 吁吃7 i ： 量惦凡l i l j 自舒盹 屹l 凡箍，辩舒鳅 一 i 帅，年i 螂雄 l 神，彳l 神6 午i 辨s 年i o * 单 图3 1 合宁高速公路交通事故资料不同时段与交通事故的关系( 9 5 - , 9 6 年) 图3 2 驾驶时间长度和车速控制关系表 中国科学技术大学硕卜学位论文第3 章摹于驾驶座舱的驾车疲劳实验方法设计 ( a s e s 、a 舶e 蕊 图3 3 引起疲劳的原因和疲劳的表现 3 1 2 模拟驾驶疲劳实验方法介绍 驾驶疲劳仿真实验是本课题的重要组成部分，是对驾驶疲劳的相关理论的实 践和探索。采用模拟驾驶舱进行驾驶仿真实验，分析导致疲劳的典型因素，对驾 驶疲劳进行评测和预警研究，是目前国内外普遍采用的一种研究方法，对驾驶疲 劳产生机理的探讨和疲劳警示方法的研究有重要作用。同时通过仿真实验，解决 了在随车条件下难以实现对驾驶员生理心理参数的采集的难题，使得对于采集到 的各项数据的后续分析可以和驾驶员的驾驶