毕业设计（论文）-疲劳驾驶监测系统设计

疲劳驾驶监测系统设计 摘要： 本设计首先介绍了国内外现有的疲劳驾驶检测方法，总结其中经验，进行自己的创新设计，在设计过程中，我选择了三个参数，分别是驾驶员对方向盘的使用次数、方向盘的受力情况和方向盘转角变化频率。通过这三个参数，判断驾驶员是否疲劳驾驶。使用的检测手段就是传感器的使用，分别选用的传感器名称是光电传感器、压力传感器和角位移传感器。这三个传感器可以有效的检测自己的数据。从而完成本次设计。 关键词：实时监控、车辆、传感器、应用、数据 全套图 纸加扣 3346389411或3012250582 driving fatigue monitoring system design Abstract： This design first introduced the existing fatigue driving detection methods both at home and abroad, summed up the experience, to design their own innovation, in the process of design, I chose three parameters, respectively is the pilot run times, the force of the steering wheel to the steering wheel and steering wheel Angle change frequency. Through these three parameters, determine whether the driver fatigue driving. Using the examination method is the use of sensors, respectively chosen name of sensors is a photoelectric sensor, pressure sensor and angular displacement sensor. The three sensor can effectively detect their own data. To complete the set Key words： Real-time monitoring, vehicle, sensor, application, data目录引言：11绪论21.1选题背景和研究目的21.2国内外的研究现状和发展趋势31.2.1疲劳驾驶的监测方法31.2.2国外的研究进展41.2.3国内的研究现状82监测系统简介与方法122.1驾驶员疲劳状态监测方法122.1.1 基于驾驶人生理信号的检测方法122.1.2 基于驾驶人生理反应特征的检测方法132.1.3 基于驾驶人操作行为的检测方法132.1.4 基于车辆行驶轨迹的检测方法142.2本毕业设计所采用的检测方法简介142.2.1车辆的监测143方向盘使用次数的监测163.1光电式传感器163.1.1原理163.1.2工作原理163.1.3特长173.1.4应用183.1.5传感器的型号的确定204方向盘受力情况的检测224.1半导体压电阻型传感器22I4.2工作原理224.3使用原则234.3.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型234.3.2灵敏度的选择234.3.3频率响应特性234.3.4线性范围244.3.5稳定性244.3.6精度244.4应变特点254.5应用264.6传感器的选择275方向盘转角频率的检测295.1原理295.2特点305.3技术参数305.4应用306控制电路及程序的设计336.1电路图336.2程序图347本课程设计的总结与展望357.1总结357.2展望35参考文献36致谢：38II 引言：疲劳驾驶是当今交通安全的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据表明，在2007 年至2008 年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交通肇事总死亡人数的11.35% 、10.91% 和12.5%， 大约每年有9000 人死于疲劳驾驶。因此，研究开发高性能的驾驶人疲劳状态实时监测及预警技术，对改善我国交通安全状况意义重大。随着社会经济的发展，商用长途货物运输车越来越多，随着人们生活水平提高，私家轿车数量与日俱增。为满足人们生活工作需要，长途汽车运输得到飞速发展，各地高速公路的筹建，驾车旅游路线的开设，代驾公司的建立，这些都促使汽车用户大幅度增加，汽车成为每家每户外出首选的交通方式。据国家统计局发布的报告显示，2008年全国轿车保有量达2438万辆，其中私人轿车1947万辆，相当于每百人拥有1.5辆轿车，是世界平均水平的1/8。尽管如此，在沿海发达城市汽车保有量不亚于发达国家，据温州市城调队最新调查显示，截至2009年第一季度末，温州市区每百户居民家庭拥有家用汽车24.3辆，这个数量比世界平均水平高出一大节。我国人均汽车拥有量增长很快，汽车使用量增加，由此引发的交通安全问题是影响我国乃至全球和谐发展的严重问题。随着交通运输业的发展，道路交通伤害已日益成为威胁人类生命安全的一种世界性公害。全球每年约有120万人死于道路交通伤害，同时大约有5000万人受伤。在我国，每年因道路交通伤害死亡的人数居世界首位，而且以每年10的速度递增。注意力不集中是许多司机经常遇到的一个问题，它比较常发生在长时间驾驶，或者身体不适处于疲惫状态下驾驶。疲劳驾驶的特征为反应迟钝、动作不灵敏、精力不集中甚至打瞌睡，由此，注意力分散的司机对驾驶环境的识别缓慢，产生相应驾驶操作需要较长的时间，这样带来较高的行车危险性。防疲劳安全驾驶系统设计的设计旨在使注意力分散驾驶的司机能随时通过系统发觉自己的驾驶状态，通过此系统刺激驾驶员集中注意力，若使用在客车上还可以让乘客对司机进行监督，从而保障行车安全，减小由于注意力分散产生交通事故的可能性。这也为人类生命财产安全提供了有力保障，降低道路伤害对国家社会经济造成的损害。自主创新是当今社会的另一大主题。防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐刺激司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。第 37 页 共 41 页1绪 论11选题背景和研究目的近年来，随着社会经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高，我国的汽车数量正逐年增多。汽车已经成为人们日常生活中的一种重要的交通工具。汽车的普及，一方面极大地方便人们的出行，提高了人们的生活质量；另一方面，也产生了环境污染、道路拥挤、交通事故增多等诸多问题。据有关部门统计，我国目前拥有全世界1.9的汽车，而引发的交通事故却占了全球的15左右，每年在交通事故中丧生的人数超过lO万人。可见，交通事故给人的生命财产安全和社会治安稳定造成了极大的威胁，成为我国一个不容忽视的社会问题。导致交通事故发生的原因是多方面的。客观原因有车辆性能存在隐患、道路设施不合理和维护不完善等。主观原因包括驾驶员酒后驾车、违章超载超速、疲劳驾驶；行人乱闯红绿灯、乱穿马路等。2006年，全国共查处各类交通违法违规行为约13亿人次，其中，酒后驾车65万人次，违章超载超速1600万人次，疲劳驾驶20万人次。据公安部交通管理局统计，仅2007年1月至2月，全国共发生交通事故83334起，造成16582人死亡。其中，因疲劳驾驶导致的死亡人数达381人。可见，疲劳驾驶的危害极大。疲劳是由于体力或脑力劳动使人产生的生理机能和心理机能失调的现象，疲劳驾驶指司机在疲劳状态下驾驶机动车辆的行为，主要表现为：哈欠连天、频频点头、眼睑下垂甚至闭合、老打瞌睡、注意力无法集中、思维能力和判断力下降、动作迟缓、反应迟钝、驾驶车辆左摇右摆、失去方向、车速随意变换等。由于疲劳会极大地影响人的判断力和行为能力，因此，处于疲劳状态的司机往往难以集中注意力、反应迟缓，在驾驶过程中经常打瞌睡、甚至睡着了，从而无法正常驾驶，极易发生撞车、冲出路面等交通事故。专家表明，司机过度疲劳时发生事故的可能性是正常驾驶时的3-4倍。目前，疲劳驾驶已成为导致交通事故发生的一个重要原因。在美国，每年发生的200万交通事故中，由于疲劳驾驶和因疲劳导致的注意力不集中所致的车祸超过100万起，损失高达125万美元。在德国，约有25的交通事故是因为疲劳驾驶所造成的。我国的交通事故中，有15-20的交通事故是由于司机疲劳驾驶而引发的。由此可见，研究驾驶员疲劳驾驶实时监测系统具有非常广阔的应用前景，它对于预防由于疲劳驾驶所引起的交通事故具有重要的意义，是目前交通事故预防的一个热门课题。12国内外的研究现状和发展趋势121疲劳驾驶的监测方法目前，国内外关于疲劳驾驶的监测方法和装置主要分为三类如表1-1所示： 表1.1 疲劳驾驶检测方法 种类主要方法驾驶员的个体特征瞳孔直径、眼睛特征、头部位移车辆的参数方向盘的运动情况、车辆的行驶方向驾驶员的生理信号脑电信号EEG、心电信号EGG、肌电信号EiG第一种是通过监测驾驶员的生理信号来评价驾驶员的疲劳状态，其中，主要的生理信号有：脑电信号EEG、心电信号EGG、肌电信号EMG。脑电信号是人体重要的一种生理信号，被誉为监测人体疲劳的“金标准。 脑电波根据频率和振幅的不同可分为Q波、13波、0波和8波。当人处于清醒状态时，脑电波中的Q波和13波占主导地位；当人处于疲劳状态时，脑电波中的Q波和13波会逐渐减弱乃至消失，同时，0波和8波出现并随疲劳程度的增加而不断增强。可见，通过监测脑电波的主导节律，我们可以客观准确地判断出驾驶员的疲劳程度。心电指标也是判断驾驶疲劳的一种重要的生理指标，它包括心率指标和心率变异指标二种。研究发现，在心电信号的七项时域和频域指标中，有四项指标与疲劳程度有明显的相关性。心电信号具有简单易行、可随身携带等优点，而且随着检测手段和分析技术的不断发展，今后可实现动态检测和实时处理。另外，通过监测肌电信号的幅值与频率的变化也可以客观地评价驾驶员的疲劳状态。在肌电图中，肌电信号的幅值大小与疲劳程度成正比，其频率也随着机体疲劳的产生和疲劳程度的加深而逐渐地下降。第二种是通过监测驾驶员的个体特征来评价驾驶员的疲劳状态，其中，个体特征主要包括：瞳孔直径、眼睛特征、头部位移。相关的监测方法和装置主要有瞳孔测量计、眼动信号PERCLOS和头部位移传感器三种。实验表明，人在清醒时，瞳孔直径保持相对稳定，而在瞌睡时，瞳孔会缩小。因此，瞳孔直径的变化可作为判断驾驶员疲劳驾驶的一种评价标准。瞳孔测量计则通过测量瞳孔直径随时间的变化，用得出睁、闭眼的参数来判断驾驶员是否疲劳驾驶16。眼睛特征主要有眨眼频率、闭眼时间长度、眼睛闭合程度等。一般情况下，人们正常眨眼时的眼睛闭合时间为02-03秒，当眼睛闭合时间超过05秒时则很容易发生交通事故。因此，通过对眼睛闭合时间、眨眼频率等眼睛特征进行监测，可以判断驾驶员是否疲劳。眼动信号PERCLOS是PercentEyelid Closure的英文缩写，即“眼睛闭合时间占特定时间的百分率，它是根据人在疲劳打瞌睡时眼睑眨动频繁且眼睛闭合时间较长的特点，通过记录并分析驾驶员的眨眼频率和眨眼周期来判断其是否疲劳驾驶，这种方法已通过美国联邦公路管理局论证，是一种比较可靠和成熟的测评方法。一般，当人们打瞌睡时，其头部往往会频频点头，因此，点头的动作与打瞌睡也有极大的相关性。头部位移传感器则是根据人在打瞌睡时会频频点头的特点，利用头部的位移变化情况来判断驾驶员是否疲劳驾驶。第三种是通过监测车辆的参数来评价驾驶员疲劳状态，主要的车辆参数有：方向盘运动情况、车辆行驶方向等。由于当驾驶员感到疲劳时，其反应变慢，操作方向盘的动作也会减缓，与正常驾驶有很大的区别，因此方向盘是否正常运动可作为评价驾驶员疲劳驾驶的一个标准。疲劳时，驾驶员由于注意力分散、反应迟钝，车辆极易偏离车道，失去方向。可见，通过监测车辆的行驶方向亦可判断出驾驶员是否疲劳驾驶91。122国外的研究进展国外关于疲劳驾驶监测系统的研究有很多，下表列举了一些比较有代表性的疲劳驾驶监测装置。其中，美国明尼苏达大学的驾驶员眼睛追踪和定位系统通过在车内安装的红外线摄像头实时采集的驾驶员脸部图像，然后将图像经滤波等图像处理后，用灰度模板匹配法搜索、定位眼睛区域并确定眼睛的睁合状态，最后根据眼睛的睁合状态来判断驾驶员是否疲劳驾驶。AdvancedSafetyConcepts公司研制开发的头部位置传感器根据人在打瞌睡时会频频点头的特点，通过测量驾驶员头部位置的变化来判断驾驶员是否在打瞌睡。该装置主要通过设计、安装在驾驶员座位上方的一个电容传感器阵列来精确地定位出驾驶员的头部位置，然后，通过对头部位置的实时跟踪，根据头部位置的变化情况来判断驾驶员是否疲劳打瞌睡。表1.2 国外的一些疲劳驾驶监测装置国家研究机构疲劳驾驶监测装置美国明尼苏达大学驾驶员眼睛跟踪和定位系统Advanced SafetyConcepts公司头部位置传感器AssistWare Technology公司SafeTRAC Electronic SafetyProducts公司方向盘监视装置SAMAttention Technologies 公司DriverFatigueMonito（DD850）Digital Installations S.A.M.疲劳报警装置Ellison研究实验室DAS2000型路面警告系统瑞典沃尔沃汽车公司驾驶员警示系统澳大利亚OuterspaceDesign公司Optalert疲劳驾驶警报系统希腊科技研究和发展中心疲劳驾驶警示系统英国ASTiD (Advisory System for Tired Drivers) Driver Alert 装置欧盟AWAKE 项目ElectronicSafetyProducts公司开发的方向盘监视装置SAM则是通过监测方向盘是否非正常运动来判断驾驶员是否疲劳驾驶。SAM(Steering AttentionMonitor)是一种能够监测方向盘非正常运动的传感器装置，当方向盘作非正常运动(如：一直左转，或一直右转)超过4秒时，SAM就会发出警报，提醒驾驶员。Ellison研究实验室研制的DAS2000型路面警告系统是一种设置在公路上用计算机控制的红外线监测装置，它通过监测车辆的行驶方向是否正常来判断驾驶员是否疲劳驾驶。当车辆偏离道路中线太远、将要冲出路面时，该装置会向驾驶员发出警告。瑞典沃尔沃汽车公司最近推出的“驾驶员警示系统”通过实时监测车辆的行驶过程，记录并分析司机的驾驶行为，判断车辆是否处于有效控制状态，从而能够主动地预防安全事故的发生。一旦系统发现车辆处于失效控制状态时，就及时地予以警示Il习。澳大利亚OuterspaccDesign公司的Optalert疲劳驾驶警报系统是通过检测司机的眼皮来判断他是否处于疲劳状态。希腊科技研究和发展中心的研究人员目前正研制一种疲劳驾驶警示系统，该装置通过在车内安装微型摄像头来计算司机眨眼的次数，通过在方向盘、座位和车顶部安装的感应器来检测司机手上的压力、汽车的行驶路线及与周围车辆的距离，并且将这些参数相融合，综合地评价司机是否疲劳驾驶。美国Attention Technologies 公司推出的Driver Fatigue Monitor（DD850） 是一款基于驾驶人生理反应特征的驾驶人疲劳监测预警产品，产品外形如图1所示。该产品通过红外摄像头采集驾驶人眼部信息，采用PERCLOS作为疲劳报警指标，可直接安装在仪表盘上，报警的敏感度和报警音量均可调节，目前已推广应用，但只有晚上才有效。 图1.1 Driver Fatigue Monitor 图1.2 S.A.M.疲劳报警装置美国Digital Installations 开发的S.A.M.疲劳报警装置利用置于方向盘下方的磁性条检测方向盘转角，如图2所示。如果一段时间内驾驶员没有对方向盘进行任何修正操作，则系统推断驾驶员进入疲劳状态，并触发报警。美国AssistWare Technology 公司的SafeTRAC 利用前置视频头对车道线进行识别，当车辆开始偏离车道时进行报警，该产品也可通过车道保持状态结合驾驶人的方向盘操作特性判断驾驶人的疲劳状态。图3为SafeTRAC 的产品外观和车道线识别界面。图1.3 SafeTRAC疲劳报警装置 (a)产品外观 (b)车道线识别界面英国的ASTiD (Advisory System for Tired Drivers) Driver Alert 装置综合考虑驾驶员的睡眠信息、已完成的驾驶时长和类型，以及驾驶员的方向盘操作等各种因素判断驾驶人疲劳状态。装置运行前需要驾驶员输入自己过去24小时的睡眠信息。当视觉报警到一定程度时，触发声音报警，建议驾驶员停车并休息。休息一段时间后，内置闹钟会叫醒驾驶员，并重置驾驶时间。产品外观如图4所示。图1.4 ASTiD 产品外观 图1.5 AWAKE 系统样车示意图 欧盟的AWAKE 项目对人眼生理反应信息、方向盘操作转角信息、方向盘转向力信息以及车道线信息进行了检测和记录，通过研究这些信息与疲劳之间的关系，利用信息融合技术实现驾驶人疲劳分级评价，采用声音、光照闪烁以及安全带振动等方式对疲劳实现预警，开发了驾驶人疲劳检测报警系统。该系统样车示意图如图5所示。除了上述这些产品之外，还有通过手腕运动检测疲劳的疲劳报警手镯和可挂在眼睛腿上的利用加速度运动信息检测头部运动的疲劳检测眼镜等其它一些疲劳检测预警产品。123国内的研究现状目前，国内在这方面的研究才刚刚开始，尚处于理论研究的阶段，已开发的相关产品极少。相关研究主要在大学等研究机构进行。现大体列表如下表1.3国内对于疲劳驾驶的研究情况中国首都师范大学机器视觉的嵌入式驾驶疲劳检测系统采用累积差分帧Hough变换等实时图像处理技术第四军医大学和航空医学研究所人眼的状态检测和头部运动做了一系列的实验，在利用基于视频的眼部生理特征判断驾驶人疲劳方面做了较为深入的研究深圳亿龙科技有限公司手表式TWS汽车驾驶疲劳预警系统北京第九趋势科技发展有限公司疲劳预警系统FWS系列产品清华大学和东南大学gogo850吉林大学人眼定位方法首都师范大学信息工程学院的韩相军、关永等人提出了一种采用累积差分帧Hough变换等实时图像处理技术进行检测和跟踪眼睛的方法，这种方法通过分析眼睛的状态和提取眼睛的特征参数，在一定时间内连续统计眼睛闭合时间，从而计算出PERCLOS值，判断驾驶员的疲劳状态。他们通过将这种眼睛检测和跟踪算法在专用的DSP上进行实验，设计和开发了一种用于监测疲劳驾驶的嵌入式系统。文献提出了一种利用图像差分和PERCLOS进行驾驶员疲劳识别的方法。这种方法通过采用灰度直方图、直方图均衡化等图像分析手段来定位和识别驾驶员眼睛是处于睁开还是闭合的状态。最后通过统计眼睛闭合时间判断驾驶员的疲劳程度。文献提出来的方法则是先对原始图像进行图像灰度化、几何校正、光照强度校正、去噪声和边缘检测等图像预处理，利用基于肤色模型的人脸检测技术来确定人脸的位置。然后用微积分联合投影算法分别定位出左右眼睛，通过Canny边缘检测双眼二值图像的平均高度来判断眼睛的开合程度，最后，也采用PERCLOS方法判断出驾驶员的疲劳状态。2006年3月深圳亿龙科技有限公司研制开发的手表式TWS汽车驾驶疲劳预警系统，通过监测人体的生物信息(如：红外光谱、心路脉搏、生物电等)来判断人的精神状态，当使用者进入疲劳状态时该系统会发出警告。北京第九趋势科技发展有限公司推出的疲劳预警系统FWS系列产品包括疲劳智能预警手表、眼镜、戒指和方向盘等，它通过检测皮肤电阻的微小变化或眼皮的活动情况来监测人体的“精神疲劳指数，从而判断驾驶员是否疲劳。但是，由于这些产品都是采用基于生物信息的技术，其可靠性和稳定性比较差，存在许多的不足，有待于进一步的研究和完善。首都师范大学在基于机器视觉的嵌入式驾驶疲劳检测系统方面进行了研究，在实验室环境实现了检测系统平台，但是在算法的效率、疲劳判定的实时性、准确性和鲁棒性上还有待进一步提高19。第四军医大学和航空医学研究所对人眼的状态检测和头部运动做了一系列的实验，在利用基于视频的眼部生理特征判断驾驶人疲劳方面做了较为深入的研究工作20。吉林大学对人眼定位方法进行了一些系统的研究21。综上所述，国内以上相关领域的研究主要集中在基于视频信号的驾驶人面部生理特征的研究方面，而且目前各种算法在识别精度、可靠性、实时性等基础性能方面尚存在问题，与国外相关研究相比存在较大差距。由清华大学和东南大学的几位博士组建的中国单片机公共实验室南京研发中心联合南京远驱科技有限公司研究出来的gogo850是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统，其原理和丰田十三代皇冠标配的瞌睡报警系统类似，主要检测驾驶员的眼睛开合情况，尤其增加了对瞳孔的识别，睁眼睡觉瞳孔很暗，即使有驾驶员睁眼睡觉也能被识别出，基于红外图像的处理使得产品在阳光下和黑暗里都能进行识别，系统还能对带各类眼镜的驾驶员进行识别，实用性很强。以清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为核心的团队承担了国家“十一五”863 研究课题，开展驾驶人疲劳状态监测及预警技术的研究，以开发具有高准确性和高可靠性的驾驶人疲劳及注意分散状态的实时监测技术，可适用于实际道路环境并实现全天候工作，降低因驾驶人疲劳驾驶或注意分散导致的交通事故。该技术以眼部生理反应特征为主，结合方向盘转角信息和车辆行驶轨迹等特征，充分利用不同信息之间的互补性和冗余性，通过信息融合提高对驾驶人状态判别结果的准确性与可靠性。可见，基于视频的疲劳驾驶实时监测系统的研究和开发具有非常重要的实用价值和意义。2监测系统简介与方法疲劳驾驶是当今交通安全的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据表明，在2007 年至2008 年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交通肇事总死亡人数的11.35% 、10.91% 和12.5%1-3， 大约每年有9000 人死于疲劳驾驶。因此，研究开发高性能的驾驶人疲劳状态实时监测及预警技术，对改善我国交通安全状况意义重大。2.1驾驶员疲劳状态监测方法关于驾驶人疲劳及注意分散等安全状态的监测预警技术，由于它在交通事故预防方面的发展前景而受到各国高度的重视，研究人员根据驾驶人疲劳时在生理和操作上的特征进行了多方面的研究，一些研究成果已形成产品并开始进入市场。驾驶人疲劳状态的检测方法可大致分为基于驾驶人生理信号、基于驾驶人生理反应特征、基于驾驶人操作行为和基于车辆状态信息的检测方法。2.1.1 基于驾驶人生理信号的检测方法针对疲劳的研究最早始于生理学。相关研究表明，驾驶人在疲劳状态下的生理指标会偏离正常状态的指标。因此可以通过驾驶员的生理指标来判断驾驶人是否进入疲劳状态。目前较为成熟的检测方法包括对驾驶人的脑电信号EEG、心电信号ECG等的测量。研究人员很早就已经发现EEG能够直接反映大脑的活动状态4。文献5中的研究发现在进入疲劳状态时，EEG中的delta 波和theta 波的活动会大幅度增长，而alpha波活动会有小幅增长。另一项研究6通过在模拟器和实车中监测EEG信号，试验结果表明EEG对于监测驾驶人疲劳是一种有效的方法。研究人员同时发现，EEG信号特征有很大的个人差异，如性别和性格等，同时也和人的心理活动相关很大7。ECG主要被用于驾驶负担的生理测量中。研究表明在驾驶人疲劳时ECG会明显的有规律的下降5,并且HRV （心率变化）和驾驶中的疲劳程度的变化有潜在的关系8。基于驾驶人生理信号的检测方法对疲劳判断的准确性较高，但生理信号需要采用接触式测量，且对个人依赖程度较大，在实际用于驾驶人疲劳监测时有很多的局限性，因此主要应用在实验阶段，作为实验的对照参数。2.1.2 基于驾驶人生理反应特征的检测方法基于驾驶人的生理反应特征的检测方法是指利用驾驶人的眼动特性、头部运动特性等推断驾驶人的疲劳状态。驾驶人眼球的运动和眨眼信息被认为是反映疲劳的重要特征10，眨眼幅度、眨眼频率和平均闭合时间都可直接用于检测疲劳11 。目前基于眼动机理研究驾驶疲劳的算法有很多种，广泛采用的算法包括PERCLOS，即将眼睑闭合时间占一段时间的百分比作为生理疲劳的测量指标1213 。利用面部识别技术定位眼睛、鼻尖和嘴角位置，将眼睛、鼻尖和嘴角位置结合起来，再根据对眼球的追踪可以获得驾驶人注意力方向，并判断驾驶人的注意力是否分散14。Philip W. Kithil 利用头部位置传感器检测驾驶人点头动作15，该传感器通过电容传感器阵列输出驾驶人头部距离每个传感器的位置,可实时跟踪头部的位置,根据头部位置的变化规律判定驾驶人是否瞌睡, 该研究发现点头的动作和瞌睡有非常好的相关性。基于驾驶人生理反应特征的检测方法一般采用非接触式测量，对疲劳状态的识别精度和实用性上都较好59。2.1.3 基于驾驶人操作行为的检测方法基于驾驶人操作行为的驾驶人疲劳状态识别技术，是指通过驾驶人的操作行为如方向盘操作等操作推断驾驶人疲劳状态。Yoshihiro Takei 利用FFT对监测到的驾驶人的方向盘操作数据进行处理，研究结果在一定程度上揭示了驾驶人的方向盘操作与疲劳之间的关系16。文献17的研究指出方向盘的操作是一种有效的驾驶疲劳的判断手段。Yabuta9开发的驾驶人防疲劳装置中也使用了方向盘操作信息。总体来说，目前利用驾驶人操作行为进行疲劳识别的深入研究成果较少。驾驶人的操作除了与疲劳状态有关外，还受到个人习惯、行驶速度、道路环境、操作技能的影响，车辆的行驶状态也与车辆特性、道路等很多环境因素有关，因此如何提高驾驶人状态的推测精度是此类间接测量技术的关键问题。2.1.4 基于车辆行驶轨迹的检测方法利用车辆行驶轨迹变化和车道线偏离等车辆行驶信息也可推测驾驶人的疲劳状态。这种方法和基于驾驶人操作行为的疲劳状态识别技术一样，都以车辆现有的装置为基础，不需添加过多的硬件设备，而且不会对驾驶人的正常驾驶造成干扰，因此具有很高的实用价值。日本三菱汽车公司开发了利用车辆横向位移量、驾驶人操作量等复合参数来识别驾驶人疲劳状态的方法，实验证明该方法的识别结果与利用驾驶人眨眼次数的识别结果基本一致18。日本庆应大学(2005) 中岛研究室利用EEG评价驾驶人的睡意，研究发现车辆的横向位移量、方向盘操作量可以用来作为驾驶人疲劳状态的评价指标，而且可以实现疲劳早期预警。2.2本毕业设计所采用的检测方法简介2.2.1车辆的监测本次设计是通过对方向盘的使用情况和受力情况和驾驶员的重心的检测来判断驾驶员的疲劳状况，其中分以下几种情况如表2.1，表2.1 检测参数汇总与分析方向盘的使用次数受力情况方向盘转角变化频率结果减少正常减小是减少正常正常否减少非正常减小是减少非正常正常警告正常正常减小否正常正常正常否正常非正常减小警告正常非正常正常否增多正常减小否增多正常正常否增多非正常减小是增多非正常正常是 3方向盘使用次数的监测3.1光电式传感器光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电测量时不与被测对象直接接触，属于非接触式测量。光束的质量又近似为零,在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。其缺点是在某些应用方面，光学器件和电子器件价格较贵，并且对测量的环境条件要求较高。 3.1.1原理 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关.光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电3.1.2工作原理光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。槽型光电传感器是把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。3.1.3特长检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等） 无法远距离检测。对检测物体的限制少由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定 在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。响应时间短光本身为高速，并且传感器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。分辨率高能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。可实现颜色判别通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。便于调整在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。3.1.4应用 图3.1 方向盘使用次数检测原理图分析：首先，汽车发动，整个电路系统通电，传感器开始工作。传感器固连在车上，挡片固定在方向盘轴上，当方向盘转动时，挡片也会随着方向盘转动，如图3.1所示，在车身上固定了两个传感器，原因就是当道路不是很平坦时，车轮会因为道路的不平导致轻微转动，从而带动方向盘轻微的转动，所以，为了避免这种情况的发生对检测数据的影响，该设计设计了两个传感器分别在挡片的两侧，允许方向盘在一定范围内转动，只有当转动程度过大时，无论向那个方向转动，挡片都会挡住传感器的光线，传感器就会产生信号并传出。这样就可以实现了对方向盘的转动次数的检测了。图3.2光电传感器数据处理程序图分析如图3.2，首先，汽车启动，所有电路系统通电，当汽车行驶后，传感器就会开始检测，每次检测到数据就会马上传给计数器，计数器记一次数，在固定的时间段内，计数器会把所检测到的数据传给数据存储仪，数据存储仪会把所存储的数据传给中央处理器，中央处理器分析统计数据，并且与之前的数据作比较，判断方向盘的使用情况是否正常，如果正常，该数据返回数据存储仪，作为下次统计的参数，如果不正常，中央处理器就会把不正常的信号传给总中央处理器，由总中央处理器判断是否疲劳驾驶。3.1.5传感器的型号的确定选定凹槽型微型光电传感器EESX974PC1，其原因如下；由于该传感器的作用只是检测方向盘是否转动了，还有，方向盘下的空间不是很大，所以，传感器的尺寸要尽量的小些，首先确定使用凹槽型传感器，凹槽的宽度也能太宽，选定5mm宽度，非变调光型，再确定紧密安装型的传感器，所以，现在就只有两种选择了，其一就是EESX974C1,其二就是EESX974PC1两者的区别就是，NPN输出和PNP输出的不同，pnp的导通压降小但反向耐压低npn相反; 1.如果输入一个高电平，而输出需要一个低电平时，首 选择npn。2.如果输入一个低电平，而输出需要一个低电平时，首选择pnp。3.如果输入一个低电平，而输出需要一个高电平时，首选npn。4.如果输入一个高电平，而输出需要一个高电平时，首选择pnp。npn基极高电压，极电极与发射极短路.低电压，极电极与发射极开路.也就是不工作。pnp基极高电压.极电极与发射极开路，也就是不工作。如果基极加低电位，集电极与发射极短路。所以要选择pnp型，从而确定EESX974PC1 4方向盘受力情况的检测4.1半导体压电阻型传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量轻，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。4.2工作原理半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：金属导体的电阻率（cm2/m）S导体的截面积（cm2）L导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。4.3使用原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。4.3.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。4.3.2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。4.3.3频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。4.3.4线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。4.3.5稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。4.3.6精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。4.4应变特点压力传感器的测量范围比电感式传感器大一倍，它不仅能检测金属目标，而且还能检测电介质，如纸、玻璃、木材和塑料等，甚至可以通过墙壁或纸壳进行检测。由于人体在低频下相当于电导体，因此也出现了用于人的颤抖测量和防盗报警。在测量构件应变时，直接将应变片黏贴在构件上即可，但若要测量力、压力、加速度等信号，应先将这些物理量转变成应变，然后用应变片测量，比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换过程的原件通常称为弹性原件，因此，应变式传感器通常由弹性敏感原件和应变计两部分构成。弹性敏感原件是传感器的核心部件，要求弹性原件弹性储能高，通常表示为弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器