基于頭部位置特征的疲勞駕駛檢測儀

　　針對目前嚴(yán)重的疲勞駕駛行為，研制了一種疲勞駕駛檢測裝置。在座椅頭枕上前方正對駕駛員頭部的位置安裝1個(gè)紅外線發(fā)射二極管和2個(gè)紅外線接收頭，由單片機(jī)控制紅外線發(fā)射的電流強(qiáng)度，同時(shí)檢測接收頭的信息就可以檢測頭部的相對位置。如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時(shí)間超過設(shè)定值，則輸出報(bào)警和制動(dòng)控制信號。在幾種典型車輛上對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的正確性和有效性，并能達(dá)到較高的測量精度。

　　1　檢測儀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　該檢測儀由單片機(jī)控制反射式紅外線傳感器對駕駛員頭部位置進(jìn)行檢測，通過檢測駕駛員在常規(guī)坐姿下的頭部與座椅頭枕的相對位置，自動(dòng)判斷駕駛員是否處在疲勞駕駛狀態(tài)中。

　　如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時(shí)間超過設(shè)定值，則輸出報(bào)警和制動(dòng)控制信號。檢測儀中的反射式紅外線傳感器由1個(gè)紅外線發(fā)射二極管和2個(gè)紅外線接收頭組成，紅外線發(fā)射二極管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的38 kHz紅外線光束，安裝在座椅頭枕上前方正對駕駛員頭部的位置，紅外線發(fā)射二極管放置在中間， 2個(gè)紅外線接收頭對稱放置在左右兩邊。

　　2　駕駛員頭部位置分析

　　在駕駛過程中，駕駛員正常和疲勞時(shí)其頭部位置是不同的，側(cè)視圖如圖1所示，圖1 （ a）表示駕駛員在正常駕駛汽車時(shí)其頭部位置與座椅頭枕有幾cm的較小距離，而不是完全靠緊頭枕，因?yàn)榭烤o頭枕駕駛眼睛會(huì)感覺很不舒服，不方便觀察距離汽車較近的道路情況。

　　圖1 （ b）表示駕駛員疲勞駕駛汽車時(shí)最常見的開車睡眠姿勢，也是駕駛員最初的疲勞睡眠姿勢，這時(shí)駕駛員頭部距離座椅頭枕一般大于15 cm,這種情況下應(yīng)及時(shí)報(bào)警，如果持續(xù)2 s就應(yīng)啟動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)剎車。但是短暫的其他非疲勞動(dòng)作，如探身操作儀表板上的開關(guān)、回頭觀察等短時(shí)動(dòng)作也有類似的距離變化，這時(shí)可以用時(shí)間來區(qū)別， 2 s以內(nèi)恢復(fù)正常位置的不作為疲勞駕駛判定。

　　圖1 （ c）表示駕駛員在有意識地短暫休息和閉上眼睛駕駛，但還沒有完全睡著時(shí)的姿勢，但這是完全睡著的前奏，其頭部位置緊靠座椅頭枕，距離為0,這種情況下應(yīng)該及時(shí)報(bào)警，發(fā)展下去就會(huì)演變成圖1 （ b）的情況。

圖1　駕駛員頭部位置側(cè)視圖

　　圖2為駕駛員頭部的俯視圖，其中圓形代表駕駛員的頭部，箭頭代表紅外線發(fā)射和反射的路線。圖2 （ a）為正常駕駛時(shí)駕駛員頭部與紅外線傳感器的相對位置示意圖，紅外線從中間的紅外線發(fā)射二極管發(fā)射出來到被駕駛員頭部反射回左右2個(gè)紅外線接收頭，所經(jīng)過的距離基本相等。

　　圖2 （ b）表示駕駛員疲勞后的頭部位置，是向左或右歪斜的情況，這與圖1 （ b）的典型位置有所不同，是一種中間過渡的疲勞形態(tài)，最終也會(huì)轉(zhuǎn)化到圖1 （ b）的位置，這時(shí)紅外線傳感器將檢測出左右不同的距離，也應(yīng)及時(shí)報(bào)警或輸出制動(dòng)信號。

　　圖2 （ c）表示駕駛員疲勞后頭部繼續(xù)偏移的位置，一側(cè)的紅外線接收頭已經(jīng)不能接收到被反射回來的紅外線了，在計(jì)算機(jī)程序中得到距離無限大的結(jié)果，這說明駕駛員疲勞程度進(jìn)一步增強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)報(bào)警或輸出制動(dòng)信號。

圖2　駕駛員頭部位置俯視圖

　　3　檢測儀的硬件設(shè)計(jì)

　　檢測儀的硬件電路圖如圖3所示，圖中LED為紅外線發(fā)射二極管， IC3、IC4 為紅外線接收頭，MCU 為ATmaga8 單片機(jī)。

圖3　檢測儀硬件電路

　　LED發(fā)射38 kHz的紅外線調(diào)制光束，經(jīng)駕駛員頭部反射后會(huì)照射到IC3、IC4的接收窗口， IC3、IC4對接收信號進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)放大處理后以高或低電平的方式送到單片機(jī)MCU的輸入口線，計(jì)算機(jī)程序?qū)⒖诰€的值送到內(nèi)存保存，供后面的程序作為判斷依據(jù)。

　　紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射的紅外線的有效檢測距離與通過紅外線發(fā)射二極管的電流是對應(yīng)的，紅外線發(fā)射二極管LED的電流由三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓決定，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓受計(jì)算機(jī)程序輸出的控制字控制。

　　控制字最大值是二進(jìn)制11111111d,此時(shí)R1 ～R8 全部接地， R12的綜合阻值最小，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout也最小， LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離也最小，適當(dāng)調(diào)整R1～R8 的數(shù)值，可以將LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離調(diào)整到1 cm左右。當(dāng)控制字最小值是二進(jìn)制00000000d,此時(shí)R1 ～R8 電阻全部懸浮， R12的綜合阻值就是R12 ,三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout最大，紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離也最大，適當(dāng)調(diào)整R12的數(shù)值，可以將紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離調(diào)整到20 cm左右。1～20 cm的有效檢測距離能夠滿足實(shí)際需要。