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我國新的《道路交通法》中，為維護道路交通安全，也明文規定了對駕駛速度、連續駕駛時(shí)間等。國外一些交通運輸發(fā)達國家也制定這方面的國家統一法規。疲勞駕駛是公路汽車(chē)駕駛特別是高速公路上的“隱形殺手”，據相關(guān)統計，從交通事故的大量案例分析中得出的結論認為：開(kāi)車(chē)人因疲勞駕駛所造成的道路交通事故約占交通事故總數的20％。而疲勞駕駛在死亡交通事故的原因中卻占22％－30％，在死亡交通事故的原因中居首位，由此可想疲勞駕駛對道路交通安全的危害性。 除法規建設外，國內外的汽車(chē)廠(chǎng)商也設計出各種儀器設備用于疲勞駕駛監控，一種針對疲勞駕駛的紅外線(xiàn)眼球掃描儀在美國研制成功，這種眼球掃描儀外形如同一個(gè)小型攝像機，使用也很方便，只要把它安裝在儀表盤(pán)上，讓鏡頭對準司機，掃描儀就會(huì )連續發(fā)出紅外線(xiàn)信號來(lái)掃描司機眼球中的眼白部分，同時(shí)判斷出疲勞程度并發(fā)出“減速停車(chē)”、“休息一下”等警告信號。雷諾、尼桑等產(chǎn)業(yè)巨頭長(cháng)期研發(fā)克服疲勞駕駛一種監視系統,因理論技術(shù)應用缺陷仍無(wú)法商業(yè)推廣。日本豐田公司研制的疲勞報警裝置，只要駕駛員在操縱轉向盤(pán)時(shí)有一點(diǎn)遲鈍，或脈搏有一點(diǎn)異常變化，該裝置就能測出這些反應，并發(fā)出警告，令座墊振動(dòng)或自動(dòng)剎車(chē)。 日本東京大學(xué)研制出的疲勞測試器，可戴在司機的手腕上。該測試器內部裝有一小型氧氣電池電極，能測量司機汗液中的乳酸、氨和酒精含量，然后通過(guò)小型無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器把數據傳送到研究中心。研究中心通過(guò)電腦分析，判定司機的疲勞程度，及時(shí)向司機發(fā)出警告，避免交通事故的發(fā)生。國內也有可有效預防駕駛員違章駕駛、遏制重大交通事故的“汽車(chē)行駛記錄儀”通過(guò)鑒定的報道。 以上這些方法因這樣或那樣的問(wèn)題，達到實(shí)用都存在一定的困難。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展ARCHEAN.net版權所有，通過(guò)采用最先進(jìn)的測試技術(shù)，結合嵌入式計算機、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用，智能控制技術(shù)，對汽車(chē)疲勞駕駛狀態(tài)進(jìn)行監控，達到減少因疲勞駕駛造成的道路交通事故的目的。 一、 設計概述 本設計的目標是應用現代電子技術(shù)的最新發(fā)展成果，用Motorola公司為第五屆嵌入式微處理器“Freescale杯”提供的芯片和傳感器，設計基于MM908E625和Low-G的汽車(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控儀。 監控儀特性： 1．方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板多點(diǎn)監控。 2．加速度傳感器信號獨立處理，確保實(shí)時(shí)性。 3．LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制。 4．互動(dòng)平臺：駕駛路況選擇，更有利于控制系統監控。提供聲光、震動(dòng)報警提示。 5．大容量數據存儲和采集，大屏幕LCD顯示，異動(dòng)駕駛時(shí)間段數據查詢(xún)。 6．神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、模糊控制和專(zhuān)家系統。 汽車(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控儀的基本思路是當駕駛員正常駕駛、短距離駕駛、短時(shí)間駕駛時(shí)，沒(méi)有疲勞駕駛問(wèn)題，這時(shí)監控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進(jìn)行數據搜集，建立駕駛習慣數學(xué)模型，并根據不斷采集的數據進(jìn)行修正。 隨著(zhù)連續駕駛時(shí)間的增加，監控儀自動(dòng)進(jìn)入疲勞駕駛監控狀態(tài)，如果駕駛員有疲勞癥狀，必然會(huì )反映出與正常駕駛不同的偏差。如：突然急剎車(chē)的頻率增加、連續大油門(mén)時(shí)的方向盤(pán)突然轉向，油門(mén)踏板的平穩性變化等。結合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、模糊控制和專(zhuān)家系統，組成對駕駛員的駕駛狀態(tài)的監控，增加與駕駛員的互動(dòng)平臺，向駕駛員提出駕駛指示、報警等。本人已在自己的自動(dòng)波車(chē)上作過(guò)一些嘗試，并取得成果。 加速度傳感器Low-G分別被安裝在方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板上，由MCU/DSP嵌入式微處理器MM908E625對傳感器的信號進(jìn)行處理，并組成LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。 傳感器除了采用加速度傳感器Low-G外，還需要速度和位置傳感器。 二、硬件描述 1.硬件系統構成 系統主節點(diǎn)為嵌入式PC機，配置PIII處理器、觸摸屏提供交互式界面，主節點(diǎn)PC機完成數據庫的建立、更新，智能控制程序運行和對LIN子節點(diǎn)的通訊管理。交互式界面提供路段、路況、測控時(shí)間等選擇，對駕駛狀態(tài)的等級提示和報警等。 主節點(diǎn)經(jīng)過(guò)LIN接口板連接到四個(gè)LIN子節點(diǎn)，LIN子節點(diǎn)以MM908E625為核心，對加速度、發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)踏板位置等物理量進(jìn)行檢測和信號預處理，其中第一、二、三子節點(diǎn)對方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板加速度傳感器Low-G信號獨立處理。第四個(gè)LIN子節點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)踏板位置，發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速采用霍爾脈沖式傳感器，節氣門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置采用霍爾線(xiàn)性傳感器。 實(shí)驗表明：加速度信號更能反映汽車(chē)駕駛者在正常駕駛和疲勞駕駛時(shí)，對車(chē)輛的方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板這三個(gè)關(guān)鍵部件的操控效果的不同，正常駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)電壓±0.5V變化，而疲勞駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)電壓±1V變化，且加速度信號變化的頻度大于正常駕駛的情況。 第四個(gè)LIN子節點(diǎn)的測量信號作為模糊控制器的輸入限定條件。 硬件系統結構框圖如圖（1）所示： 圖（1）硬件系統結構框圖 2.加速度計LIN子節點(diǎn) (1).速度計LIN子節點(diǎn)原理圖（2）及加速度測量模塊圖（3）： 圖（2）LIN子節點(diǎn)原理圖圖（3）測量模塊 (2).加速度計LIN子節點(diǎn)的設計及結構安裝： MMA6260Q為XY雙軸向傳感器，為保證獲得較理想的加速度測量，加速度計設計成帶LIN接口，物理尺寸為5X5X2CM的測量模塊，直接安裝在油門(mén)開(kāi)度踏板、制動(dòng)踏板和方向轉軸上。油門(mén)開(kāi)度踏板和制動(dòng)踏板測量模塊垂直安裝，確保X軸方向可測量踏板的加速度信號，Y軸方向測量車(chē)輛運行中平均震動(dòng)信號。方向轉軸測量模塊水平安裝，確保XY軸方向可測量方向盤(pán)轉向的加速度信號。 3.傳感器簡(jiǎn)介 除用于加速度測量的Low-G外，還有以下傳感器。 節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度傳感器：節氣門(mén)由駕駛員操縱，直接反映駕駛員的控制意圖，因此是判斷發(fā)動(dòng)機工況的重要信號。節氣門(mén)位置傳感器安裝在節氣門(mén)軸的尾端，采用霍爾線(xiàn)性傳感器。經(jīng)傳感器信號調理板處理后，由LIN子節點(diǎn)測量模塊檢測搜企網(wǎng)，節氣門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，傳感器輸出電壓等于0V；節氣門(mén)完全打開(kāi)時(shí)，輸出電壓等于5V。當節氣門(mén)不斷開(kāi)大時(shí)，其輸出電壓隨之線(xiàn)形增加。 發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速傳感器：采用霍爾脈沖式。經(jīng)傳感器信號調理板脈沖整形電路處理之后，由主芯片的輸入捕捉口進(jìn)行脈沖捕捉。對應發(fā)動(dòng)機轉速1500rpm-8000rpm的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。對應車(chē)速60KM/h-180KM/h的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。 三、智能控制（模糊控制器）設計 汽車(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控的對象是相當復雜的系統控制問(wèn)題，是屬于多輸入－多輸出的模糊控制系統范疇。人的駕駛習慣，不同的路況，不同駕駛時(shí)段反映到對車(chē)輛的操控，會(huì )產(chǎn)生相當不同的汽車(chē)駕駛狀態(tài)。 各種對車(chē)輛的操控，作為輸入量，表現為節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度、制動(dòng)踏板的位置、發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速的變化、速度的變化（即加速度），方向盤(pán)轉向的角度和角加速度等。車(chē)輛在不同的路況下產(chǎn)生的震動(dòng)作為輸入量，也會(huì )影響到傳感器的測量，特別是對加速度傳感器的影響，對震動(dòng)信號由LIN子節點(diǎn)測量模塊按“平均震動(dòng)信號強度”在信號預處理程序中減弱或消除。作為輸出量，表現為對車(chē)輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣，分為“好”、“中”、“差”三個(gè)等級。在設計控制規則庫時(shí)，把多輸入－多輸出模糊控制結構化為多輸入－單輸出模糊控制結構，然后按單輸入－單輸出模糊控制系統的方法設計，實(shí)現多變量控制系統的模糊解耦。 實(shí)驗數據表明，疲勞駕駛階段，反映到汽車(chē)駕駛狀態(tài)上，表現為對節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度、制動(dòng)踏板和方向盤(pán)轉向的加速度信號的改變比正常駕駛時(shí)期的加速度信號的改變在信號的幅值和頻度有明顯的不同。本課題采用FreeScale的Low-G系列雙軸向加速度傳感器MMA6260Q，對所需的加速度信號能準確地、實(shí)時(shí)地采集，作為模糊控制器的輸入變量的一個(gè)重要參數。 本研究課題早期對疲勞駕駛的研究主要通過(guò)測量油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速的變化等參數，這些參數間接地、滯后地反映駕駛狀態(tài)的變化，這些參數可作為模糊控制器在各種不同駕駛狀態(tài)的限定條件，結合加速度的測量，建立模糊控制規則。 對應于油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和方向盤(pán)轉向軸三種類(lèi)型的變量建立三套模糊控制器模型，以下以油門(mén)開(kāi)度作為變量說(shuō)明模糊控制器的設計。 1．糊化過(guò)程 設油門(mén)開(kāi)度模糊控制的輸入量分別為油門(mén)開(kāi)度s，發(fā)動(dòng)機轉速n、車(chē)速v和油門(mén)開(kāi)度加速度a。將加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個(gè)等級（即五個(gè)模糊子集）�？刂破鞯妮敵鰹閷�(chē)輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣(以H表示)，分為“好GOOD”、“中MIDDLE”、“差BAD”三個(gè)等級。為了實(shí)現模糊化，確定油門(mén)開(kāi)度加速度a模糊子集的隸屬度函數如下圖（4）所示。為了按照一定的語(yǔ)言規則進(jìn)行模糊推理，確定輸出量即反映駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣的隸屬度函數如下圖（5）所示。 圖（4）加速度a隸屬度函數圖圖（5）駕駛狀態(tài)隸屬度函數圖 2．模糊控制規則的建立 對應于油門(mén)開(kāi)度模糊控制規則庫的建立，與油門(mén)開(kāi)度s，發(fā)動(dòng)機轉速n、車(chē)速v在不同的數值范圍的取值具有交互性和關(guān)聯(lián)性。規則庫的建立需要在程序運行中不斷搜集數據，通過(guò)自學(xué)習確定方法和模糊規則的自調整，在實(shí)驗過(guò)程中不斷修正和完善。 模糊控制規則重點(diǎn)處理影響車(chē)輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”的工作過(guò)程。其中，“差”駕駛狀態(tài)的規則對應于油門(mén)開(kāi)度s分為0，1，2－9共十段，發(fā)動(dòng)機轉速n分為1000rpn、1500rpn-5500rpm共十段,車(chē)速v分為60km/h、70km/h-150km/h共十段,和加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個(gè)等級，可歸納為有效控制規則八十六條規則。 模糊控制規則(L)公式：如果(IF)油門(mén)開(kāi)度s為x段[和(AND)]V[或(OR)]發(fā)動(dòng)機轉速n為y段[和(AND)]V[或(OR)]車(chē)速v為z段，且加速度為等級m，則（THEN）駕駛狀態(tài)為“S”。 3．精確化計算 對應于上述推理方法得到的結果，結合車(chē)輛正常駕駛時(shí)采集的數據建立的數據庫分析，對加速度等級出現的頻度，根據輸出模糊子集的隸屬度函數進(jìn)行精確化計算，確定車(chē)輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”，由交互界面提供操作提示和報警。 四、軟件描述 1.數據庫建立 駕駛狀態(tài)模糊控制器數據庫的建立和數據更新是本課題設計的重要部分SOOQ.cn版權所有，汽車(chē)正常駕駛時(shí)，系統設定為連續駕駛的前兩個(gè)小時(shí)為正常駕駛，在這段時(shí)間內監控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進(jìn)行數據搜集，按設定量化等級作數據的線(xiàn)性化量化，對應于油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和方向盤(pán)轉向軸三種類(lèi)型的變量的不同量綱，按比例因子對數據處理，依據模糊子集的隸屬度函數模糊化數據。 為了消除大的誤差，在量化級之間采用插值運算，引入權系數因子w(.)，對于任意一個(gè)連續的測量值通過(guò)相鄰的兩個(gè)離散的加權運算得到模糊度的值。在模糊化數據建立數據庫的基礎上，生成正常駕駛習慣數學(xué)模型，并根據不斷采集的數據進(jìn)行修正。隨著(zhù)連續駕駛時(shí)間的增加（大于兩個(gè)小時(shí)或采集數據的變化超出駕駛狀態(tài)監控指標），監控儀自動(dòng)進(jìn)入疲勞駕駛監控狀態(tài)。 2.軟件框圖 (1).PC機程序設計： PC機程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，完成數據庫的建立和維護、對LIN-BUS網(wǎng)絡(luò )的管理、模糊控制器算法和規則的運算、交互界面的輸入輸出控制。軟件框圖如圖（6）所示。 圖（6）PC機軟件框圖 (2).測量模塊程序設計： 測量模塊是以MM908E625單片機為核心的數據采集器，程序用CodeWarrior3.1CW-HC083.0設計，測量模塊軟件框圖如圖（7）所示。 圖（7）測量模塊軟件框圖 5 結論 智能控制技術(shù)應用于汽車(chē)疲勞駕駛監控課題是一個(gè)相當復雜和具有相當難度的研究方向，通過(guò)對LIN-BUS網(wǎng)絡(luò )的研究，以MM908E625、Low-G加速度傳感器和其他傳感器與嵌入式PC機建立起這樣一個(gè)硬件平臺，實(shí)現對汽車(chē)駕駛狀態(tài)在正常駕駛、短距離駕駛、短時(shí)間駕駛的數據庫的建立，規則庫數據的修正，疲勞駕駛狀態(tài)監控。對油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和方向盤(pán)轉向軸等三種主要影響駕駛狀態(tài)的因數，設計出模糊控制器，從理論和硬件實(shí)現兩方面做了有益的探討，雖然離實(shí)際應用和產(chǎn)業(yè)化有一定的距離，但是為進(jìn)一步完善該系統的設計打下了良好的基礎。 |
