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。 |