基于动态时间阈值的驾驶员疲劳状态检测

杨泽　李进　刘洋洋

【摘 要】疲劳驾驶是引发交通事故的一个重要因素。因此，众多的研究人员致力于疲劳驾驶的研究。在不增加额外传感器的情况下，利用车载传感器检测驾驶员相关的操作动作，并提出一种基于动态时间阈值的驾驶员疲劳状态检测方法。

【关键词】疲劳驾驶；传感器；动态疲劳时间阈值

0 引言

每年，全世界死于交通事故的人数约为60万，直接经济损失125亿美元。这些灾难性事故中约57%与驾驶员疲劳驾驶有关根据文献[1]。我国每年因道路交通伤亡的总人数居世界首位，而且以每年10%的速度递增，疲劳驾驶所导致的交通事故也以相当快的速度递增。疲劳驾驶研究初期，研究的主要内容是分析驾驶疲劳产生的机理并采取措施防止其产生。随着信息时代的来临，传感器技术的应用深入到了科学研究的各个领域。

本文在不增加传感器及外部设施的前提下通过方向盘转角传感器、节气门位置传感器、车速传感器、制动灯。共同对驾驶员在驾驶车辆行驶于不同路况时反馈到传感器上的信号经过单片机综合处理来判断出驾驶员是否处于疲劳驾驶。

1 概述

1.1 疲劳驾驶产生的原因 [2]

驾驶疲劳产生原因主要如下：1）睡眠不足或睡眠时间不恰当；2）驾驶时间过长；3）道路条件不好；4）其他原因（如不合理汽车设计、不舒适的温度、光线和声音的干扰等）。

1.2 疲劳驾驶的特征[3]

1.2.1 怠倦，无力

对驾驶员来说，开始是肩部和腿部感到不适，接着就会蔓延到腰部乃至全身，致使全身乏力。感觉主动性减弱，驾驶能力下降，对操作缺乏信心，最后自己无法按照规程继续驾驶。

1.2.2 注意功能失调

随着疲劳的发展，注意力涣散，注意范围缩小，注意的分配和转移发生困难，经常丢失重要的交通信息。疲劳驾驶会引起注意稳定性下降，注意力分散，接收外界信息怠慢迟缓，视野逐渐变窄，漏看，错看信息的情况增多。

1.2.3 驾驶动作失调

换挡不灵活，动作不协调，油门操作不平稳。因此疲劳之后，动作准确性下降，有时发生反常反应。动作协调性也要受到破坏，动作节律失调，动作的自动化程度下降以致操作迟缓、生硬、不合时机，这在制动、转向方面表现最为明显。

1.2.4 反应时间显著增加

据国外研究，工作一天后，不同年龄的驾驶员对红色信号的反应时间都增长了，同时，对复杂刺激的选择反应时间也增长，有时甚至增长2倍以上。疲劳状态是一种不定量的状态，在不同时间、不同个体、不同情景下，疲劳产生的程度也不同。疲劳状态产生以后，驾驶员疲劳的心里表现形式，可以通过驾驶员的自我感觉或主观体验来反映，头脑不清晰，对外界事物思维判断力下降。

2 基于传感器的动态阈值疲劳检测

2.1 驾驶员动作定义

2.1.1 节气门位置传感器信号

驾驶员踩动油门踏板时节气门位置会发生变化。传感器检测到变化后产生信号。

2.1.2 方向盘转角传感器信号

驾驶员在转动方向盘时方向盘转角传感器会产生信号。

2.1.3 制动灯信号

驾驶员踩动制动踏板时汽车尾部的制动灯就会变亮，由制动灯开关输出高低电平信号。

2.2 传感器信号及说明

需要的车载传感器信号除了上面定义的三种驾驶员动作外，还有车速信号。即：①节气门位置传感器信号用于反映节气门的开度；②车速传感器信号用于反映车速的大小；③方向盘转角传感器信号用于表现汽车转向的幅度；④制动灯信号用于判别驾驶员是否有刹车动车。

2.3 基本原理

从上一个驾驶员动作（如上面定义）结束开始检测下一个驾驶员动作出现的时间，如果在设定的疲劳检测时间阈值内检测到任何一种驾驶员动作，则为正常驾驶；并从该驾驶员动作出现的时刻开始重新进行下一个驾驶员动作的检测。如果任何一种动作都没有检测到，则判定为疲劳驾驶。

对于转向盘转角动作，其疲劳检测时间阈值为动态的，具体确定方法如下：对于其他动作，其疲劳检测时间阈值为固定值，这里根据经验值取4s。例如，在某一车辆运行状况下，转向盘转角的动态阈值为4.5s，其他动作的时间阈值为4s，则如果在4.5s内检测到驾驶员转向动作，或者在4s内检测到除转向盘转角外的其他驾驶员动作，则判定为正常驾驶；如果在4.5s内未检测到驾驶员转向动作，同时在4s内未检测到除转向盘转角外的其他任何一种驾驶员动作，则判定为疲劳驾驶。

3 转向动作的动态阈值确定

3.1 直线行驶的时间阈值确定

汽车在不发生跑偏的情况下，方向盘的转角不超过其自由行程时汽车保持直线行驶。通常，驾驶员在行车过程中，需要不断对方向作出调整，即使在笔直的道路上行驶，也总是需要对方向盘做一些轻微的转动根据文献[4]。而根据驾驶疲劳的定义及其从生理表现上考虑，当驾驶员处于驾驶疲劳状态时会出现注意力不集中，操纵停顿等现象。因此通过监测方向盘的动作状态可以间接反映驾驶员是否处于疲劳状态。如果在经历一定时间内方向盘没有任何动作，就可以判断为动作疲劳，其时间阈值随汽车速度等级大小的变化而改变。车速等级分类及相应时间阈值如表1所示。

表1 车速等级分类及直线行驶下相应时间阈值

3.2 转向行驶的时间阈值确定

转向的时间阈值是指驾驶员在转向时转向动作维持不变的时间。汽车在弯道行驶时会方向盘会转到一个角度来维持汽车转向的动作，但是驾驶员在转向时也会不断调整方向盘转角维持汽车正常转弯和回正。转向运动下时间阈值根据车速等级（表1）和转角等级（表2）动态确定。其中，时间阈值等级分类如表3所示，时间阈值按表4确定。

4 控制系统的实现

控制系统工作原理如图1所示。通过传感器将汽车各部位的物理变化量转换为电信号。单片机通过对传感器电信号的采集，经过前述方法进行处理，判断出驾驶员是否处于疲劳驾驶状态。当判定为疲劳驾驶时，将控制信号传输到执行装置即转向盘震动器和蜂鸣器。

5 总结

利用汽车本身已有的传感器，提出一种基于动态时间阈值的驾驶员疲劳检测方法。其原理是根据一定时间长度内是否出现驾驶员动作判定驾驶员是否处于疲劳驾驶状态，且该时间长度根据汽车实时运行状态动态确定。该方法具有不增加额外传感器设备，且疲劳检测的关键阈值参数为动态变化的，故能够较好地适应车辆运行环境的变化。

【参考文献】

[1]孙伟，张为公，张小瑞，等.疲劳驾驶检测方法的研究进展[J].汽车技术，2009（2）：01-05.

[2]李贞，冯晓毅.基于传感器技术的驾驶疲劳检测方法综述[J].2006.

[3]马艳丽，裴玉龙.连续驾驶时间对驾驶特性测评指标的影响[J].中国公路学报，2009，1（22）：84-85.

[4]沈永增，胡立方，冯继秒.多源信息融合在驾驶疲劳检测中的应用[Z].2012.

[责任编辑：王伟平]