一种非接触式的多信息融合防酒驾装置设计

黄毓芯

(闽南理工学院电子与电气工程系,福建 石狮 362700)

1 发展现状

酒后驾车一直以来都是造成交通事故的主要原因之一。2018年新交规再次更新，针对酒驾行为制定了更严苛的细则，可见，有效地减少酒驾行为成为了社会的重要关注点之一。

目前，查处酒驾的主要手段依仍是依赖于警力，即交警人员在道路旁设卡，采用抽检的方式对来往车辆进行随机检测，驾驶员通过对警用酒精测试仪进行检测。这种传统的排查方式不仅耗费不少警力，造成资源浪费、且效率较低、覆盖率不足。

为了进一步严控酒驾行为，各种车载防酒驾检测装置发展迅猛。利用传感器检测的方式逐步被应用，但是现有的检测装置大都采用单一传感器，从而造成检测数据可靠性不足。传统的酒驾测试仪将主要工作放在测试酒精浓度，而干扰测试结果的因素较多，因而难以确保测试结果的准确性，致使设备判断不够精准[1-2]。因此，依靠单一参数判断是否酒驾存在一定漏洞，提出一种多信息融合，能准确做出酒驾判断的测试仪具有重要的意义。

2 系统总体方案

当前，用于预防酒驾的车载装置主要是采用吹气方式的酒精测试仪。而传统的车载检测装置的设计思路几乎都是采用单一传感器，信息的采集受到了驾驶员主观作弊、车内气流等多种因素影响，导致检测精准度不客观。因此，提出利用多个传感器分别采集驾驶员踩踏加速度、车轮转向状态及车内空气酒精含量多组数据。并对所采集信息进行融合分析，以此对酒驾状况做出可靠性判断。若分析结果认定驾驶员为酒后驾车，则进行语音报警和液晶显示。

3 发生酒驾时的汽车参数分析

3.1 汽车加速度特征

通过调研，对正常驾驶行为与酒后驾驶行为进行汽车加速度参数比较。分析驾驶员在加速过程中的加速度的变化，实验显示，饮酒后驾驶员在同一情景下，平均加速度比正常情况下更快。由于人体在酒精的作用下，饮酒后会使驾驶员的神经麻痹，运动反射神经迟钝，降低脚步踩油门的感知度。简而言之，踩油门加速时认为自己与平时用了一样的力道，事实上却比平时踩得深，因而更容易出现急加速情况。因此，采用加速度作为酒驾判断参考指标之一。

3.2 车轮转向特征

一般情况下，驾驶员在驾车时，路面情况会实时发生变化，驾驶员将结合路况不断小幅修正方向盘转向，以确保车辆的正常行驶。调查研究显示，一般情况下，人的正常视觉角度范围是180°，而当饮酒后，人的视觉角度将发生缩减，饮酒越多，则越无法清晰地判断出周围的景物，因此抓不准目标。对线路修正的预判不够及时，且对方向盘的操作精准度不够，往往操作幅度过大，导致车辆偏离正常行驶轨道，而为了确保车辆的正常行驶再次进行反方向修正，如此重复，往往导致车辆的行驶路线出现S形曲线轨迹行驶。

驾驶员饮酒后的生理状态主要体现在神经麻痹，致使肢体操作较平时迟缓，从而导致驾车操作行为不够及时、动作不够精准，而这些行为将影响车辆的行驶状态。这进一步表明，酒后驾驶行为特征多样化，是否酒后驾车可参照多方面因素着手判断，而车轮转向特征态，即方向盘转角便可作为判断指标之一。

4 系统设计

该防酒驾装置设置多个传感器，同时采集车内酒精浓度、车轮转向角及汽车加速度数据，经过信息处理模块实现数据融合处理，然后做出驾驶员是否酒驾的判断。行车前启动汽车的同时，检测系统同步开启，各个传感器采集数据，数据经由调理电路后进行模数转换，单片机计算来自多个传感器的数据做出是否酒驾判断，最后根据判断结果做出输出决策。判断结果将在显示电路显示出。而如果判断为酒驾，该装置将进行语音警告。

4.1 硬件电路

该防酒驾装置的系统模块电路如图1所示。该装置的主要构成部分有数据采集模块、模数转换模块、单片机控制系统以及信号输出模块。

图1 系统结构框图

数据采集模块包括多个传感器，有气敏酒精传感器、加速度传感器和车轮转向角传感器[3-4]。这些传感器分别进行数据采集，提供判断驾驶员是否酒驾的原始参数。模数转换模块把调理后的模拟信号转换成数字信号，为单片机实现控制算法作准备。单片机控制系统对多个传感器送来的数据融合计算，做出是否酒驾的判断，并根据计算结果对显示模块及语音报警模块作出下一步将执行的动作命令。

4.1.1 数据采集模块

数据采集模块的组成采用采集酒精浓度数据的MQ-3气敏传感器、采集驾驶员踩踏油门行为的MMA7260 加速度传感器以及采集车轮转向角的TLE5012传感器。

酒精浓度采集单元在整个数据采集模块起着重要的作用，主要采集驾驶位空气中酒精浓度，作为判断驾驶员呼出的气体中所含酒精浓度依据。由于汽车内部空间有限，传感器的存在不能影响驾驶员，因此所选传感器必须具有体积小的特点。MQ-3 传感器是一款高精度、高灵敏度的传感器。其工作范围是10～1000 ppm的酒精气体浓度，响应速度快，小于10 s，恢复时间小于30 s，展现出了极佳的性能。汽车在行驶过程中，车内空气流动较快，会稀释驾驶员呼出的气体。因此，传感器采集到的酒精浓度信号会减弱，从而影响主控芯片的数据处理。为了解决这项问题，在数据被送到单片机控制系统之前，首先经过调理电路，将信号进行放大。

驾驶员脚踏加速度检测电路采用MMA7260 传感器,见图2。它是一款体积小、低功耗并具有温度补偿技术的传感器，同时它融合了信号调理电路。其内部结构由电容传感极板构成两个平板电容。当测试目标发生了某个方向的加速度时，在惯性作用下，中间的电容极板会分别发生位移，靠近一侧，远离另一侧。如此一来两侧平板电容值分别发生了变化，也产生了数据度量，这便是它的测量原理。此数据量便可以用于评估驾驶员操作能力是否降低，从而作为判断驾驶员是否酒驾的指标之一。

图2 MMA7260传感器测量原理图

车轮转向角检测电路采用TLE5012 传感器。在正常情况下，驾驶员在驾驶过程中不会频繁改变转向角。通过测量转向角可以为判断车辆是否处于稳定驾驶的过程，车身有无偏离正常运行轨迹提供有力的依据。TLE5012角度传感器在汽车工业领域广泛应用，其具有高精度的特点，最大测量误差≤1.0°，且不易受灰尘、油污等污染，不会受到抖动的影响，非常适合于车载系统。车辆转向轴带动传感器的编码盘转动，从而引起其阻值改变，为方向盘转向角的位置信息提供了数据。

4.1.2 单片机控制系统

各个传感器采集到所需数据，经过调理电路将获取到的电信号进行放大和处理之后，经过模数转换模块，将数字信号送至单片机。单片机的主要工作即是整合多个传感器送来的数据，作出融合判断。若计算结果判定为酒驾，便启动语音报警模块，警示驾驶员停止酒驾行为。同时，在显示模块中显示出空气中的酒精浓度含量。

4.1.3 语音报警及显示模块

当检测到车内的空气中酒精浓度超过设定的最小值（该值可以进行修改）时，单片机控制语音报警模块进行提示：“请勿酒后驾车！”并在LED屏幕中显示出酒精浓度值，该值通过闪烁显示，给驾驶员警示作用。

4.2 软件设计

该车载防酒驾装置的软件设计流程如图3所示。当汽车启动后同时开启防酒驾测试装置，数据采集模块中的各个传感器监测数据信息。调理后的电信号转换成数字信号后送至单片机进行融合计算，得出是否酒驾的判断结果。如果判定为酒驾则进行语音提示“请勿酒后驾车！”并显示空气中酒精浓度值。

图3 主程序设计流程

5 结论

基于多个传感器，多个数据证据的防酒驾装置，其判断结果相对单一酒精浓度测量仪的防酒驾装置，系统判别的准确性大大的提高了，也对驾驶员起到了警示作用。同时，本装置具有较大的功能拓展空间，如当系统判定为酒驾时，除了进行声光报警，同时并对发动机进行继电控制，限定汽车在某个时间范围内停车，以制止驾驶员的酒驾行为。