可进行驾驶员健康监测的智能方向盘研究

都萌　傅华娟　戴伟　丁洋洋

摘要：新冠肺炎疫情肆虐后，人们对自身的健康状态都提升了关注度，本文对智能方向盘的功能进行了研究探索，让驾驶员能够在主驾驶位上，通过手腕贴合方向盘上的感应芯片采集自身的体温、心率、血压、心电等数据，并传输到方向盘上的可视小型液晶屏上，让驾驶员轻松获得自身的基本体征数据，采集的数据还可用蓝牙同步到手机APP进行查看及进行健康数据管理分析，察觉异常。

关键词：智能方向盘;健康监测;驾驶员

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.24.075

1研究背景

随着中国经济的发展，人们的生活质量有了显著的提高，全国汽车保有量在不断提高，越来越多的人成为有车一族，私家车出行已成为中国居民生活的常态。在享受私家车出行带来的便利的同时，保证驾驶安全成为首要问题。但是每年由于驾驶员身体状态不良，例如身体不适、身体疲劳、心肌梗死、心律失常等原因导致车祸数量约占车祸数量的40%左右。

另外，突如其來的疫情让人们都意识到生命的脆弱，人们深知有一个健康的身体的重要性。人们对于自身健康管理的要求越来越全方位化，系统化、层次化，尤其在日常健康检测这一模块的需要更加实时化，如图1所示。

汽车在日常代步中所占的比例越来越大，人、车、生活、技术已经密不可分，“以人为本”，就是以人的安全、健康、感受、体验为本，事事想在消费者前头、拥有完整的产品理念与规划，能同时兼顾主动保护与被动防护、可用性与前瞻性的平衡。车辆设计过程中应贯彻“以人为本，安全生态造车”的理念。因此智能车辆，健康车辆，交互车辆的呼声越来越高，人们对车上生活的品质要求也越来越高。

对汽车方向盘的设计予以革新，让其具备健康监测和交互功能是本文研究的焦点，目前在售的汽车方向盘主要有两类：一类是以普通仅仅控制车辆行驶方向为主的方向盘;另一类是多功能方向盘，是指在方向盘上加装功能键，进行音媒控制、接听电话、设置定速巡航等，让驾驶员更方便操作的车辆。而将目前已有的健康监测技术与车辆方向盘这个基础配置结合起来形成智能方向盘，以期达到通过驾驶员手腕贴合方向盘的芯片感应装置就能轻松获得驾驶员体温、心率、血压、心电等数据，并将采集的健康数据蓝牙同步到驾驶员手机APP进行查看及进行健康数据积累分析和数据管理。

2国内外研究现状

2.1国外研究和发展现状

纵观国外的智能多功能方向盘发展过程：1978年，按钮首次出现在迈凯伦M26赛车方向盘上;1989年，法拉利对电子系统在方向盘上的集成做出了巨大改进，拨片式换挡同年首次被应用在了法拉利F1赛车上;1995年6个按钮和秒表集成在迈克尔·舒马赫的贝纳通B195赛车方向盘上;1996年舒马赫在方向盘后方又加装了拨片式离合，在正面添加了LED转速指示灯;上世纪90年代末期，LED显示屏正式出现在赛车的方向盘。而民用车的方向盘也受赛车启发，越来越多的控制按键集成在方向盘中，例如定速巡航、仪表盘控制按钮，音乐调节等多功能在方向盘上得以轻松实现。

宝马公司研发过一款价格昂贵且没有投入应用的可监测驾驶员部分生命体征的方向盘，但功能不全面，未面向消费者需求进行调研来调整产品。本田的一款智能驾驶概念车的方向盘兼顾油门和刹车功能，并提供8种驾驶模式，并在仪表板上的加装传感器进行驾驶员眼球追踪确定其是否在专心驾驶。驾驶员如果注意力不集中车辆会自动切换至自动驾驶。

2.2国内研究和发展现状

目前，国内研究使用的方向盘集中在驾驶功能性的研究上，仅限于在方向盘两侧或者下方设置一些功能键，包括音响控制、蓝牙、定速巡航、行车电脑等设置在方向盘上。北京兴科迪电子技术研究院研制了一种驾驶员身体情况监测装置，其具备身体状况采集装置、身体状况分析装置、应对装置、网络装置和报警装置，所述身体状况采集装置通过所述网络装置与所述身体状况分析装置相连，但没有与方向盘结合，未能考虑实际的使用便利性及人车一体化。且还有酒态监测报警方向盘监测驾驶员呼出气体酒精是否超标，但未能同时集成监测驾驶员健康状态。

3设计思路

可进行驾驶员健康监测的智能方向盘的结构，包括壳体、感应装置、可视化显示屏、充电后盖，如图2所示。通过方向盘一个盘辐安装感应芯片装置，驾驶员腕部按要求贴合芯片就能收集其体温、心率、血压、心电数据，并将数据轮动显示在方向盘液晶显示屏上，显示屏及感应芯片通过导线与充电后盖相连接，并通过蓝牙装置将体征数据传输到手机APP，用手机进行查看及进行健康数据管理分析管理。本设计可实时监控司机的身体状态，可为驾驶员的健康保驾护航。

4数据采集技术

驾驶员体征数据的采集总体设计如图3所示。人体体征信号采集的关键技术是融合PPG光电+ECG心电测量技术及体温测量技术，采集分析了驾驶员的心率、心电、血压、体温等体征：

（1）心率测量：PPG技术用LED光源的反射测量，照射进入人体的皮肤组织，然后通过接收端的光电接收管来将接收到的光信号转换为电信号。由于皮肤组织内的血液流量随着脉搏的变化而周期性地变化，同时血液中的含氧血红细胞的比例也随着脉搏的变化而变化，因此它们对入射光的吸收程度也随着脉搏而呈现周期性的变化，体现在接收端就是接收到的电信号也随着脉搏而变化。通过算法我们可以解调出这个信号，从而算出脉率，脉率等于心率。

（2）心电捕集：结合ECG心电极片获得体表生物电，形成心电图。

（3）血压测量：利用脉搏波传输速度来计算人体连续血压值，模拟数学模型和光电容积脉搏信号（PPG）中对应特征点之间的时间差获得脉搏传输时间（PTT）或脉搏传输速度（PWV），计算出血压。

（4）体温测量：因为任何高于绝对零度（-273℃）的物体都会发出红外线，使用高精度红外探头测量体温通过将红外传感器集成到感应装置中，传感器从体表感知温度，只需几秒钟就能准确测量体表温度。

5设计亮点

（1）开发了带有健康检测功能的智能方向盘，让驾驶员能够在驾驶过程中，通过驾驶员腕部贴合方向盘感应装置，即采集到驾驶员体温、心率、血压、心电等数据，并通过液晶显示屏显示。

（2）智能方向盘采集的健康数据可以通过蓝牙装置同步到手机相应APP进行查看及进行健康数据管理分析，并察觉异常。

（3）探索了“以人为本”的车辆方向盘设计的新领域。

参考文献

[1]许林，高鲲鹏.基于PPG信号质量评估的连续血压计算方法[C].第27届中国控制与决策会议（下册）， 2015：3147-3152.

[2]李皙茹.基于光电容积描记法的人体生理参数动态测量技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2017.

[3]谢寒霜.基于脉搏波的无创连续血压检测方法的研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[4]陈骞.智能可穿戴设备在医疗健康领域的发展与应用[J].上海信息化，2014，（12）.

[5]黎杨梅.驾驶员生命体征数据监测系统[J].轻工科技，2019，（12）.

基金项目：2020年江苏省高等学校大学生创新创业训练项目（202013114019Y）。

作者简介：都萌（1983-），女，硕士研究生，常州机电职业技术学院教师，主要研究方向为载运工具运用工程;傅华娟（1971-），江苏常州人，常州机电职业技术学院教师;戴伟（1997-），江苏常州人，常州机电职业技术学院教师;丁洋洋（1999-），江苏常州人，常州机电职业技术学院教师。