货车防疲劳驾驶系统设计

庞小兰，潘淑佩，童云涛，林捍武

货车防疲劳驾驶系统设计

庞小兰，潘淑佩，童云涛，林捍武

（广东理工学院 智能制造学院，广东 肇庆 526100）

文章从货车驾驶员在行车过程中驾驶状态的检测、疲劳的判断和防疲劳装置的设计三个方面进行阐述。首先通过对货车驾驶员的状态信息进行收集，而后传送到系统主机判断驾驶员是否疲劳，当判断超过阈值就可以把信号传递给执行机构，发光二极管（LED）灯闪烁，蜂鸣器、座椅振动等执行装置同时给予驾驶员疲劳驾驶提示，从而将驾驶员唤醒。为某货车防疲劳驾驶提供一种切实可行的方案，减少疲劳驾驶的现象，降低交通事故率，保障交通出行的安全。

驾驶员状态；疲劳判断；执行机构设计

据交通运输部统计，截至2021年我国拥有载货汽车1 173.26万辆，这一年内我国公路交通事故62.8万宗，重伤人数达到13.1万人，轻伤153万人。美国卡内基梅隆研究表明，汽车重大事故率9.1%归因于驾驶员疲劳，夜晚疲劳驾驶重大事故率约达19.9%。因此，对防疲劳驾驶这项功能的研究刻不容缓。另一方面，由调查数据显示，我国货车驾驶员普遍工作时间较长、劳动强度大，有约37.3%的货车驾驶员日均工作时长在12 h及以上，超过82.4%的货车驾驶员日均工作时长在8 h及以上，存在极大的疲劳驾驶风险[1]。本文以某货车为研究对象，提出一种防疲劳驾驶的设计方案，提高了货车的行车安全性。

1 总体设计方案

货车防疲劳操作系统的设计由两部分组成，分别是疲劳状态检测系统和执行装置系统。该系统所选用的车型的整车参数如表1所示。

表1 整车参数

参数名称参数值 整车尺寸：长/mm×宽/mm×高/mm4 890×1 610×1 960 轴距/mm3 200 前轮距/mm1 360 后轮距/mm1 360 整备质量/kg1 135 最大载重质量/kg1 100 货箱尺寸：长/mm×宽/mm×高/mm3 060×1 515×370 最大功率/kW85 最大扭矩/(Nm)153 最高车速/(km/h)110

疲劳状态检测系统主要通过驾驶员疲劳信号的采集、疲劳信号的处理、疲劳信号的判断来确认驾驶员的疲劳程度。目前疲劳驾驶检测方法主要包括基于驾驶员生理特征的疲劳驾驶检测、基于车辆数据的疲劳检测和基于面部特征的疲劳检测[2]。本文选择基于驾驶员心率信号的变化进行疲劳判断，当货车达到一定车速时，电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）通过计算分析驾驶员的心率信号值做出疲劳判断。如果疲劳阈值超过系统设定值，执行装置开始工作。发光二极管（Light Emitting Diode, LED）灯闪烁预警、驾驶员座椅振动预警、蜂鸣器报警声预警三大执行装置共同提醒驾驶员存在疲劳驾驶的风险，提醒驾驶员应采取相应的措施来避免疲劳驾驶，其总体设计方案如图1所示。

图1 防疲劳驾驶系统设计总体方案

2 防疲劳驾驶系统信号的收集

2.1 驾驶员心率传感器电路设计

由于采集的心率信号是微弱的，需要把一个心率次数转变成一个电信号，并且经过放大才能得到一个成形电路所需要的电压。但是，放大后的波形是不规则的，为了满足计数的要求，必须对其进行放大、滤波、整形，放大整形电路框图如图2所示。

图2 放大整形电路框图

2.2 信号收集系统电路设计

在本系统中，利用红外线光敏元件产生的脉冲，经放大、成形后，再由单片机输出到相位控制系统。应控制每分钟的脉搏跳动次数，以便可以快速轻松地测量[3]。在使用过程中，使用了NRF24L01无线模块通信模块，实现了两个主从之间的通信。从机负责对心率进行检测，并进行无线发送，如图3所示。主机负责对当前所检测到的心率进行显示，并对设置的心率报警上下限范围进行显示，如图4所示。

1）可通过按钮设定，设定心率的上限，下限报警值，并可保留电量；

2）如果实际测量的心跳次数超出了上、下两个界限，则会发出警告，表示心跳异常；

3）本次系统利用光电传感器作为采集模块；

4）LCD1602液晶的第1条线显示以每分心跳表示的当前心跳，第2条线显示设置的上限和下限报警值；

5）可以接收到无线模块NRF2401模块的数据；

6）利用电源电路可以供5 V电源。

图3 检测分部电路图

图4 接受主机电路图

3 疲劳驾驶判断和系统工作条件

3.1 防疲劳驾驶系统的启动条件

根据国家相关规定，在疲劳驾驶情况下，车速不得超过60 km/h。当驾驶员连续行车超过4 h、车速超过80 km/h时，防疲劳系统自动启动。

3.2 生理特征与疲劳驾驶的相关度

货车在长期行驶过程中，随着开车时间的增加，车内驾驶员也会慢慢的有疲倦感，驾驶员的生理特征参数脉搏、呼吸、心率也随着驾驶时间增加而发生显著的变化。本文采用在驾驶员手腕携带某智能手环采集脉搏和心率信号，利用压电式呼吸传感器收集呼吸信号。通过在表1车型上驾驶员从清醒到疲劳驾驶下的数据收集，利用式（1）对脉搏、呼吸、心率与脑电进行相关系数分析，得出与驾驶人身体状况的关联度。

式中，为相关系数；为心率或者脉搏信号；1为平均心率或者脉搏信号；1为平均脑电信号；为脑电信号。

驾驶员连续行车4 h内心率和脑电相关系数为0.162 4，连续行车超过10 h，其相关系数为0.828 7，生理信号间相关系数如表2所示。

表2 生理信号间相关系数

状态相关量相关系数状态相关量相关系数 连续行车4 h心率与脑电0.162 4连续行车8～10 h心率与脑电0.618 5 脉搏与脑电0.251 6脉搏与脑电0.788 3 呼吸与脑电0.198 8呼吸与脑电0.712 5 连续行车5～7 h心率与脑电0.384 5连续行车10 h以上心率与脑电0.828 7 脉搏与脑电0.497 5脉搏与脑电0.977 6 呼吸与脑电0.418 6呼吸与脑电0.914 5

综上数据对比，相关系数等级如表3所示，系统根据驾驶员生理特征判断疲劳状态。当相关系数小于0.3时，判定为清醒状态；当相关系数在0.3到0.5之间时，判定为疲劳；当相关系数在0.5到0.8之间时，判定为中度疲劳；当相关系数在0.8到1之间时，判定为重度疲劳。

表3 相关系数等级表

范围相关等级 r<0.3低度相关 0.3≤r<0.5中度相关 0.5≤r<0.8显著相关 0.8≤r≤1高度相关

结合表1、表2分析，脑电信号是判定疲劳驾驶的金标准，则心率信号可作为判定货车疲劳驾驶的疲劳程度信号[4]。

3.3 货车疲劳驾驶的判定阈值

表征疲劳的心电信号时域指标主要有R-R间期，它是反映心脏每次搏动间期的一种重要指标，可以用来测量心脏在1 min内跳动的次数，即得到所需的心率。这种指标可以通过连续采集大量的心电波形，获得精准的测量结果，而且操作简单，不需要特别复杂的设备就可以实现。对于R-R间期，可以采取平均值的方法，将每个心动周期内所产生的心跳次数进行统计计算，以确定所需心率。对一段时间内的R-R间期取平均值，再除以相应的系数即可求得心脏在1 min内跳动的次数[5]。即为所得心率。

式中，为一段时间内的平均心跳时间间隔。

利用手环来获取心率模组，电信号的采集是由XD-58C心率传感器和STC89C52芯片两大部分组成，可测量血液传输数据并传输到STC89C52芯片。STC89C52芯片进行光传输数据滤波、降噪、模数转换等预处理，得到R-R区间的平均值后，通过式（2）计算被测物体的心率，并通过芯片的蓝牙模块传输到控制处理模块。同时，XD-58C心率该系统通过对腕部动作进行连续监控，将测量到的心率信息传送给STC89C52单片机，从而达到实时监控人的身体状况的目的。

4 防疲劳驾驶系统的执行装置设计

4.1 声光报警系统报警电路

执行装置的声光报警部分电路是警示作用，主要是当传感模块检测到驾驶员的心率信号时，当疲劳值超过设定值时控制中心会发送电信号给LED和蜂鸣器并且响应出相应的报警。从图5中可以看出，相应的报警电信号在从单片机传递出来后，会通过一个放大电路对电信号放大后传给蜂鸣器与LED，这样就会发出非常显眼的报警提示。

图5 报警电路原理图

在电子线路中，发光二极管起着最普通的指示作用，在发光二极管的两端都存在一个电压降，通常为1.3 V，二极管在电压降超过这个值的时候会导通。为安全起见，可在输入输出端连接电流限制电阻器，使其在通电时不易烧毁。在检测到P10处于低电平时，LED就会被点亮，而在P10处于高电平时，LED就会被熄灭，电路图如图6所示。

图6 LED驱动电路

4.2 货车座椅预警系统

1.座椅控制系统的组成

智能座椅的控制系统由监控传感器、执行器和控制单元构成。其主要包括大数据模块化网络的布线装置、体征疲劳传感器、数字信号芯片（Digital Signal Processing, DSP）处理器以及智能网联控制系统。

2.座椅震动过程

在疲劳驾驶感知系统将驾驶员判断为疲劳驾驶之后，智能座椅将会接收到第一次的信息，同时，座椅中的震动系统将会启动，在满足驾驶安全要求的情况下，对座椅进行振动，从而对驾驶员进行提醒[6]。同时智能座椅的压力传感系统将会感知驾驶员的状态，并将此状态反馈给疲劳驾驶感知系统，图7为首次信号输入过程。

图7 疲劳驾驶座椅工作

3.座椅解除震动过程

当振动装置第二次接收到来自ECU传递过来的疲劳信号，并且减弱信号显示驾驶员疲劳值下降时，货车车内驾驶员座椅的振动程度将缓缓的停止，其过程如图8所示。

图8 疲劳驾驶解除

第二次驾驶员疲劳信号表明，驾驶员疲劳值没有下降，甚至是上升的时候，座椅的振动将会变得更强，而且智能座椅将会向汽车中控和智能驾驶辅助系统发送信息，从而提升智能驾驶辅助系统的优先级，以减少由于驾驶员疲劳而造成的事故，同时中控还会发出警示音，提醒驾驶员注意。当驾驶员疲劳值降低至安全线以下时，座椅振动及中控警示音将会自动关闭。但座椅在接收到手动关闭振动信号时会传递信号给疲劳驾驶感知系统，当一定时间内驾驶员疲劳值再次上升一定值时，座椅将会再次振动，警示驾驶员。

5 总结

货车防疲劳驾驶系统主要包括心率信号收集和无线传输模块、蜂鸣器和振动装置模块。心率电路主要用于把信号放大并输出，而无线传输模块用于数据的传输，LED灯、蜂鸣器、振动装置主要是对驾驶员的疲劳驾驶进行提示，在出现了超过阈值的情况下，就会对驾驶员发出警示，从而使其回到正常状态。通过此设计，能够有效地预防货车疲劳驾驶发生事故的现象。

[1] 国物流与采购联合会.2021年货车司机从业状况调查报告[R/OL].(2021-06-29)[2023-01-06].http://www. chinawuliu.com.cn/lhhzq/202106/29/553128.shtml.

[2] 王康,樊继东.基于多特征融合的疲劳驾驶检测[J].湖北汽车工业学院学报,2023,37(1):39-44.

[3] 赵玲娜.基于面部视频的自适应非接触式心率检测方法[J].安徽水利水电职业技术学院学报,2022,22(1): 38-42.

[4] 刘彩虹,李淦初,李诗.基于5G和车联网技术下的疲劳驾驶预警系统[J].电脑知识与技术,2021,17(4): 181-183.

[5] 曾心远,张正华,韩雪,等.基于机器学习的疲劳检测及预警系统设计[J].物联网技术,2019,9(7):27-29.

[6] 李少烨,凌峰,童云涛,等.汽车智能座椅防疲劳驾驶功能的设计[J].内燃机与配件,2023(2):97-99.

Design of Anti Fatigue Driving System for Trucks

PANG Xiaolan, PAN Shupei, TONG Yuntao, LIN Hanwu

( School of Intelligent Manufacturing, Guangdong Technology College, Zhaoqing 526100, China )

This paper elaborates from three aspects,the detection of driving state, the judgment of fatigue and the design of anti-fatigue device. First, the truck driver's state information is collected, and then transmitted to the system host to judge whether the driver is tired. When the judgment exceeds the threshold, the signal can be transmitted to the actuator, and the actuator such as light-emitting diode(LED) light flashing, buzzer and seat vibration will give the driver a warning of fatigue driving at the same time, so as to wake the driver up. This paper provides a practical scheme for a truck to prevent fatigue driving, reduce the phenomenon of fatigue driving, reduce the traffic accident rate, and ensure the safety of traffic travel.

Driver status; Fatigue judgment; Executive mechanism design

U463.6

A

1671-7988(2023)20-46-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.010

庞小兰（1982－），女，副教授，研究方向为汽车电子控制技术，E-mail:113327407@qq.com。

一种货车防疲劳驾驶系统的设计与研究（JXGG202206）。