基于方向盘监控的疲劳驾驶检测方法

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　　摘 要：提出了一种采用三轴加速度计监测方向盘的运动对驾驶员的驾驶状态进行检测，其特点是成本低，安装方便，并可以有效监测方向盘的运动并在车上进行无损安装。仿真和实验结果表明，加速度计测旋转的方式与实际方向盘转动具有较强的相关性。利用加速度估计方向盘转动可以监测方向盘动作，进而对驾驶疲劳检测提供有效的技术支持。
　　关键词：驾驶疲劳;加速度计;疲劳预警;方向盘运动
　　0 引言
　　据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）统计，美国每年约有1200人死亡和76 000人受伤是由于疲劳驾驶造成的[1]。一些司机在没有充足睡眠的情况下驾驶车辆，产生疲劳驾驶[2]。精神疲劳的司机最初是警觉的，但他们的安全意识随着长期驾驶而退化[3]。酒精也会延长操作时间从而对司机安全同样有害。在安大略州，14.5%的受访者承认在开车时出现疲劳驾驶。已被证明，当驾驶员处于疲劳状态时，驾驶的方向控制幅度为越来越大的趋势，方向盘会出现更快和更大的转向更正。
　　本文提出一种采用三轴加速度计监测方向盘的运动，进而实现对驾驶员驾驶状态的检测，其特点是成本低，安装方便，并可以有效的监测方向盘的运动，而且可在车内进行无损安装。仿真和实验结果表明，加速度计测旋转幅度与实际方向盘转动具有较强的相关性。利用加速度估计方向盘转动可以监测方向盘动作进而对驾驶疲劳检测提供有效的帮助。
　　1 加速度信号处理
　　首先利用三轴加速度计之间的关系计算出方向盘的转动角度，建立坐标分别为X轴和Y轴，其中加速度计的Y轴总是与X轴呈90°垂直关系。
　　使用上式计算的方向盘转角夹角范围为0°～360°。当转向盘在90°～270°之间旋转时，计算值增加了一个180°的补偿角，在旋转角度为270°～360°之间增加了一个360°的补偿角。
　　2 方向盘转角采集
　　将方向盘分为四个象限，其中平行和垂直于重力矢量的两个象限，为方向盘转角研究的重点。方向盘用来收集数据的顶部驱动。电压表的读数直接从电位器获得，这是利用一系列装置通过转向柱和电压表进行连接，可以100%获取所有旋转情况。
　　从线性电位器记录的电压值计算方向盘的旋转角度，这些电压将象限线性地分为90个部分，共有181个数据点。每个电压数据点分配相应的角度-90°～90°。霍尔电位器通过这种方法监测方向盘的角度。
　　为了使用一个三轴加速度传感器来监测X和Y轴上的方向盘，三轴加速度传感器采用ADXL335。ADXL335电源电压为3.234 V，偏置电压为1.620 V，加速度计的灵敏度为0.3234 V·g-1。
　　3 数据采集与分析
　　测得的加速度计数据通过一个5 Hz的六阶低通巴特沃斯滤波器，以消除加速度计的高频噪声和振动。加速度计数据以及线性电位计数据使用NI USB-6008数字转换器进行采集。
　　用MATLAB进行数据分析。经过多数据的统计分析，电位器输出和加速度计输出之间的线性关系，通过线性回归确定方向盘的旋转角和UW（由电位器测量）之间的线性关系。采用线性曲线配件的数据，记录他们的斜率和y轴截距，最后利用MATLAB信号处理工具箱中的相关函数测定电位测量的SWM和加速度测量的SWM在模拟转向任务之间的相关性。
　　实验结果表明，三轴加速度传感器可通过监测方向盘操作突然修正行为，准确反映驾驶员的疲劳驾驶状态。将加速度计的SWM的读数和通过电位器检测的实际读数进行对比，能准确的判断驾驶状态。该方法可以实现低成本的疲劳检测，且无需复杂的设备或对车辆进行改装。
　　4 结论
　　本文提出一种利用三轴加速度计监测方向盘的运动对驾驶员的驾驶状态进行检测的方法，其特点是成本低，安装方便，并可以有效的监测方向盘的运动，同时实现在车上进行无损安装。仿真和实验结果表明，加速度计测旋转与实际方向盘转动具有较强的相关性。利用加速度估计方向盘转动可以监测方向盘动作进而对驾驶疲劳检测提供有效的技术支持。
　　参考文献：
　　[1] 付荣荣，田永胜，王世超，等.基于动态贝叶斯估计的疲劳驾驶识别研究[J].中国生物医学工程学报，2019，38（6）：759-763.
　　[2] 李磊，嚴敏，王涛，等.基于TPB的疲劳对汽车驾驶员不安全驾驶行为的影响[J].西安科技大学学报，2019，39（6）：979-984.
　　[3] 李洪涛，巴兴强，逯兆友，等.基于方向盘信号的高速公路驾驶状态检测方法[J].山西建筑，2018，44（28）：110-112.
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