基于FPGA的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)

摘要：駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。目前檢測疲勞駕駛主要有檢測駕駛員生理變化指標、駕駛員外部特征變化或者駕駛員行為及其引起的車輛運動特征的變化等幾種方法。本項目利用加速度傳感器檢測疲勞駕駛，以FPGA作為嵌入式控制核心，控制加速度傳感器采集車輛行駛時的轉(zhuǎn)向加速度與駕駛員頭部運動狀態(tài)等信號，經(jīng)過相關算法對數(shù)據(jù)進行處理后得出駕駛員疲勞值，通過TFT顯示屏顯示相應的信息，在疲勞值超出預設值時將進行語音提示，用戶可以通過觸摸屏輸入進行操作。系統(tǒng)具有準確、便捷、成本低的特點，具有極大的社會價值和商業(yè)價值。

1項目背景

1.1研究背景

1.1.1疲勞駕駛的社會危害

駕駛疲勞，是指駕駛?cè)嗽陂L時間連續(xù)行車后，產(chǎn)生生理機能和心理機能的失調(diào)，而在客觀上出現(xiàn)駕駛技能下降的現(xiàn)象。駕駛?cè)怂哔|(zhì)量差或不足，長時間駕駛車輛，容易出現(xiàn)疲勞。駕駛疲勞會影響到駕駛?cè)说淖⒁?、感覺、知覺、思維、判斷、意志、決定和運動等諸方面。疲勞后繼續(xù)駕駛車輛，會感到困倦瞌睡，四肢無力，注意力不集中，判斷能力下降，甚至出現(xiàn)精神恍惚或瞬間記憶消失，出現(xiàn)動作遲誤或過早，操作停頓或修正時間不當?shù)炔话踩蛩兀瑯O易發(fā)生道路交通事故。

交通事故統(tǒng)計分析表明，駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。日本的事故統(tǒng)計揭示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1~1.5%。法國國家警察總署事故報告表明，因疲勞瞌睡而發(fā)生車禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。而在高速公路上，通過對2010年1月至12月因疲勞駕駛而發(fā)生交通事故致人死亡的案例分析，90%以上是由貨運司機疲勞駕駛造成的。

因此，檢測疲勞駕駛，對預防交通事故的發(fā)生有重要意義。

1.1.2基于加速度傳感器疲勞駕駛檢測的優(yōu)越性

目前檢測疲勞駕駛的方法主要有以下幾種：

• 利用生理傳感器檢測駕駛員的生理變化指標，如腦電、心電、心率、呼吸等；

• 檢測疲勞駕駛時駕駛員的外部特征變化，如眨眼、點頭；

• 檢測駕駛員行為及其引起的車輛運動特征的變化，如換擋，油門以及車輛加速度、車載車道中的位置等。

利用加速傳感器的疲勞駕駛檢測方法隸屬于第三種?，F(xiàn)有的產(chǎn)品中，第一種會使用到帶有侵入性的生理傳感器，讓駕駛員十分不舒服，因而使用范圍十分有限；第二種主要是利用機器視覺檢測眨眼或者瞳孔大小變化，它的優(yōu)點是檢測精度高，但是受光線等外界環(huán)境影響比較大。第三種是屬于車載傳感器，因而使用起來十分方便，完全可以集成到車輛中，具有廣泛的應用前景。

1.1.3應用拓展

當產(chǎn)品足夠成熟時，它將得到廣泛的應用。

• 如果實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，當出現(xiàn)異常車輛運動狀態(tài)，判定為交通事故，可以實現(xiàn)報警，并且通知其他車輛，避免出現(xiàn)交通擁堵；

• 如果能將司機的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門管理和執(zhí)法。

1.2項目意義

在“以車代步”、物流快速發(fā)展的今天，檢測疲勞駕駛，預防交通事故，為每一個家庭護航，有利于維護社會穩(wěn)定，具有重要意義。通過檢測車輛運動特征的疲勞駕駛檢測方法具有準確、便捷、成本低的特點，但是目前，世界上還沒有通過檢測車輛運動特征的疲勞駕駛檢測系統(tǒng)，基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測儀的出現(xiàn)填補了這方面的空白，研究具有極大的社會價值和商業(yè)價值。

2項目方案

2.1系統(tǒng)概述

2.1.1產(chǎn)品模型圖

如圖 2-1所示是產(chǎn)品TFT顯示屏面板示意圖。

圖 2-1 系統(tǒng)TFT顯示屏面板

本檢測儀LCD面板由四個部分組成：

• 疲勞曲線繪制區(qū)：本區(qū)間占面板絕大部分，形象的再現(xiàn)駕駛員駕車過程中的精神狀態(tài)，有利于分析疲勞程度的趨勢，做出有效預測。

• 信息提示區(qū)：本區(qū)分為三個部分，疲勞進度條可以更加直觀的反應當前時刻的疲勞程度；狀態(tài)指示燈指示是否到達疲勞警戒線，當?shù)竭_警戒線時它會變成紅色；文字提示疲勞程度。

• 功能按鈕區(qū)：功能按鈕區(qū)有三個鍵，暫停鍵是在特殊情況是暫停記錄，歷史記錄按鈕可以點出客戶想看的疲勞駕駛曲線，設置鍵主要設置時間。

• 時間和電量顯示區(qū)：顯示當前時間和剩余電量。

2.1.2產(chǎn)品功能概述

基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測儀主要有以下幾項功能

1. 實時監(jiān)測車輛運動參數(shù)，識別駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)；

2. 語音報警功能；

3. 記錄駕駛狀態(tài)歷史，便于駕駛員分析規(guī)律，養(yǎng)成良好駕駛習慣。

2.1.3系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)以FPGA作為嵌入式控制的核心，FPGA芯片選擇Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲勞檢測系統(tǒng)主要由嵌入式控制單元、存儲單元、傳感器電路、電源電路、語音電路、外圍接口電路等部分組成。

圖 2-2 系統(tǒng)結構框圖

系統(tǒng)利用加速度傳感器采集車輛行駛時的轉(zhuǎn)向加速度與駕駛員頭部的運動狀態(tài)等信號，傳輸?shù)紺PU，通過算法加速模塊計算出當前的疲勞值后，將結果以疲勞曲線的形式繪制在TFT顯示屏上。一定時間后將疲勞值信息存儲到SD卡中，方便后續(xù)的查看。用戶可以通過電阻式觸摸屏實現(xiàn)人機交互，如查看歷史記錄。

各部分功能如下：

• 控制單元：負責管理硬件資源和軟件任務間的通信和調(diào)度，實現(xiàn)界面顯示和用戶交互，采集加速度傳感器的信息，通過算法計算出疲勞值，控制電池的充放電以及語音報警提示。

• 存儲單元：存儲Bootloader、Linux內(nèi)核鏡像以及用戶應用程序，以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的正常運行。在用戶存儲空間保存用戶的疲勞信息，以便查看。

• 外圍接口模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)與外圍設備的通信。如UART、I²C、SPI、VGA等接口。有些特殊器件通過設計相應的接口IP實現(xiàn)通信。

2.2疲勞檢測原理

本系統(tǒng)通過加速度傳感器，提取車輛行駛的最基本加速度和轉(zhuǎn)向角信息，在通過數(shù)學變換得到車速標準差、加速度小波分解的edl尺度歸一化能量、加速度小波熵、轉(zhuǎn)向角小波熵、轉(zhuǎn)向角的小波分解的ca5尺度的歸一化能量、轉(zhuǎn)向角速度的標準差和轉(zhuǎn)向角速度的能量等七個參數(shù)作為檢測疲勞駕駛的特征量。下面介紹這些特征量的生成方法。

1. 特征生成

• 標準差的生成

標準差是一組數(shù)據(jù)平均分散程度的一種度量，依據(jù)以下方法計算：

• 轉(zhuǎn)向角速度能量

(2-2)

• 小波熵的生成

(2-3)

為 概率，且 =1。

• 小波分解的某一尺度歸一化能量

(2-4)

式中， 為i尺度下的能量， 。

2. 基于主成分分析的特征提取

主成分分析法（Principle Component Analysis，PCA）是一種利用變量間的線性關系對多維信息進行統(tǒng)計壓縮的方法，能夠有效解決輸入相關性問題。

主成分分析的主要思想是，對于總體 ，將其主成分定義為這個P維向量的線形組合 ，則：

• 是X的線性函數(shù)，即要求 ， 是 維待定常數(shù)向量，

• i=1，2，?，k。

• 要求 盡可能大，即 能充分反映X的變化情況，i=1，2，．．．，k。

• 要求 互不相關，即 ，i，或者 之間盡可能不含重復信息。

這樣的 均稱為X的主成分。從幾何上講，樣本點 在P維空問形成了一個P維球形狀的云團，主成分分析就是通過提取云團散布最大的那些方向的方法，達到對特征空間進行降維的目的。

2.2.1模式識別算法

本系統(tǒng)在實驗階段嘗試了四種疲勞駕駛模式識別算法，他們分別是：模糊聚類算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡算法、PNN神經(jīng)網(wǎng)絡算法。幾種識別算法的比較見下表：

表格 2?1 幾種算法的比較

綜合考慮識別正確率和收斂速度，PNN神經(jīng)網(wǎng)絡算法的識別效果較好，收斂速度最快，最適合于在實時狀態(tài)下運用。

2.3加速度傳感器模塊

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的檢測儀大部分是基于攝像頭的檢測系統(tǒng)，使用攝像頭檢測，不僅功耗高，待機時間短，而且攝像頭檢測會讓駕駛員有一種被窺視的感覺，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。而我們的檢測儀是基于加速度傳感器的檢測系統(tǒng)。使用加速度傳感器不僅能檢測駕駛員的行車狀態(tài)，還能檢測車輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結果。而且使用加速度傳感器還能降低產(chǎn)品功耗，增加待機時間。

在本系統(tǒng)中，我們使用美新公司的數(shù)字化熱對流方向定位傳感器（DTOS）MXC6225XU來收集基本運動信息。MXC6225XU是一款低功耗，低成本，高精度的兩軸運動定位傳感器。它擁有整個加速度計產(chǎn)品中最低的零重力偏移量，范圍在整個運行的+/- 50mg 。MXC6225XU它輸出的是兩個垂直方向加速度8bit數(shù)字信號，最大值 ，采用 接口與外部通信。

總線接口都是開漏或者開集電極輸出，因此需要接上拉電阻。傳感器外圍電路如下：

圖 2-3 加速度傳感器應用電路

2.4LCD觸摸屏模塊

傳感器檢測到信息后，為了方便駕駛員及時的調(diào)整駕駛狀態(tài)，需要及時的將信息反饋給駕駛員，最直觀的方式就是圖表和數(shù)字。對于車載的顯示屏，綜合考慮車上的空間和能讓駕駛員能清晰的看見顯示屏上的數(shù)據(jù)等因素，我們選用5寸的TFT-LCD顯示屏。同時為了讓駕駛員能方便的對檢測儀進行操控，我們選擇便捷的LCD觸摸屏方案來實現(xiàn)人機交互。

TFT-LCD觸摸屏模塊包括TFT-LCD控制器（包括觸摸屏控制器）、TFT-LCD顯示屏、觸摸屏三個部分。當檢測到觸摸屏上某一點被按下時，TFT-LCD控制器會記下觸點的X和Y的坐標，同時向MCU發(fā)送一個中斷的請求，接收到中斷的請求后，MCU會讀取存儲的坐標值和觸點所包含的控制信息。接收到這些信息后并進行處理后，MCU會通過控制TFT-LCD控制器來控制LCD顯示屏顯示信息。TFT-LCD模塊的結構框圖如下圖所示：

圖 2-4 TFT-LCD顯示模塊框圖

TFT-LCD控制器我們選用RA8870, RA8870是一個文字與繪圖模式的液晶顯示（TFT-LCD）控制器，可結合文字或2D 圖形應用。RA8870內(nèi)建內(nèi)存能4K 色320*240 雙圖層顯示。

RA8870還包括一些強大的圖形處理功能，如畫面旋轉(zhuǎn)功能、卷動功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等，這些功能將可節(jié)省用戶在中小尺寸TFT 屏應用的開發(fā)時間，并且提升MCU 軟件的執(zhí)行效率。

RA8870內(nèi)建一組10位ADC和控制電路，以連接四線或五線電阻式的觸摸屏。觸摸屏控制器的工作模式我們選用自動模式中的外部中斷。只要開啟觸摸屏，選擇自動模式與開啟觸摸屏中斷功能，當硬件中斷發(fā)生或寄存器，代表RA8870 已經(jīng)將用戶“Touch”到觸摸屏的坐標存在寄存器中了。為了準確的檢測到觸摸，控制器采用延遲一段取樣時間的方式來等待信號變穩(wěn)定，避免觸摸屏被接觸的瞬間信號還不穩(wěn)定。

2.5語音報警模塊

駕駛員進入疲勞狀態(tài)時，對外界的反應很差，注意力不集中，不一定能看見顯示屏上的圖標和文字提醒，這時要想提醒駕駛員安全駕駛，把駕駛員喚醒，必須用大音量醒目的聲音來刺激駕駛員，使駕駛員恢復清醒，所以必須使用語音芯片進行語音警告。

我們選用是WTV040系列語音芯片，它是一款一次性編程語音芯片。工作電壓為DC2.5～3.6V，省電模式時耗電 2uA，在省電模式下，芯片上電后1秒鐘或者語音停止播放后1秒自動休眠。當語音為6K采樣頻率時，存儲的語音長度可達到40秒，音頻輸出為PWM或DAC模式，PWM模式輸出時可以直接推動0.5W/8Ω的揚聲器，DAC模式輸出需要外接功放來驅(qū)動揚聲器。圖 2-5基于三串口模式的芯片應用電路。

圖 2-5 WTV040語音芯片應用電路

2.6SD卡模塊

SD存儲卡被廣泛地應用于便攜式產(chǎn)品中，由于具有體積小、記憶容量高、數(shù)據(jù)傳輸率快、移動靈活性好以及安全性高等特點，成為嵌人式設備中最常見的存儲媒介。本系統(tǒng)利用SD卡作為存儲設備，存儲檢測的波形，方便歷史記錄的查看。

SD卡有兩個可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫方式，但是在選用SD模式時，往往需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時間要求不是很嚴格的情況下，選用SPI模式可以說是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場上很多MCU都集成有現(xiàn)成的SPI接口電路，采用SPI模式對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設計。

SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對其進行操作，9Pin的引腳隨工作模式的不同有所差異。在SPI模式下，引腳1(DAT3)作為SPl片選線CS用，引腳2(CMD)用作SPI總線的數(shù)據(jù)輸出線MOSI，而引腳7(DAl．0)為數(shù)據(jù)輸入線MlSO，引腳5用作時鐘線(CLK)。除電源和地，保留引腳可懸空。

圖 2-6 SD卡接口電路

2.7電源模塊

如果使用家用車供電，那么便會使得導線外接，不僅不美觀，減短使用壽命，還會對駕駛員得駕駛造成影響，我們采用方形的3.7V鋰電池供電。

由于系統(tǒng)內(nèi)部的不同模塊需要不同的電壓供電，鋰電池的3.7V輸出不能滿足供電需要，所需要升壓和降壓電路來滿足不同原件的供電需求。FPGA工作電壓為3.3V；語音芯片夠做電壓為3.3V；TFT顯示屏工作電壓為5.0V。

圖 2-7 電源模塊框圖

其中充電管理芯片使用BQ2057，該芯片的充電器外圍電路及其簡單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設計需要。BQ2057可以動態(tài)補償鋰電池組的內(nèi)阻以減少充電時間；內(nèi)部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態(tài)識別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實現(xiàn)，具有自動重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。應用電路如下：

圖 2-8 BQ2057應用電路

如圖 2-9，通過穩(wěn)壓芯片HT7333，得到3.3V輸出電壓，給PIC32、FLASH、語音芯片供電；如圖 2-10，通過升壓芯片LT1308得到5V輸出電壓，給顯示屏供電。

圖 2-9 HT7333應用電路

圖 2-10 LT1308應用電路

3項目創(chuàng)新點

3.1新的檢測方法

現(xiàn)在市面上出現(xiàn)的檢測儀大部分是基于攝像頭的檢測系統(tǒng)，使用攝像頭檢測，不僅功耗高，待機時間短，而且攝像頭檢測會讓駕駛員有一種被窺視的感覺，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。

而我們的檢測儀是基于加速度傳感器的檢測系統(tǒng)，不僅能檢測駕駛員的行車狀態(tài)，還能檢測車輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結果。

3.2系統(tǒng)成本低、功耗小

與傳統(tǒng)的基于攝像頭的檢測系統(tǒng)相比，不需要對大量圖像信息進行采集、處理和存儲，系統(tǒng)成本低，且功耗小。

3.3產(chǎn)品便攜性好

系統(tǒng)體積小，操作簡單，且可以放置在汽車上任意位置，便攜性好。

3.4可拓展性好

基于MicroBlaze和嵌入式操作系統(tǒng)的設計，今后可以增加基于攝像頭檢測疲勞的模塊，加速度傳感器和攝像頭兩種檢測方法，提高檢測精度。

3.5極大的應用價值

當產(chǎn)品足夠成熟時，它將得到廣泛的應用。如果實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，當出現(xiàn)異常車輛運動狀態(tài)，判定為交通事故，可以實現(xiàn)報警，并且通知其他車輛，避免出現(xiàn)交通擁堵；如果能將司機的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門管理和執(zhí)法。

系統(tǒng)具有極大的社會價值和商業(yè)價值。