一種基于單片機的疲勞駕駛檢測儀設計
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
1 檢測儀結(jié)構(gòu)特點
如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時間超過設定值，裝置則輸出報警和制動控制信號。檢測儀中的反射式紅外線傳感器由1個紅外線發(fā)射二極管和2個紅外線接收頭組成，紅外線發(fā)射二極管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的38 kHz紅外線光束，安裝在座椅頭枕上前方正對駕駛員頭部的位置，紅外線發(fā)射二極管放置在中間， 2個紅外線接收頭對稱放置在左右兩邊。
2 駕駛員頭部位置分析
在駕駛過程中，駕駛員正常和疲勞時其頭部位置是不同的，側(cè)視圖如圖1所示，圖1 ( a)表示駕駛員在正常駕駛汽車時其頭部位置與座椅頭枕有幾cm的較小距離，而不是完全靠緊頭枕，因為靠緊頭枕駕駛眼睛會感覺很不舒服，不方便觀察距離汽車較近的道路情況。
圖1 ( b)表示駕駛員疲勞駕駛汽車時最常見的開車睡眠姿勢，也是駕駛員最初的疲勞睡眠姿勢，這時駕駛員頭部距離座椅頭枕一般大于15 cm,這種情況下應及時報警，如果持續(xù)2 s就應啟動制動系統(tǒng)自動剎車。但是短暫的其他非疲勞動作，如探身操作儀表板上的開關(guān)、回頭觀察等短時動作也有類似的距離變化，這時可以用時間來區(qū)別， 2 s以內(nèi)恢復正常位置的不作為疲勞駕駛判定。
圖1 ( c)表示駕駛員在有意識地短暫休息和閉上眼睛駕駛，但還沒有完全睡著時的姿勢，但這是完全睡著的前奏，其頭部位置緊靠座椅頭枕，距離為0,這種情況下應該及時報警，發(fā)展下去就會演變成圖1 ( b)的情況。
圖1 駕駛員頭部位置側(cè)視圖
圖2為駕駛員頭部的俯視圖，其中圓形代表駕駛員的頭部，箭頭代表紅外線發(fā)射和反射的路線。圖2 ( a)為正常駕駛時駕駛員頭部與紅外線傳感器的相對位置示意圖，紅外線從中間的紅外線發(fā)射二極管發(fā)射出來到被駕駛員頭部反射回左右2個紅外線接收頭，所經(jīng)過的距離基本相等。
圖2 ( b)表示駕駛員疲勞后的頭部位置，是向左或右歪斜的情況，這與圖1 ( b)的典型位置有所不同，是一種中間過渡的疲勞形態(tài)，最終也會轉(zhuǎn)化到圖1 ( b)的位置，這時紅外線傳感器將檢測出左右不同的距離，也應及時報警或輸出制動信號。
圖2 ( c)表示駕駛員疲勞后頭部繼續(xù)偏移的位置，一側(cè)的紅外線接收頭已經(jīng)不能接收到被反射回來的紅外線了，在計算機程序中得到距離無限大的結(jié)果，這說明駕駛員疲勞程度進一步增強，應及時報警或輸出制動信號。
圖2 駕駛員頭部位置俯視圖
3 檢測儀的硬件設計
檢測儀的硬件電路圖如圖3所示，圖中LED為紅外線發(fā)射二極管， IC3、IC4 為紅外線接收頭，MCU 為ATmaga8 單片機。
圖3 檢測儀硬件電路
LED發(fā)射38 kHz的紅外線調(diào)制光束，經(jīng)駕駛員頭部反射后會照射到IC3、IC4的接收窗口， IC3、IC4對接收信號進行解調(diào)，經(jīng)放大處理后以高或低電平的方式送到單片機MCU的輸入口線，計算機程序?qū)⒖诰€的值送到內(nèi)存保存，供后面的程序作為判斷依據(jù)。
紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射的紅外線的有效檢測距離與通過紅外線發(fā)射二極管的電流是對應的，紅外線發(fā)射二極管LED的電流由三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓決定，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓受計算機程序輸出的控制字控制。
控制字最大值是二進制11111111d,此時R1 ～R8 全部接地， R12的綜合阻值最小，三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout也最小， LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離也最小，適當調(diào)整R1～R8 的數(shù)值，可以將LED發(fā)射的紅外線光束的有效距離調(diào)整到1 cm左右。當控制字最小值是二進制00000000d,此時R1 ～R8 電阻全部懸浮， R12的綜合阻值就是R12 ,三端集成穩(wěn)壓器IC2的輸出電壓Vout最大，紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離也最大，適當調(diào)整R12的數(shù)值，可以將紅外線發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線光束的有效距離調(diào)整到20 cm左右。1～20 cm的有效檢測距離能夠滿足實際需要。
4 檢測儀軟件設計
4. 1距離檢測方法
有效距離檢測與單片機發(fā)出的控制字相對應，距離檢測的方法是：逐漸減少紅外線發(fā)射的強度，直到接收不到反射的紅外線光束，此時的控制字對應的距離值就是當前駕駛員頭部與座椅頭枕的距離。
4. 2 駕駛員頭部位置的自動標定
單片機程序框圖如圖4所示，自動標定頭部正常位置的程序在汽車啟動發(fā)動機再延時一段時間內(nèi)運行，因為疲勞駕駛不會發(fā)生在這段時間內(nèi)。當行駛到主路后，頭部的動作逐步穩(wěn)定，這時候才是對頭部進行正常位置標定的正確時機。每次都要重新標定是因為駕駛員可能換人，每個人頭部的位置不完全一樣，標定的結(jié)果也會有差異。
圖4 頭部正常位置的自動標定程序框圖
自動標定頭部正常位置的程序就是使紅外線發(fā)射二極管的電流強度由強到弱逐步減小，同時檢測IC3、IC4的輸出狀態(tài)，判斷是否到了接收不到的臨界點，這是停止發(fā)射電流強度減小的界限，同時讀出此刻的控制字數(shù)值作為距離標定。當左右2個紅外線接收頭IC3、IC4所輸出的信號電平一致，同時能夠保持相當一段時間不變時，就可以用此時的控制字作為標準距離標定。每個控制字都對應1個實際的距離。
4. 3 駕駛員頭部偏離正常位置的檢測
如果某個紅外線接收頭沒有接收到紅外線信號，則判定為此紅外線接收頭與駕駛員頭部的距離大于此時與控制字相關(guān)聯(lián)的距離。
2個紅外線接收頭所輸出的信息分別反映了同一時刻駕駛員頭部與2個紅外線接收頭的距離，與標準距離比較就能判斷駕駛員的頭部是正常位置還是前傾、側(cè)傾、后仰。是否輸出報警和制動控制電平由計算機程序根據(jù)駕駛員頭部偏離正常位置后的持續(xù)時間決定。
5 實驗結(jié)果分析
將該檢測儀安裝在捷達和雨燕等汽車上并進行了大量的實驗，對5個駕駛員的正常駕駛狀態(tài)和疲勞駕駛狀態(tài)進行測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示?？梢钥闯鲈摍z測儀能實時地跟蹤和判斷測試人員的疲勞狀態(tài)，同時對醉酒駕駛的不正當坐姿也起到警示作用。
6 結(jié)束語
該檢測儀完成了駕駛員頭部位置正常與否的識別，進而判斷駕駛員是否疲勞駕駛，是簡單技術(shù)的智能化應用。該檢測儀可以低成本地裝備現(xiàn)有汽車，提高安全幾率，便于大規(guī)模推廣，市場需求潛力巨大。
評論