疲勞檢測器電路

DM駕駛員疲勞監(jiān)測系統(tǒng)

駕駛員檢測系統(tǒng)（Driver Monitoring），最早出現(xiàn)于飛機(jī)、高鐵等具有自動駕駛或高階級輔助駕駛的領(lǐng)域中（本文只討論汽車領(lǐng)域的DM系統(tǒng)），是一種基于人體生理反應(yīng)特征的駕駛員疲勞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。目前從整體架構(gòu)來講分為直接檢測和間接檢測兩類。

首先，DM系統(tǒng)中的直接檢測是基于圖像識別和觸控傳感技術(shù)展開的。該檢測系統(tǒng)通過方向盤內(nèi)集成的傳感器將駕駛員的面部細(xì)節(jié)以及心臟、腦電等部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再根據(jù)這些部位數(shù)據(jù)變化判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。往往這個過程相對繁瑣，需要對駕駛員進(jìn)行多方面的數(shù)據(jù)收集。而間接檢測是針對駕駛員駕車行為分析，即通過記錄和解析駕駛員轉(zhuǎn)動方向盤、踩剎車等行為特征，判別駕駛員是否疲勞。

下圖為DM系統(tǒng)判定駕駛員駕駛狀態(tài)的認(rèn)知維度表，分別從任職工作負(fù)荷（Cognitive workload）、駕駛習(xí)慣（Driving style）、物理位置（Physical position）、身體狀況（Medical condition）四個維度判斷。

現(xiàn)階段主流車系的應(yīng)用方案

目前豐田的DM方案是由豐田旗下的Denso提供的，主要應(yīng)用在雷克薩斯以及豐田商用車上。該方案采用一臺NIR的紅外傳感器與一體化ECU組成，裝配在駕駛員位置。通過攝像頭對駕駛員面部狀態(tài)以及眼睛的開合頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而判斷車輛的行駛狀態(tài)。此方案具有相當(dāng)高的識別率，但是裝配成本相對較高。

而現(xiàn)階段德系車型的DM方案都是基于方向盤轉(zhuǎn)向角速度的單向變化率來進(jìn)行判斷的。同時通過車內(nèi)硬件配置的使用情況將車速、行程、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、轉(zhuǎn)向角、橫向加速度、偏轉(zhuǎn)率、車門的情況、安全帶的情況、時間信號等操作進(jìn)行綜合運(yùn)算之后，得到一個駕駛員的情況。但是由于系統(tǒng)僅對汽車內(nèi)部情況進(jìn)行分析，缺少其他維度的支持，得到的數(shù)據(jù)存在一定的偏差。

相較于德系的方案，福特的技術(shù)就更加討巧。該方案為了進(jìn)一步提高整個算法的準(zhǔn)確性，將車輛行駛軌跡、駕駛員行為、周圍環(huán)境以及生物監(jiān)測信息四個維度進(jìn)行檢測。數(shù)據(jù)的豐富性使得福特的DM系統(tǒng)的準(zhǔn)確性大幅度提升，但是對于系統(tǒng)本身硬件來說，數(shù)據(jù)的運(yùn)算能力需要一個單獨的模塊進(jìn)行整合。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，市場上的DM系統(tǒng)很難將測量準(zhǔn)確性和裝配成本這兩者之間進(jìn)行平衡，所以現(xiàn)階段基于圖像技術(shù)的DM系統(tǒng)是最優(yōu)的選擇。

疲勞檢測電路

人體疲勞測試器的電路如圖所示，它實質(zhì)上是一個由555時基集成電路A為核心元器件而構(gòu)成的，是頻率可調(diào)式無穩(wěn)態(tài)自激多諧振蕩器。A所輸出的振蕩信號直接驅(qū)動發(fā)光二極管VD產(chǎn)生同步閃光，通過觀察閃光來自我測試身體。尤其是眼睛是否疲勞。

眾所周知，人的眼睛有一個重要的被稱為“視覺暫留特性”（也稱“視覺惰性”）的現(xiàn)象。即人們所看到的物體消失后，其圖像在眼睛中并不會隨之立即消失，而是仍將留下0．1～0.2秒的短暫視覺印象。正是由于人眼有這個特性，所以人們看電影、看電視和在普通熒光燈下工作時，雖然上述這三樣?xùn)|西都存在著一定的閃動頻率，但人眼所看到的畫面或運(yùn)動物體等卻是連續(xù)的，而不是閃動或斷續(xù)的。實踐證明：當(dāng)頻率連續(xù)可調(diào)節(jié)的閃光作用于人眼時，人眼對斷續(xù)閃光剛剛產(chǎn)生連續(xù)融合感覺的頻率（稱“臨界閃爍頻率”），與人的疲勞程度和飲酒量等有關(guān)。當(dāng)人疲勞、尤其是用眼過度時，人眼的視覺暫留時間會延長，所感覺到的臨界閃爍頻率將會顯著下降，人體疲勞測試器正就是利用這一參數(shù)變化來測試人的疲勞程度的。

電路工作過程：閉合電源開關(guān)SA，由555時基集成電路A及其外圍阻容元器件構(gòu)成的自激多諧振蕩器通電工作。剛接通電源時，電容器C兩端電壓為0V，A的輸出端第3腳為高電平，發(fā)光二極管VD（LED）點亮。隨著電池G通過電阻器R1、電位器RP和電阻器R2對C的不斷充電，C兩端電壓不斷上升。當(dāng)C兩端充電電壓達(dá)到2／3VCC（Vcc表示A的工作電壓）時，A內(nèi)部電路翻轉(zhuǎn)，其第3腳輸出變?yōu)榈碗娖?，VD熄滅；同時，A的第7腳內(nèi)部所接放電三極管導(dǎo)通，C通過R2、RP和A的第7腳放電。當(dāng)C兩端電壓放電至1／3Vcc時，A內(nèi)部電路再次翻轉(zhuǎn)，A的輸出端第3腳又一次變?yōu)楦唠娖?，VD再次點亮。如此周而復(fù)始，形成無穩(wěn)態(tài)振蕩，并使VD發(fā)出同步閃爍光來。調(diào)節(jié)RP可改變電路的振蕩頻率，從而使VD閃爍頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。R3是VD的限流電阻器，它的阻值大小決定了VD發(fā)光時的亮度。

對于VD發(fā)出的按一定頻率閃爍的亮光，不疲勞的人可以準(zhǔn)確地看出亮光在閃爍。而疲勞的人由于視覺暫留時間延長，便不能夠看出亮光在閃爍。通過改變VD發(fā)光的閃爍頻率，讓被測者判斷亮光是否閃爍，即可測試出被測試者是否疲勞以及疲勞的程度等。由于大多數(shù)人在正常情況下所能感測到的臨界閃爍頻率為30～40Hz，所以我們將RP的頻率調(diào)整范圍設(shè)計在20～60Hz之間。

A選用NE555或μ A555、LM555、5G1555等型555時基集成電路，它是一種模擬、數(shù)字混合集成電路，其引腳功能如圖所示。555時基集成電路具有定時精確、驅(qū)動能力強(qiáng)、電源電壓范圍寬、外圍電路簡單及用途廣泛等特點。非常適合電子愛好者制作時使用。

VD用普通φ5mm紅色發(fā)光二極管。如BT-204型等。這里采用發(fā)光二極管VD做發(fā)光源，和小白熾燈泡比較而言，具有發(fā)光惰性小、工作頻率高、耗電省及壽命長等特點。

R1～R3均用RTx-1／8W型碳膜電阻器。RP用WS5—1型小型有機(jī)實芯電位器，亦可用WH9—1型合成膜電位器等oC用C14D型獨石電容器oSA用CKB-1型撥動開關(guān)。G用6F22—9V型疊層干電池。

如上圖所示為該測試器的印制電路板接線圖，印制電路板實際尺寸約為40mm×25mm。

焊接好的電路板按照下圖所示，裝入體積合適的絕緣密閉小盒（如塑料香皂盒等）內(nèi)。盒面板開孔固定電源撥動開關(guān)SA，并分別開孔引出發(fā)光二極管VD的發(fā)光帽、伸出電位器RP的軸柄。在RP的軸柄上安裝一只合適的旋鈕，并在面板上刻出旋鈕調(diào)節(jié)擋位。電池G通過帶引線的電池扣板與電路板接通。電池扣板可從廢舊疊層干電池上拆取，并焊上引線即行。由于電池扣板與疊層干電池之間的接觸扣是凹凸相扣，所以在電池扣板上，應(yīng)是凹扣接電路正極引線，凸扣接電路負(fù)極引線。

制作成的人體疲勞測試器，只要元器件質(zhì)量保證，接線無誤，不須任何調(diào)試便可滿意工作。由于采用發(fā)光二極管VD做光源，所以不論在白天或夜晚均可使用。

使用時，一般可采取對比測試法。讓被測試者觀察圖4所示發(fā)光二極管VD的閃光，并順時針方向緩慢旋轉(zhuǎn)電位器RP的旋鈕（指示刻度由0至10），閃光頻率隨之不斷提高。當(dāng)被測試者觀察不出VD的間斷閃爍時，這時如果別人（已知是不疲勞者）仍能看出 VD的間斷閃爍，說明被測試者已疲勞；如果別人也同樣看不出間斷閃爍。則說明被測試者不疲勞。

也可采取自我測試法。在已知自己不疲勞時（可在休息良好、身體恢復(fù)得最為徹底的星期天早晨醒來時進(jìn)行），順時針方向緩慢轉(zhuǎn)動電位器RP旋鈕（指示刻度由O至10），在疲勞測試器上找出剛剛不能看出VD間斷閃爍的一點（即“臨界閃爍頻率”點），并做好記號，將刻度劃分成為左邊的“閃爍區(qū)”和右邊的“非閃爍區(qū)（指眼睛分辨不出間斷閃爍）”兩部分。以后自我測試時，如果在“閃爍區(qū)”內(nèi)的刻度處就看不出明快的間斷閃爍光，并感覺眼前直冒火星時，說明自己已經(jīng)疲勞了；并且指示刻度的數(shù)字越小，說明越疲勞。