李佳玉，彭見輝

0 引言

因疲勞駕駛所造成的交通事故占比較大[1]，對(duì)汽車駕駛員的駕駛狀況進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并在疲勞時(shí)給予預(yù)警是減少交通事故的重要措施。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于疲勞駕駛的監(jiān)測(cè)主要有基于車輛狀態(tài)信息、駕駛員操作行為及生理反應(yīng)的監(jiān)測(cè)等。而對(duì)車輛行駛狀態(tài)和駕駛員操作行為的疲勞監(jiān)測(cè)易受路面狀況等外界環(huán)境因素的影響[2]，對(duì)駕駛員生理信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)需采集人體生理信號(hào)如腦電波、脈搏、心率等，采集設(shè)備通常為接觸式的，需和駕駛員緊密接觸，對(duì)駕駛員行車造成極大干擾[2]。本文通過模擬駕駛實(shí)驗(yàn)，利用面背壓傳感器采集駕駛員的背靠壓力信號(hào)，先進(jìn)行小波消噪處理，再與采集的心率信號(hào)做相關(guān)性分析，確定背靠壓力可作為疲勞判定標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種無儀器佩戴駕駛的疲勞監(jiān)測(cè)方法，對(duì)疲勞駕駛監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定指導(dǎo)作用。

1 疲勞駕駛數(shù)據(jù)采集

在實(shí)際道路環(huán)境中疲勞駕駛非常危險(xiǎn)，難以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。研究證實(shí)，以實(shí)驗(yàn)室模擬疲勞駕駛采集的數(shù)據(jù)與實(shí)際車輛疲勞駕駛的基本相符[3]。實(shí)驗(yàn)駕駛平臺(tái)（如圖1），可實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車實(shí)際操作的真實(shí)模擬。

圖1 模擬駕駛實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)驗(yàn)中使用面背壓傳感器（如圖2）、BMD101軟接觸式心電傳感器（如圖3）采集駕駛員的背壓力和心率信號(hào)，設(shè)置采樣頻率均為200 Hz。其中心電傳感器是將心電極片粘貼在駕駛員胸部，利用內(nèi)部心電監(jiān)測(cè)模塊采集心率信號(hào)；面背壓傳感器是直接放置于實(shí)驗(yàn)駕駛員背部，利用對(duì)汽車座椅的壓力實(shí)現(xiàn)背靠壓力信號(hào)的采集。模擬駕駛實(shí)驗(yàn)在上午 10∶00-12∶00 和下午 14∶00-16∶00 兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行，實(shí)時(shí)采集并記錄駕駛員的背壓力和心率數(shù)據(jù)。

圖2 面背壓力傳感器分布圖

圖3 心電傳感器

2 背壓力信號(hào)疲勞特征參數(shù)分析

運(yùn)用駕駛員行車過程中的自我疲勞評(píng)價(jià)、旁人的客觀疲勞評(píng)價(jià)與PVT測(cè)試[4]相結(jié)合的方法完成清醒和疲勞狀態(tài)下背壓力和心率數(shù)據(jù)的劃分。選取駕駛員清醒和疲勞狀態(tài)下120min背壓力和心率數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分段處理，共12段，進(jìn)行以下分析。

2.1 面背壓力信號(hào)分析

面背靠壓傳感器是由16×16，編號(hào)1～256，呈矩陣式分布的壓力傳感器構(gòu)成的。以駕駛員清醒狀態(tài)下背靠壓力數(shù)據(jù)段5為例，做其等高線圖（如圖4），其中顏色較深的部分為背靠壓力較大的采集點(diǎn)。選擇其中背靠壓力最大點(diǎn)，由圖可知是第102個(gè)傳感器采集點(diǎn)，并截取其6 s數(shù)據(jù)，波形如圖5。

圖4 背靠壓力等高線圖

圖5 背靠壓力最大采集點(diǎn)波形

由圖5可知，背靠壓力波形是連續(xù)但不光滑的曲線。由于駕駛員操作方向盤時(shí)引起身體移動(dòng)，采集的背壓力信號(hào)存在基線漂移，再者噪聲、工頻等也會(huì)對(duì)背靠壓信號(hào)造成干擾，所以有必要進(jìn)行背靠壓力信號(hào)的消噪。

2.2 小波分析處理背靠壓力信號(hào)

小波分析在噪聲消除、濾波、信號(hào)特征提取等方面具有較為突出的優(yōu)勢(shì)[5]。db4小波基函數(shù)由于計(jì)算量少，濾波消噪效果好，并可以在MATLAB中直接對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速處理，便于實(shí)際實(shí)現(xiàn)[5]。本文選用db4小波進(jìn)行背靠壓力信號(hào)的濾波消噪，詳細(xì)過程如下∶

第一步，將2.1中截取的6 s背靠壓力數(shù)據(jù)運(yùn)用小波基函數(shù)對(duì)信號(hào)在選定的尺度下進(jìn)行小波分解，得到不同尺度下信號(hào)對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)；

第二步，對(duì)背靠壓力數(shù)據(jù)小波分解后所得到的小波系數(shù)進(jìn)行閾值門限計(jì)算；

第三步，對(duì)背壓力數(shù)據(jù)完成小波重構(gòu)，將小波系數(shù)按照分解層次進(jìn)行小波逆變換，以獲得濾波去噪后的背壓力信號(hào)，如圖6所示。

同理，完成駕駛員疲勞狀態(tài)下背靠壓力數(shù)據(jù)段5的消噪濾波。

2.3 背壓力與心率信號(hào)的相關(guān)性分析

采集駕駛員正常和疲勞兩種駕駛狀態(tài)下的心率信號(hào)如圖7所示?？芍{駛員的心率變化在正常狀態(tài)下相對(duì)較平穩(wěn)，而疲勞狀態(tài)下相對(duì)劇烈。研究表明，心率信號(hào)可作為監(jiān)測(cè)駕駛員的駕駛狀態(tài)（清醒或疲勞）的標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，因此將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的心率信號(hào)作為參考，與消噪濾波后的背壓力信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析。

其中，x，y分別表示背壓力和心率。

分別在清醒和疲勞狀態(tài)下，運(yùn)用相關(guān)性式（1）對(duì)心率信號(hào)和處理后的背壓力信號(hào)分析，得駕駛員正常時(shí)心率與背壓力的相關(guān)系數(shù)為r=0.812 3，疲勞時(shí)心率與背壓力的相關(guān)系數(shù)為r=0.858 2。當(dāng)0.8≤|r|＜1時(shí)，表明相關(guān)等級(jí)為高度相關(guān)[7]，由此可知正常、疲勞狀態(tài)，背靠壓力與心率均在高度相關(guān)，背靠壓力可作為評(píng)定駕駛員疲勞程度的特征，即可利用面背壓傳感器進(jìn)行疲勞駕駛監(jiān)測(cè)。

圖6 小波處理后的背靠壓力信號(hào)

圖7 不同駕駛狀態(tài)下的心率

3 結(jié)論

通過室內(nèi)模擬疲勞駕駛實(shí)驗(yàn)，利用面背壓傳感器和心率傳感器分別采集駕駛員背靠壓力和心率信號(hào)，以心率信號(hào)為參考，分析背靠壓力和心率之間的相關(guān)性，得到兩者高度相關(guān)，故在疲勞駕駛監(jiān)測(cè)中可將背靠壓力信號(hào)作為判定駕駛員是否疲勞的主要依據(jù)?；跓o儀器佩戴的疲勞駕駛監(jiān)測(cè)法對(duì)疲勞駕駛監(jiān)測(cè)及預(yù)警具有重要參考意義。

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