基于雷达式非接触生命参数监测系统的安全带设计

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摘 要：雷达式非接触生命监测技术是融合雷达技术和生物医学工程技术于一体,无需任何电极或者传感器接触生命体,以电磁波为探测媒介,间隔一定距离,并可穿透非金属介质,如衣服、被褥、纱布等物体非接触、远距离、无约束的检测到人体的呼吸及心脏跳动等信息,进而提取出人体的生命体征参数.本研究通过在安全带上安装雷达式非接触生命参数监测系统,收集驾驶员行车过程中心跳频率,进行信号处理,实时判断驾驶员的生理体征情况,基于心率变异性的研究理论及时发现并提醒即将进入疲劳驾驶的驾驶员.采用生物雷达技术检测生命信息,不仅弥补了接触式检测疲劳驾驶技术的局限性,而且保障交通安全.

关 键 词 ：雷达式非接触；生命体征参数；疲劳驾驶；心率变异性

1.概述

交通事故是当前世界各国面临的严重社会问题之一,已被公认为当今世界危害人民生命安全的第一大公害.随着我国高速公路的发展和车速的提高,交通事故的发生率也逐年增高.据统计,人为因素所导致的交通事故占了80%～90%,而驾驶员疲劳驾驶便是其中重要一项.疲劳驾驶[1]是指驾驶员在一段时间的驾车之后所产生的反应水平下降,导致不能正常驾车行驶.驾驶员产生疲劳后,其心理状态也会发生各种各样的变化,如视力下降,致使注意力分散、视野逐渐变窄；思维能力下降,致使反应迟钝、判断迟缓、动作僵硬、节律失调；自我控制能力减退,致使易于激动、心情急躁或开快车等.根据美国国家公路交通安全署的统计,在美国的公路上,每年由于司机在驾驶过程中跌入睡眠状态而导致大约10万起交通事故,约有1500起直接导致人员死亡,711万起导致人员伤害.我国48%的车祸是由驾驶员疲劳驾驶引起的,造成了重大的财产损失.而目前针对解决驾驶员疲劳驾驶问题并没有较完整的处理措施和预警系统[2],传统的方法为使用可佩带的疲劳驾驶监测传感器和视频监视器等,这些都存在一定缺陷.

由此可见,疲劳驾驶是造成交通事故的一个重要因素,监测汽车驾驶员疲劳状态的方法与装置目前已经成为世界各国科研的重点,能在驾驶员出现疲劳状态的初期给驾驶员以视觉或听觉上的警示,其研究成果对减少由疲劳驾驶引起的交通事故有重要意义.此研究设计基于雷达式非接触生命参数信号[3-5]监测技术实时监测疲劳驾驶的安全带系统,雷达通过发射电磁波信号,利用人体某些部位的运动（如心跳、呼吸和四肢的摆动等）对发射信号调制所引起的微多普勒效应[6,7]可以实现对人体的探测、定位、成像、识别、行为分类以及多种人体信息的提取,通过在安全带上安装雷达式非接触生命参数监测系统,监测人体心率变化规律,对进入疲劳驾驶状态及时进行预警和车辆限速,减少因疲劳驾驶造成的交通事故.

2.国内外疲劳驾驶监测装置的研究现状

国内外研究人员主要取得的监测驾驶疲劳研究成果如下：

（1）打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS（The Drowsy Driver Detection System）[8]：德国SAFEAU研制的采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法,可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳数据,用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着.该系统可制成体积较小的仪器,安装在驾驶室内驾驶员头顶上方,完全不影响驾驶员正常的驾驶活动.

（2）方向盘监视装置S.A.M.（Steering Attention Monitor）：美国Electronic Safety Products公司开发的一种监测方向盘非正常运动的传感器装置,适用于各种车辆.方向盘正常运动时传感器装置不报警,若方向盘4s不运动,S.A.M.就会发出报警声直到方向盘继续正常运动为止 [9].

（3）DAS2000型路面警告系统（The DAS2000 Road Alert System）：日本研制的一种设置在高速公路上用计算机控制的红外线监测装置,当行驶车辆摆过道路中线或路肩时,向驾驶员发出警告.

（4）电子“清醒带”：由日本研制开发,使用时固定在驾驶员头部,将“清醒带”一端的插头插入车内点烟器的插座,装在带子里的半导体温差电偶使平展在前额部位的铝片变凉,使驾驶员睡意消除,精神振作.戴上这种“清醒带”,可以24h无睡意.“清醒带”使用电压12～14V,电流500mA,十分安全.

（5）疲劳驾驶员警报系统（ASTiD）：英国Loughborough大学睡眠研究中心的科学家研制的新型电子设备.该系统将一些常见因素作为参考系数,如：由于驾驶员睡眠造成的交通事故高发期、车辆行驶状况及驾驶员持续驾驶的时长等.一旦驾驶员昏昏欲睡,声音和图像警示器将对他们提出警告[8,10].

（6）眼动监测与视频监测装置：美国华盛顿大学的JohnStern博士领导的由美国联邦公路管理局和汽车联合会资助的研究所,通过自行开发的专用照相机、脑电图仪和其他仪器来精确测量头部运动、瞳孔直径变化和眨眼频率,用以研究驾驶行为等问题.2000年1月明尼苏达大学的Nikolaos P与Papaniko lopoulos教授成功开发了一套驾驶员眼睛的追踪和定位系统[11],通过安置在车内的一个CCD摄像头监视驾驶员的脸部,通过追踪多幅正面脸部特征图像来监控驾驶员是否疲劳.

我国的疲劳驾驶研究[12-16]起步较晚,目前比较成型的是由浙江司安汽车电子股份有限公司与清华大学、东南大学的几位博士组建的中国单片机公共实验室联合研究出来的疲劳驾驶预警机是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统,其原理和丰田十三代标配的瞌睡报警系统类似,主要检测驾驶员的眼睛开合情况,尤其增加了对瞳孔的识别,即使有驾驶员睁眼睡觉也能被识别出,基于红外图像的处理使得产品在阳光下和黑暗里都能进行识别,系统还能对带各类戴眼镜的驾驶员进行识别,实用性很强.除此之外,中国上海交通大学的石坚,吴远鹏,卓斌等人通过传感器测量驾驶员驾驶时方向盘踏板等的运动参数,然后采用模糊神经网络的方法对驾驶员疲劳程度进行辨识和分析[17]；吉林大学的王荣本与北京农业大学的郑培等[18], 利用机器视觉的方法对驾驶员的眼睛特征进行实时跟踪从而判断驾驶员的精神状态. 3 系统设计原理

3.1 系统控制结构

设计采用的非接触生命参数检测系统是基于毫米波雷达而建立起来的,整个系统由毫米波雷达[19]主机收发一体式天线[20]、生命参数滤波放大预处理器以及车载电脑PC三部分组成.其天线微波探测方案采用后向散射式（反射式）,利用多普勒反射原理,该振荡信号经定向耦合器,一路经环形器送入雷达天线发射出去,另一路送入混频器.当雷达天线发射的电磁波信号遇到人体时,产生反射信号,雷达天线接收到回波信号后,通过环形器送入混频器进行混频,在检测过程中,由于呼吸、心跳信号极其微弱,而“动目标”信号则很强,所以就要求预处理器的输入信号动态范围很大,具有一定的抗“动目标”的能力,而且信噪比、共模抑制比和灵敏度要高,处理后方能送入车载电脑PC,数据分析处理和预警控制结构见图1.

图1 系统控制结构图

3.2 疲劳驾驶监测原理

安全带系统通过车载电脑PC对采集的心电数据分析处理[21-23],进行R波的检测、HRV分析,得到时域、频域、非线性指标的变化趋势,进而对疲劳等级分级[24],对于疲劳状态较严重者,PC将信息反馈到预警系统,提示驾驶员无法继续正常行车,必须停车休息.由于国家规定行车时间超过4h,必须停车休息,当监测系统运行4h后,预警系统也可自动开启提示状态.系统结构框图见图2.

图2 系统结构框图

4.系统可行性分析

本设计采用的雷达式非接触生命监测技术,无需接触生命体就可检测人体呼吸及心脏跳动等信息,装置受棉质障碍物影响小,信号强度稳定,保证了接收数据的准确性和稳定性,采用的毫米级电磁波不会对人体造成伤害,保证了驾驶员的健康安全.本设计无需改变安全带材质和样式,只需在靠近驾驶员心脏及胸部的安全带部位内嵌一个监测装置,动力通过汽车本身的电气系统供应,在车辆启动时自动启动,系好安全带后方可正常工作,可长时间运行,保证了在行车过程中对驾驶员疲劳度有效的实时监测,当驾驶员心率出现异常时自动报警并控制车辆减速,无需驾驶员采取其他操作,方便智能.心率检测系统造价低廉,成本费用不超过1000元,可大规模配备于各种车辆,便于推广使用.本装置感应器体型小,线路简单,占有机动车内部空间小,保证了机动车座舱内的美观大方.本设计实用价值高,不仅弥补了接触式检测疲劳驾驶技术的局限性,而且保障交通安全,在交通运输领域具有广阔的发展空间.

5.结束语

疲劳驾驶监测装置已经商业化,有越来越多的成熟型产品推向市场,但是高成本阻碍了监测装置的普及应用,需要采用更先进的技术,降低监测装置的成本,将疲劳驾驶监测装置推向更广阔的市场.

本研究提出的基于雷达式非接触生命参数监测系统的人体生理信号检测的驾驶疲劳研究方法,通过加载在安全带上安全可靠地进行监测.目前,国内使用的疲劳驾驶监测研究设备已经可以达到一定程度的效果,但尚未形成专门的理论；而关于基于雷达式非接触生命参数监测系统的安全带监测驾驶疲劳的研究目前还未见报道.面对现在信息技术、无线技术的飞速发展和不断完善,该方法的提出为更客观地研究驾驶疲劳和监测疲劳驾驶的形成提供新的思路和方法,对于减少交通事故造成的损失和保护驾驶员身体健康具有十分重要的意义.