一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，包括：压电薄膜传感器，其设置在驾驶员座位下，用于检测驾驶员心跳和呼吸信号；电荷放大电路，其输入端与所述压电薄膜传感器连接，用于放大所述心跳和呼吸信号；低通滤波电路，其输入端与所述电荷放大电路的输出端连接，用于提高心跳和呼吸信号的信噪比；微控制器，其与所述低通滤波电路的输出端连接，用于分离心跳和呼吸信号并分析驾驶员的疲劳程度，采用非接触式测量汽车驾驶员的生理信号，结构简单，测量准确。本发明专利技术还公开了汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法，通过压电薄膜传感器采集驾驶员的心跳、呼吸等混合信号并进行分离，计算驾驶员的疲劳指数而分析驾驶员的疲劳状态。

A vehicle driver fatigue driving active safety monitoring system and its monitoring method

The invention discloses an active safety monitoring system for driver fatigue driving, including a piezoelectric film sensor set under the driver's seat to detect the driver's heartbeat and respiratory signal; the charge amplification circuit is connected with the piezoelectric film sensor to amplify the heartbeat and breathing letter. A low pass filter circuit whose input end is connected to the output end of the charge amplification circuit to improve the signal to noise ratio of the heartbeat and respiratory signal; the microcontroller is connected to the output end of the low pass filter circuit to separate the heartbeat and respiratory signals and analyze the fatigue degree of the driver, using a non-contact measurement steam. The driver's physiological signal is simple in structure and accurate in measurement. The invention also discloses the active safety monitoring method for driver's fatigue driving, and uses a piezoelectric film sensor to collect and separate the mixed signals of the driver's heartbeat and respiration, and calculates the fatigue index of the driver and analyzes the fatigue state of the driver.

【技术实现步骤摘要】
一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统及其监测方法
本专利技术涉及汽车主动安全监测领域，更具体的是，本专利技术涉及一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统及其监测方法。
技术介绍
随着我国经济的快速发展，汽车保有量呈现高速增长的趋势，与此同时，交通事故的发生量也在逐年递增。公安部交管局的统计数据显示，截止到2016年底，我国的汽车保有量将超过2亿辆，同时2016年全国共发生货车责任道路交通事故5.04万起，造成2.5万人死亡、4.68万人受伤，已经连续十余年居世界第一。引发交通事故的原因多种多样，疲劳驾驶便是其中最为重要的一种。不同于其它危险驾驶，疲劳驾驶具有隐蔽性，不易检测，严重威胁了广大驾驶员的人身安全。因此，研究如何有效地防止疲劳驾驶，对于减少交通事故，保护驾驶员的人身安全具有重要意义。驾驶疲劳作为一种生理现象，与人体的生理参数紧密相关。通过传感器检测驾驶员的生理信号，如心电信号、呼吸信号等，来评估驾驶员的疲劳状态是现今最准确的检测方法。传统驾驶员生理信号监测需要全身佩戴采用多个传感器电极和复杂的连线，对驾驶员造成极大的身心压力，会导致监测数据缺乏真实性，不能有效反映被测者的实际心电生理状况。因此，采用非接触式测量汽车驾驶员的心电生理信号成为了研究热点和创新应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计开发了一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，采用非接触式测量汽车驾驶员的生理信号，结构简单，测量准确。本专利技术的另一个目的是设计开发了一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法，通过压电薄膜传感器采集驾驶员的心跳、呼吸等混合信号并进行分离，计算驾驶员的疲劳指数进而分析驾驶员的疲劳状态，测量结果更准确。本专利技术提供的技术方案为：一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，包括：压电薄膜传感器，其设置在驾驶员座位下，用于检测驾驶员心跳和呼吸信号；电荷放大电路，其输入端与所述压电薄膜传感器连接，用于放大所述心跳和呼吸信号；低通滤波电路，其输入端与所述电荷放大电路的输出端连接，用于提高心跳和呼吸信号的信噪比；微控制器，其与所述低通滤波电路的输出端连接，用于分离心跳和呼吸信号并分析驾驶员的疲劳程度。优选的是，所述电荷放大电路包括：电荷放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第1路；第一电容和第一电阻，其设置在电荷放大电路的输入端组成阻容耦合网络；反馈电容和反馈电阻，其设置在电荷放大电路的输出端组成电荷放大器功能电路。优选的是，所述低通滤波电路为四阶巴特沃斯低通有源滤波器电路，其由第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路和第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路串联而成。优选的是，所述第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：第一集成运算放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第2路；第二电容和第二电阻，其设置在第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路的输入端组成第一低通滤波；所述第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：第二集成运算放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第3路；第三电容和第三电阻，其设置在第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路的输入端组成第二低通滤波。优选的是，所述压电薄膜传感器为聚偏氟乙烯压电薄膜传感器。相应地，本专利技术还提供一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法，包括如下步骤：步骤1：通过压电薄膜传感器根据驾驶员体动采集压电电荷，并进行电荷放大和低通滤波，所述采集的压电电荷为：Qout＝d33·Fi其中，Qout为采集的压电电荷，d33为压电薄膜传感器的压电常数，Fi为压电薄膜传感器表面受到的应变力；步骤2：将低通滤波后的混合信号进行50Hz工频陷波处理得到转移函数：其中，H(z)为得到的转移函数，z为低通滤波后的混合信号；步骤3：采用最小均方自适应动态滤波方法提取分离呼吸值和心跳值，并计算驾驶员疲劳指数：其中，χ为疲劳指数，nh为采集的驾驶员的心跳值，n0为基础心跳值，ωb为采集的驾驶员的呼吸值，ω0为基础呼吸值。优选的是，所述步骤1中，信号采集时间间隔为14个时钟周期，转换精度为12bit，时钟配置为TIM输出，采用DMA乒乓结构进行数据存储和处理。优选得是，所述步骤1中，低通滤波的截止频率为100Hz。优选的是，所述步骤3中采用最小均方自适应动态滤波方法提取分离呼吸值和心跳值包括：将50Hz工频陷波处理的混合信号s(i)作为原始输入信号；将原始混合信号s(i)进行延迟处理得到信号d(i)作为参考信号；将心跳信号e(i)作为噪声滤波掉，分离出目标呼吸信号y(i)；初始化滤波系数矢量估值w(i)、滤波器阶数L以及初始化收敛速度的步长因子μ，得到呼吸信号y(i)＝wT(i)*s(i)，并计算心跳信号e(i)＝d(i)-y(i)；依据w(i)＝w(i-1)+2*μ*s(i)*e(i)进行迭代计算，采用最小均方优化分离呼吸信号y(i)和心跳信号e(i)。优选的是，所述步骤3中：当1≤χ＜1.5时，驾驶员处于轻度疲劳状态；当1.5≤χ＜3时，驾驶员处于中度疲劳状态；当χ≥3时，驾驶员处于重度疲劳状态。本专利技术至少具备以下有益效果：(1)本专利技术所述的汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，采用非接触式测量汽车驾驶员的生理信号，结构简单，测量准确。(2)本专利技术所述汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法，通过压电薄膜传感器采集驾驶员的心跳、呼吸等混合信号并进行分离，进而分析驾驶员的疲劳状态，测量结果更准确。附图说明图1为本专利技术所述汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统模块图。图2为本专利技术所述PVDF压电薄膜传感器的工作原理图。图3为本专利技术所述电荷放大电路的电路图。图4为本专利技术所述低通滤波电路的电路图。图5为本专利技术所述汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法的流程图。图6为本专利技术所述最小均方自适应动态滤波方法提取分离呼吸值和心跳值的算法图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1所示，本专利技术提供一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，包括：压电薄膜传感器110，其设置在驾驶员座位下，用于检测驾驶员心跳和呼吸信号；电荷放大电路120，其输入端与所述压电薄膜传感器110连接，用于放大所述心跳和呼吸信号；低通滤波电路130，其输入端与所述电荷放大电路120的输出端连接，用于提高心跳和呼吸信号的信噪比；微控制器140，其与所述低通滤波电路130的输出端连接，用于分离心跳和呼吸信号并分析驾驶员的疲劳程度。所述压电薄膜传感器110为聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器，其工作原理如图2所示，PVDF压电薄膜传感器是一种新型的压电高分子材料，当薄膜表面受到外部压力F时在上下两个表面会产生极性相反、大小相等的电荷，此时可等效成为电容器。本实施例中，所述PVDF压电薄膜传感器为长40cm，宽8cm的长带形，厚度为30μm，压电常数为21±1pC/N。如图3所示，所述电荷放大电路120包括：电荷放大器芯片121，其为四路轨道集成电路TLV2460的第1路；第一电容122和第一电阻123，其设置在电荷放大电路120的输入端组成阻容耦合网络；反馈电容124和反馈电阻125，其设置在电荷放大电路120的输出端组成电荷放大器功能电路。所述电荷放大电路120的工作原理是：PVDF压电薄膜传感器受到驾驶员体动压力后产生的是微弱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，包括：压电薄膜传感器，其设置在驾驶员座位下，用于检测驾驶员心跳和呼吸信号；电荷放大电路，其输入端与所述压电薄膜传感器连接，用于放大所述心跳和呼吸信号；低通滤波电路，其输入端与所述电荷放大电路的输出端连接，用于提高心跳和呼吸信号的信噪比；微控制器，其与所述低通滤波电路的输出端连接，用于分离心跳和呼吸信号并分析驾驶员的疲劳程度。

【技术特征摘要】
1.一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，包括：压电薄膜传感器，其设置在驾驶员座位下，用于检测驾驶员心跳和呼吸信号；电荷放大电路，其输入端与所述压电薄膜传感器连接，用于放大所述心跳和呼吸信号；低通滤波电路，其输入端与所述电荷放大电路的输出端连接，用于提高心跳和呼吸信号的信噪比；微控制器，其与所述低通滤波电路的输出端连接，用于分离心跳和呼吸信号并分析驾驶员的疲劳程度。2.如权利要求1所述的汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，所述电荷放大电路包括：电荷放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第1路；第一电容和第一电阻，其设置在电荷放大电路的输入端组成阻容耦合网络；反馈电容和反馈电阻，其设置在电荷放大电路的输出端组成电荷放大器功能电路。3.如权利要求1所述的汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，所述低通滤波电路为四阶巴特沃斯低通有源滤波器电路，其由第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路和第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路串联而成。4.如权利要求3所述的汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，所述第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：第一集成运算放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第2路；第二电容和第二电阻，其设置在第一二阶巴特沃斯低通滤波器电路的输入端组成第一低通滤波；所述第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路包括：第二集成运算放大器芯片，其为四路轨道集成电路TLV2460的第3路；第三电容和第三电阻，其设置在第二二阶巴特沃斯低通滤波器电路的输入端组成第二低通滤波。5.如权利要求1所述的汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测系统，其特征在于，所述压电薄膜传感器为聚偏氟乙烯压电薄膜传感器。6.一种汽车驾驶员疲劳驾驶主动安全监测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：通过压电薄膜传感器根据驾驶员体动采集压电电荷，并进行电荷放大和低通滤波，所述采集的压电电荷为：Qout＝d33·Fi其中，Qout为采集的压电电荷，d33为压电薄膜传感器的压电常数，Fi为压电薄膜传感器表面受到的应变力；步骤2：将低通滤波后的混合信号进行50Hz...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹景胜，石晶，史英杰，王冬霞，郭银景，单鹏，李刚，徐肖，
申请(专利权)人：辽宁工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21