專利名稱：疲勞檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種檢測設(shè)備，尤其涉及一種應(yīng)用于駕駛員疲勞狀態(tài)檢測的疲勞檢測裝置。
背景技術(shù)：
隨著汽車產(chǎn)業(yè)和汽車消費(fèi)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)步入了汽車社會(huì)。2011年8月16日，美國汽車行業(yè)雜志W(wǎng)ardsauto公布目前全球處于使用狀態(tài)的各種汽車，其中包括轎車、卡車和公共汽車等的總保有量已經(jīng)突破了 10億輛，美國是世界上最大的汽車擁有國，汽車注冊(cè)量達(dá)2. 4億輛；中國次之，汽車擁有量為7800萬輛。我國的汽車銷量逐年穩(wěn)步上升，我們?cè)诟袊@中國的汽車工業(yè)發(fā)展如此之快的時(shí)候，也不能忽視我國交通事故的數(shù)量以及嚴(yán)重 性，而且交通事故也在逐年增長。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2007到2009年我國由于疲勞駕駛而導(dǎo)致的死亡人數(shù)非常大，約為每年9000人，分別占到了機(jī)動(dòng)車交通肇事總死亡人數(shù)的11. 35%、10. 91%和12. 5%[1]。如果能夠?qū)︸{駛員的疲勞狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測并且及時(shí)發(fā)出報(bào)警，將有效的減少交通事故的發(fā)生?，F(xiàn)有的疲勞檢測方法是多種多樣的，但是還沒有一種公認(rèn)的最有效的方法。針對(duì)目前的研究現(xiàn)狀，將駕駛員疲勞檢測方法總體上分為主觀和客觀這兩個(gè)方面主觀方法包括主觀調(diào)查表和駕駛員自我記錄方法等，客觀方法主要是醫(yī)學(xué)上的方法，比如腦電圖方法、眼電圖方法、肌電圖方法、呼吸氣流方法、呼吸效果方法、心電圖等方法，這些方法雖然都還相對(duì)比較準(zhǔn)確，但是由于實(shí)際工作環(huán)境復(fù)雜，而且每個(gè)人的生理參數(shù)也不同，所以僅根據(jù)以上的某一種方法來判斷疲勞，檢測的結(jié)果會(huì)不可靠，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。
發(fā)明內(nèi)容實(shí)用新型目的本實(shí)用新型提供一種疲勞檢測裝置，其目的是解決以往檢測疲勞駕駛的方式效果不理想的問題。技術(shù)方案本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的疲勞檢測裝置，其特征在于所述裝置包視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊、多點(diǎn)壓力檢測模塊和中央處理板；視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊均連接至中央處理板。視覺檢測模塊包括廣角攝像頭和高清廣角攝像頭，廣角攝像頭和高清廣角攝像頭連接至中央處理板；脈搏信號(hào)檢測模塊包括脈搏傳感器、兩個(gè)單片機(jī)、無線發(fā)送單元和無線接收單元，脈搏傳感器通過第一單片機(jī)連接至無線發(fā)送單元，無線發(fā)送單元與無線接收單元無線連接，無線接收單元通過第二單片機(jī)連接至中央處理板；多點(diǎn)壓力檢測模塊包括多個(gè)壓力傳感器、串口擴(kuò)展單元和壓力檢測單片機(jī)，多個(gè)壓力傳感器連接至串口擴(kuò)展單元，串口擴(kuò)展單元連接至壓力檢測單片機(jī)，壓力檢測單片機(jī)連接至中央處理板。優(yōu)點(diǎn)及效果本實(shí)用新型涉及一種疲勞檢測裝置，本實(shí)用新型主要包括視覺檢測模塊，脈搏信號(hào)檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊，分別檢測人眼和嘴的形態(tài)特征、脈搏頻率和多點(diǎn)壓力值，從而對(duì)信息進(jìn)行多模態(tài)融合，在不干擾駕駛員正常工作的情況下，形成一套利用多個(gè)疲勞特征的算法，該多模態(tài)疲勞檢測系統(tǒng)中視覺檢測模塊為最主要的參考標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗梢宰钪庇^的反映出駕駛員的疲勞情況，而且說服力最大，所以我們將視覺檢測模塊的權(quán)值擬設(shè)定為70%，而輔助的脈搏檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊對(duì)于系統(tǒng)來說不能起到?jīng)Q定作用，我們將它們擬定為15%，而后我們根據(jù)各模塊的綜合疲勞值來判斷駕駛員是否疲勞，當(dāng)判斷出駕駛員處于疲勞狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。本實(shí)用新型可以快速、準(zhǔn)確的 識(shí)別人的疲勞狀態(tài)，并及時(shí)提醒駕駛員，很好的解決了以往的檢測方式所存在的問題，大大降低了因疲勞駕駛造成的影響。


圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實(shí)用新型的檢測原理框圖；圖3為本實(shí)用新型的睜眼積分投影圖；圖4為本實(shí)用新型的閉眼積分投影圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明如圖I所示，本實(shí)用新型提供一種疲勞檢測裝置，其所述裝置包視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊、多點(diǎn)壓力檢測模塊和中央處理板；視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊均連接至中央處理板。視覺檢測模塊包括廣角攝像頭和高清廣角攝像頭，廣角攝像頭和高清廣角攝像頭連接至中央處理板；脈搏信號(hào)檢測模塊包括脈搏傳感器、兩個(gè)單片機(jī)、無線發(fā)送單元和無線接收單元，兩個(gè)單片機(jī)分為第一單片機(jī)和第二單片機(jī)，脈搏傳感器通過第一單片機(jī)連接至無線發(fā)送單元，無線發(fā)送單元與無線接收單元無線連接，無線接收單元通過另一個(gè)單片機(jī)連接至中央處理板；多點(diǎn)壓力檢測模塊包括多個(gè)壓力傳感器、串口擴(kuò)展單元和壓力檢測單片機(jī)，多個(gè)壓力傳感器連接至串口擴(kuò)展單元，串口擴(kuò)展單元連接至壓力檢測單片機(jī)，壓力檢測單片機(jī)連接至中央處理板。下面詳細(xì)介紹一下本實(shí)用新型的原理我們將總的疲勞程度量化為O 100，O為最清醒，100為最疲勞。系統(tǒng)根據(jù)各模塊的權(quán)值得到疲勞程度的量化總值來綜合判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。試驗(yàn)中系統(tǒng)將30秒作為一個(gè)判斷周期，我們暫時(shí)規(guī)定30秒內(nèi)獲得的綜合疲勞量化總值大于70時(shí)，就判斷駕駛員處于疲勞狀態(tài)。綜合疲勞量化總值這樣計(jì)算我們將每個(gè)模塊各自的疲勞程度同樣量化為(Γ100，對(duì)于視覺模塊，每3秒檢測一次，在一個(gè)疲勞判定周期30秒內(nèi)需要檢測10次，因此每次視覺檢測出疲勞狀態(tài)時(shí)其視覺疲勞量化值為10，若在30秒內(nèi)檢測出η (η < 10)次疲勞狀態(tài)，則視覺檢測模塊帶來的疲勞程度量化總值為wl = 10XnX70% ;若通過脈搏檢測模塊檢測到疲勞狀態(tài)，則其疲勞量化總值為w2 = 100X15% = 15，若未通過脈搏檢測模塊檢測到疲勞則w2 = O;而壓力檢測模塊的疲勞程度由5個(gè)通道檢測結(jié)構(gòu)構(gòu)成，因此，當(dāng)檢測到任意一個(gè)壓力通道有疲勞情況時(shí)，其疲勞程度量化值為20，若k (k ( 5)個(gè)通道檢測出疲勞狀態(tài)，其疲勞量化總值為w3 = 20XnX 15%。因此本系統(tǒng)最終獲得的疲勞程度量化總值為w=wl + w2 + w30目前我們規(guī)定當(dāng)w彡70時(shí)，即判定為疲勞狀態(tài)。當(dāng)未到30秒而視覺檢測模塊檢測出疲勞，系統(tǒng)發(fā)出普通警告，同時(shí)車內(nèi)會(huì)播放音樂來提示駕駛員已經(jīng)有疲勞的趨勢了，要注意行車安全；而每到30秒，系統(tǒng)將三個(gè)檢測模塊的綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)綜合判斷出疲勞狀態(tài)后，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出嚴(yán)重報(bào)警直到駕駛員去處理報(bào)警這個(gè)嚴(yán)重警報(bào)才會(huì)解除。視覺檢測模塊眼睛和嘴的信息被認(rèn)為是最能反映人疲勞與否的標(biāo)準(zhǔn)，所以視覺檢測模塊是此多模態(tài)疲勞檢測系統(tǒng)中權(quán)值最大的。該模塊主要應(yīng)用機(jī)器視覺和圖像處理的方法實(shí)時(shí)的檢測駕駛員的疲勞狀態(tài)，先利用廣角攝像頭和高清廣角攝像頭采集駕駛員的圖像，將信息傳遞給中央處理板，在中央處理板內(nèi)利用膚色檢測和腐蝕膨脹的方法確定駕駛員臉部的位置，再利用灰度積分投影和平滑曲線相結(jié)合的方法確定眼睛和嘴的位置，當(dāng)眼睛和嘴的精確位置確定后，本系統(tǒng)采用了自適應(yīng)閾值二值化圖像和區(qū)域生長相結(jié)合的方法進(jìn)行預(yù)處理，再確定眼睛和嘴的開閉狀態(tài)，從而進(jìn)行疲勞狀態(tài)的判斷。在人眼位置根據(jù)預(yù)處理圖像可以計(jì)算出眼睛的張開程度和寬度，得出眼睛的縱橫比與正常狀態(tài)下相比較，如果小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) 值，則判斷為閉合，如果閉合時(shí)間大于一定時(shí)間，則判斷為疲勞狀態(tài)。同理，在嘴的位置根據(jù)預(yù)處理圖像計(jì)算出嘴的縱橫比，將這個(gè)比值與正常值相比較來判斷此人是否在打哈欠。眼、嘴的動(dòng)作最能體現(xiàn)一個(gè)人的疲勞情況，因此，視覺檢測模塊獲得的疲勞情況在本系統(tǒng)中的權(quán)值為70%。視覺檢測模塊實(shí)現(xiàn)方法視覺檢測模塊選用基于膚色模型的方法進(jìn)行人臉檢測，該方法要求顏色空間的聚類效果好，基本不受亮度影響，所以選擇了聚類型性較好的YCbCr空間。然后根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)知道眼睛在臉部區(qū)域的大概位置。我們截取適當(dāng)?shù)娜四樆叶葓D像區(qū)域進(jìn)行水平積分投影。人眼區(qū)域的像素灰度值相對(duì)皮膚來說較低，將投影后表現(xiàn)出來的曲線根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)次數(shù)的平滑處理，這樣就可以濾除曲線上影響特征目標(biāo)坐標(biāo)的干擾，得到比較容易分析的投影曲線，從而大致定位出人眼的位置，然后再對(duì)人眼的大致灰度圖像進(jìn)行垂直投影和平滑曲線的組合操作，最后就能精確的定位出人眼的位置。這種基于灰度積分投影與平滑曲線相結(jié)合的人眼檢測方法計(jì)算量小，速度快，精度高。然后采用積分投影和區(qū)域生長相結(jié)合的方法檢測眼睛和嘴的狀態(tài)。在精確定位眼睛的基礎(chǔ)上，采用自適應(yīng)閾值的方法對(duì)眼睛圖像進(jìn)行二值化，但是自適應(yīng)閾值分割后的圖像在眉毛、眼球、眼鏡處呈黑點(diǎn)，區(qū)別于周圍膚色的白點(diǎn)，要得到眼球的位置、大小需要對(duì)二值化的圖像進(jìn)行分割。這里選擇眼睛為中心，并且通過區(qū)域生長的方法獲得眼球的連通域，從而有效的濾除了眼鏡、眉毛的連通域的影響。眼睛的狀態(tài)圖像經(jīng)過預(yù)處理以后，采用積分投影的方法來尋找眼睛的邊緣，從而確定眼睛的睜開程度及寬度，進(jìn)而計(jì)算縱橫比。睜眼和閉眼的積分投影圖如圖3和4所示。圖3和4中，A為左邊緣，B為右邊緣，C為上邊緣，D為下邊緣。根據(jù)眼睛積分投影圖可以計(jì)算出此時(shí)的縱橫比，根據(jù)PERCL0S的P80標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)認(rèn)為當(dāng)眼睛縱橫比大于眼睛睜開最大程度的20%時(shí)，狀態(tài)為睜眼，反之則為閉眼。在本系統(tǒng)中對(duì)嘴疲勞狀態(tài)的判斷同樣采用積分投影計(jì)算縱橫比的方法，當(dāng)人疲勞時(shí)，會(huì)有打哈欠的動(dòng)作，系統(tǒng)認(rèn)為嘴的縱橫比大于嘴張開最大程度的80%時(shí)，狀態(tài)為打哈欠，而人在正常狀態(tài)以及說話的情況下，嘴張開的程度一般不會(huì)超過嘴部縱橫比的80%，所以系統(tǒng)不會(huì)誤判此種情況。本模塊的檢測實(shí)驗(yàn)是在白天正常光照下的室內(nèi)完成的，通過攝像頭采集被測者的視頻序列，采樣率為25幀/秒。人在疲勞時(shí)眨眼的速度會(huì)明顯變慢，眼睛閉合睜開需要I秒左右的時(shí)間甚至更長，與此同時(shí)，會(huì)伴隨著打哈欠的動(dòng)作，而在正常狀態(tài)下，閉眼一次只需要O. 2 O. 3秒。所以本模塊采用每3秒計(jì)算一次PERCLOS值的方法，這里的PERCL0S值包括兩個(gè)部分，分別是眼睛和嘴的疲勞狀態(tài)判斷，即是計(jì)算這3秒75幀中判斷為疲勞的幀數(shù)占總幀數(shù)的百分比，本模塊分別計(jì)算這75幀圖像中眼睛被判斷為閉眼的幀數(shù)和嘴巴被判斷為張嘴的幀數(shù)，然后分別計(jì)算出眼睛和嘴被判斷為疲勞的幀數(shù)占總幀數(shù)的比率，本模塊軟件設(shè)定為眼睛的PERCL0S值大于O. 4即為眼睛狀態(tài)疲勞，嘴巴的PERCLOS值大于O. 8即為嘴的狀態(tài)疲勞，因?yàn)檫@里考慮駕駛員在說話的時(shí)候有被誤判的情況，所以適當(dāng)調(diào)整嘴巴疲勞判斷的PERCLOS值大小。當(dāng)眼睛疲勞和嘴巴疲勞這兩種情況有一種滿足時(shí)，本模塊軟件就認(rèn)為這3秒鐘駕駛員處于疲勞狀態(tài)。 脈搏信號(hào)檢測模塊人在疲勞時(shí)脈搏的頻率會(huì)明顯變慢。我們通過PVDF脈搏傳感器采集脈搏信號(hào)，模擬的脈搏信號(hào)經(jīng)過第一單片機(jī)的調(diào)理電路變?yōu)橹芷诓坏鹊姆讲?，再通過無線發(fā)送單元發(fā)送出去，該信號(hào)由無線接收單元接收之后再通過第二單片機(jī)傳輸至做為上位機(jī)的中央處理板，上位機(jī)計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)周期不等的方波信號(hào)的平均周期，進(jìn)而得到駕駛員的瞬時(shí)脈搏頻率，再與該駕駛員正常的脈搏頻率比較，當(dāng)檢測倒脈搏變慢時(shí)，系統(tǒng)會(huì)認(rèn)為駕駛員有疲勞的趨勢。本模塊采用nRF905無線通信模式，工作頻率300 1000MHz可調(diào)，而且輻射低，功耗小，操作方便，不影響駕駛員正常操作。由于此模塊采用接觸式測量，且對(duì)個(gè)人依賴程度較大，所以脈搏檢測模塊在本系統(tǒng)中權(quán)值大約為15%。脈搏檢測模塊實(shí)現(xiàn)方法本模塊分為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和接收模塊，主要就是根據(jù)比較脈搏的實(shí)時(shí)頻率與正常頻率的快慢，當(dāng)駕駛員產(chǎn)生疲勞時(shí)表現(xiàn)為脈搏的變慢。因?yàn)槊總€(gè)人的身體狀況不同，所以脈搏的頻率也就不同，當(dāng)駕駛員剛開始駕駛汽車時(shí)一般是非疲勞狀態(tài)，可以認(rèn)為這段時(shí)間內(nèi)測量的脈搏頻率的平均值是駕駛員的正常脈搏頻率，而脈搏的實(shí)時(shí)頻率即是每30秒內(nèi)測量脈搏頻率的二倍，當(dāng)脈搏的實(shí)時(shí)頻率低于正常頻率一定數(shù)值時(shí)，本模塊即認(rèn)為該駕駛員處于疲勞狀態(tài)，并將其疲勞量化總值置為15。而這個(gè)一定數(shù)值的確切值需要醫(yī)學(xué)上給以證明。多點(diǎn)壓力檢測模塊人在疲勞時(shí)身體會(huì)感到倦怠，反映為相對(duì)位置較長時(shí)間不動(dòng)，因此我們?cè)O(shè)計(jì)通過檢測壓力判斷駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)。本檢測模塊采用了實(shí)時(shí)讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并且實(shí)時(shí)分析的方法，將多個(gè)壓力傳感器放置在座椅上駕駛員能夠接觸的位置，采集的信號(hào)通過串口擴(kuò)展單元和壓力檢測單片機(jī)傳輸至中央處理板，然后本實(shí)用新型將獲取多個(gè)通道的壓力值進(jìn)行平滑處理，這樣可以消除掉汽車運(yùn)動(dòng)中所帶來的干擾，我們實(shí)時(shí)的分析每個(gè)通道的壓力值，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有通道的波形曲線為平坦時(shí)，計(jì)算出壓力模塊的疲勞參數(shù)值，最后通過本模塊的權(quán)值計(jì)算出綜合疲勞值，再與其他兩個(gè)模塊的綜合疲勞值相整合，來綜合判斷駕駛員的疲勞狀態(tài)。由于駕駛員個(gè)體間的差異及不確定性，多點(diǎn)壓力檢測模塊在本系統(tǒng)中權(quán)值設(shè)定為15%。多點(diǎn)壓力檢測模塊實(shí)現(xiàn)方法本模塊檢測方法是在駕駛員的座椅上安裝5個(gè)或其他個(gè)數(shù)的壓力傳感器，利用5個(gè)或其他個(gè)數(shù)的通道實(shí)時(shí)采集這5個(gè)活其他個(gè)數(shù)位置的壓力值，并在軟件界面上實(shí)時(shí)畫出壓力的波形曲線。當(dāng)駕駛員產(chǎn)生疲勞時(shí)表現(xiàn)為身體長時(shí)間的不動(dòng)，這樣5個(gè)波形曲線就是平坦的狀態(tài)。因此通過分析這5個(gè)位置的實(shí)時(shí)曲線形態(tài)可以獲得駕駛員的疲勞狀態(tài)當(dāng)在30秒內(nèi)檢測到某個(gè)通道的壓力波形曲線為平坦，就認(rèn)為此通道產(chǎn)生疲勞狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在實(shí)驗(yàn)室白天正常光照的情況下，對(duì)5名檢測對(duì)象進(jìn)行模擬疲勞分析。我們對(duì)每位檢測對(duì)象都采集共30分鐘的視頻，而每30秒綜合判斷一次疲勞狀態(tài)，這30分鐘的視頻時(shí)間共包括60個(gè)階段，即為60個(gè)狀態(tài)。我們?nèi)藶橐?guī)定被檢測者每300秒中的前150秒時(shí)間保持為正常狀態(tài)，后150秒時(shí)間模擬疲勞狀態(tài)，即頻繁的眨眼、長時(shí)間閉眼或者伴隨著打哈欠。由于很難模擬人疲勞時(shí)的脈搏情況，所以在這里的脈搏模塊疲勞值人為的設(shè)定為困倦時(shí)候的疲勞值的最大值。某位被檢測者300秒內(nèi)的測試數(shù)據(jù)如表I所示，當(dāng)疲勞程度量化總值w > 70時(shí)系統(tǒng)判定為疲勞狀態(tài)。 表I某位被檢測者300秒測試數(shù)據(jù)Tablel Result data of one person in 300 seconds
權(quán)利要求1.疲勞檢測裝置，其特征在于所述裝置包視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊、多點(diǎn)壓力檢測模塊和中央處理板；視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊均連接至中央處理板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的疲勞檢測裝置，其特征在于視覺檢測模塊包括廣角攝像頭和高清廣角攝像頭，廣角攝像頭和高清廣角攝像頭連接至中央處理板；脈搏信號(hào)檢測模塊包括脈搏傳感器、兩個(gè)單片機(jī)、無線發(fā)送單元和無線接收單元，脈搏傳感器通過第一單片機(jī)連接至無線發(fā)送單元，無線發(fā)送單元與無線接收單元無線連接，無線接收單元通過第二單片機(jī)連接至中央處理板；多點(diǎn)壓力檢測模塊包括多個(gè)壓力傳感器、串口擴(kuò)展單元和壓力檢測單片機(jī)，多個(gè)壓力傳感器連接至串口擴(kuò)展單元，串口擴(kuò)展單元連接至壓力檢測單片機(jī)，壓力檢測單片機(jī)連接至中央處理板。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種疲勞檢測裝置，其特征在于所述裝置包視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊、多點(diǎn)壓力檢測模塊和中央處理板；視覺檢測模塊、脈搏信號(hào)檢測模塊和多點(diǎn)壓力檢測模塊均連接至中央處理板。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)合理，判斷準(zhǔn)確，可以及時(shí)的發(fā)現(xiàn)駕駛員的疲勞狀態(tài)，可以大大提高駕車的安全性。
文檔編號(hào)A61B5/18GK202568277SQ20122023006
公開日2012年12月5日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者劉振宇, 柯麗, 李振田 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)