基于MM908E625和Low-G的汽車駕駛狀態(tài)(疲勞駕駛)監(jiān)控

我國新的《道路交通法》中，為維護道路交通安全，也明文規(guī)定了對駕駛速度、連續(xù)駕駛時間等。國外一些交通運輸發(fā)達國家也制定這方面的國家統(tǒng)一法規(guī)。疲勞駕駛是公路汽車駕駛特別是高速公路上的“隱形殺手”，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，從交通事故的大量案例分析中得出的結(jié)論認為：開車人因疲勞駕駛所造成的道路交通事故約占交通事故總數(shù)的20％。而疲勞駕駛在死亡交通事故的原因中卻占22％－30％，在死亡交通事故的原因中居首位，由此可想疲勞駕駛對道路交通安全的危害性。

　　除法規(guī)建設外，國內(nèi)外的汽車廠商也設計出各種儀器設備用于疲勞駕駛監(jiān)控，一種針對疲勞駕駛的紅外線眼球掃描儀在美國研制成功，這種眼球掃描儀外形如同一個小型攝像機，使用也很方便，只要把它安裝在儀表盤上，讓鏡頭對準司機，掃描儀就會連續(xù)發(fā)出紅外線信號來掃描司機眼球中的眼白部分，同時判斷出疲勞程度并發(fā)出“減速停車”、“休息一下”等警告信號。雷諾、尼桑等產(chǎn)業(yè)巨頭長期研發(fā)克服疲勞駕駛一種監(jiān)視系統(tǒng),因理論技術(shù)應用缺陷仍無法商業(yè)推廣。日本豐田公司研制的疲勞報警裝置，只要駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時有一點遲鈍，或脈搏有一點異常變化，該裝置就能測出這些反應，并發(fā)出警告，令座墊振動或自動剎車。

　　日本東京大學研制出的疲勞測試器，可戴在司機的手腕上。該測試器內(nèi)部裝有一小型氧氣電池電極，能測量司機汗液中的乳酸、氨和酒精含量，然后通過小型無線電發(fā)射器把數(shù)據(jù)傳送到研究中心。研究中心通過電腦分析，判定司機的疲勞程度，及時向司機發(fā)出警告，避免交通事故的發(fā)生。國內(nèi)也有可有效預防駕駛員違章駕駛、遏制重大交通事故的“汽車行駛記錄儀”通過鑒定的報道。

　　以上這些方法因這樣或那樣的問題，達到實用都存在一定的困難。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展ARCHEAN.net版權(quán)所有，通過采用最先進的測試技術(shù)，結(jié)合嵌入式計算機、網(wǎng)絡技術(shù)的應用，智能控制技術(shù)，對汽車疲勞駕駛狀態(tài)進行監(jiān)控，達到減少因疲勞駕駛造成的道路交通事故的目的。

　　設計概述

　　本設計的目標是應用現(xiàn)代電子技術(shù)的最新發(fā)展成果，用Motorola公司為第五屆嵌入式微處理器“Freescale杯”提供的芯片和傳感器，設計基于MM908E625和Low-G的汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控儀。

　　監(jiān)控儀特性：

　　1．方向盤的轉(zhuǎn)向軸、油門踏板和剎車踏板多點監(jiān)控。

　　2．加速度傳感器信號獨立處理，確保實時性。

　　3．LIN總線網(wǎng)絡，實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。

　　4．互動平臺：駕駛路況選擇，更有利于控制系統(tǒng)監(jiān)控。提供聲光、震動報警提示。

　　5．大容量數(shù)據(jù)存儲和采集，大屏幕LCD顯示，異動駕駛時間段數(shù)據(jù)查詢。

　　6．神經(jīng)元網(wǎng)絡技術(shù)、模糊控制和專家系統(tǒng)。

　　汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控儀的基本思路是當駕駛員正常駕駛、短距離駕駛、短時間駕駛時，沒有疲勞駕駛問題，這時監(jiān)控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進行數(shù)據(jù)搜集，建立駕駛習慣數(shù)學模型，并根據(jù)不斷采集的數(shù)據(jù)進行修正。

　　隨著連續(xù)駕駛時間的增加，監(jiān)控儀自動進入疲勞駕駛監(jiān)控狀態(tài)，如果駕駛員有疲勞癥狀，必然會反映出與正常駕駛不同的偏差。如：突然急剎車的頻率增加、連續(xù)大油門時的方向盤突然轉(zhuǎn)向，油門踏板的平穩(wěn)性變化等。結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡技術(shù)、模糊控制和專家系統(tǒng)，組成對駕駛員的駕駛狀態(tài)的監(jiān)控，增加與駕駛員的互動平臺，向駕駛員提出駕駛指示、報警等。本人已在自己的自動波車上作過一些嘗試，并取得成果。

　　加速度傳感器Low-G分別被安裝在方向盤的轉(zhuǎn)向軸、油門踏板和剎車踏板上，由MCU/DSP嵌入式微處理器MM908E625對傳感器的信號進行處理，并組成LIN總線網(wǎng)絡。

　　傳感器除了采用加速度傳感器Low-G外，還需要速度和位置傳感器。

　　硬件描述

　　1.硬件系統(tǒng)構(gòu)成：

　　系統(tǒng)主節(jié)點為嵌入式PC機，配置PIII處理器、觸摸屏提供交互式界面，主節(jié)點PC機完成數(shù)據(jù)庫的建立、更新，智能控制程序運行和對LIN子節(jié)點的通訊管理。交互式界面提供路段、路況、測控時間等選擇，對駕駛狀態(tài)的等級提示和報警等。

　　主節(jié)點經(jīng)過LIN接口板連接到四個LIN子節(jié)點，LIN子節(jié)點以MM908E625為核心，對加速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度和制動踏板位置等物理量進行檢測和信號預處理，其中第一、二、三子節(jié)點對方向盤的轉(zhuǎn)向軸、油門踏板和剎車踏板加速度傳感器Low-G信號獨立處理。第四個LIN子節(jié)點對發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度和制動踏板位置，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速采用霍爾脈沖式傳感器，節(jié)氣門開度、制動踏板位置采用霍爾線性傳感器。

　　實驗表明：加速度信號更能反映汽車駕駛者在正常駕駛和疲勞駕駛時，對車輛的方向盤的轉(zhuǎn)向軸、油門踏板和剎車踏板這三個關(guān)鍵部件的操控效果的不同，正常駕駛時加速度信號的輸出電壓在中心點電壓±0.5V變化，而疲勞駕駛時加速度信號的輸出電壓在中心點電壓±1V變化，且加速度信號變化的頻度大于正常駕駛的情況。

　第四個LIN子節(jié)點的測量信號作為模糊控制器的輸入限定條件。

　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖（1）所示：

圖（1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　2.加速度計LIN子節(jié)點：

　　(1).速度計LIN子節(jié)點原理圖（2）及加速度測量模塊圖（3）：

 圖（2）LIN子節(jié)點原理圖　　圖（3）測量模塊

　　(2).加速度計LIN子節(jié)點的設計及結(jié)構(gòu)安裝：

　　MMA6260Q為XY雙軸向傳感器，為保證獲得較理想的加速度測量，加速度計設計成帶LIN接口，物理尺寸為5X5X2CM的測量模塊，直接安裝在油門開度踏板、制動踏板和方向轉(zhuǎn)軸上。油門開度踏板和制動踏板測量模塊垂直安裝，確保X軸方向可測量踏板的加速度信號，Y軸方向測量車輛運行中平均震動信號。方向轉(zhuǎn)軸測量模塊水平安裝，確保XY軸方向可測量方向盤轉(zhuǎn)向的加速度信號。

　　3.傳感器簡介：

　　除用于加速度測量的Low-G外，還有以下傳感器。

　　節(jié)氣門（油門）開度傳感器：節(jié)氣門由駕駛員操縱，直接反映駕駛員的控制意圖，因此是判斷發(fā)動機工況的重要信號。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門軸的尾端，采用霍爾線性傳感器。經(jīng)傳感器信號調(diào)理板處理后，由LIN子節(jié)點測量模塊檢測搜企網(wǎng)，節(jié)氣門完全關(guān)閉時，傳感器輸出電壓等于0V；節(jié)氣門完全打開時，輸出電壓等于5V。當節(jié)氣門不斷開大時，其輸出電壓隨之線形增加。

　　發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速傳感器：采用霍爾脈沖式。經(jīng)傳感器信號調(diào)理板脈沖整形電路處理之后，由主芯片的輸入捕捉口進行脈沖捕捉。對應發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500rpm-8000rpm的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。對應車速60KM/h-180KM/h的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。

　　智能控制（模糊控制器）設計

　　汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控的對象是相當復雜的系統(tǒng)控制問題，是屬于多輸入－多輸出的模糊控制系統(tǒng)范疇。人的駕駛習慣，不同的路況，不同駕駛時段反映到對車輛的操控，會產(chǎn)生相當不同的汽車駕駛狀態(tài)。

　　各種對車輛的操控，作為輸入量，表現(xiàn)為節(jié)氣門（油門）開度、制動踏板的位置、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速的變化、速度的變化（即加速度），方向盤轉(zhuǎn)向的角度和角加速度等。車輛在不同的路況下產(chǎn)生的震動作為輸入量，也會影響到傳感器的測量，特別是對加速度傳感器的影響，對震動信號由LIN子節(jié)點測量模塊按“平均震動信號強度”在信號預處理程序中減弱或消除。作為輸出量，表現(xiàn)為對車輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣，分為“好”、“中”、“差”三個等級。在設計控制規(guī)則庫時，把多輸入－多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)化為多輸入－單輸出模糊控制結(jié)構(gòu)，然后按單輸入－單輸出模糊控制系統(tǒng)的方法設計，實現(xiàn)多變量控制系統(tǒng)的模糊解耦。

　　實驗數(shù)據(jù)表明，疲勞駕駛階段，反映到汽車駕駛狀態(tài)上，表現(xiàn)為對節(jié)氣門（油門）開度、制動踏板和方向盤轉(zhuǎn)向的加速度信號的改變比正常駕駛時期的加速度信號的改變在信號的幅值和頻度有明顯的不同。本課題采用FreeScale的Low-G系列雙軸向加速度傳感器MMA6260Q，對所需的加速度信號能準確地、實時地采集，作為模糊控制器的輸入變量的一個重要參數(shù)。

　　本研究課題早期對疲勞駕駛的研究主要通過測量油門開度、制動踏板位置和發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速的變化等參數(shù)，這些參數(shù)間接地、滯后地反映駕駛狀態(tài)的變化，這些參數(shù)可作為模糊控制器在各種不同駕駛狀態(tài)的限定條件，結(jié)合加速度的測量，建立模糊控制規(guī)則。

　　對應于油門開度、制動踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸三種類型的變量建立三套模糊控制器模型，以下以油門開度作為變量說明模糊控制器的設計。

　　1．糊化過程：

　　設油門開度模糊控制的輸入量分別為油門開度s，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n、車速v和油門開度加速度a。將加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個等級（即五個模糊子集）?？刂破鞯妮敵鰹閷囕v的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣(以H表示)，分為“好GOOD”、“中MIDDLE”、“差BAD”三個等級。為了實現(xiàn)模糊化，確定油門開度加速度a模糊子集的隸屬度函數(shù)如下圖（4）所示。為了按照一定的語言規(guī)則進行模糊推理，確定輸出量即反映駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣的隸屬度函數(shù)如下圖（5）所示。

圖（4）加速度a隸屬度函數(shù)圖圖（5）駕駛狀態(tài)隸屬度函數(shù)圖

 　　2．模糊控制規(guī)則的建立：

　　對應于油門開度模糊控制規(guī)則庫的建立，與油門開度s，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n、車速v在不同的數(shù)值范圍的取值具有交互性和關(guān)聯(lián)性。規(guī)則庫的建立需要在程序運行中不斷搜集數(shù)據(jù)，通過自學習確定方法和模糊規(guī)則的自調(diào)整，在實驗過程中不斷修正和完善。

　　模糊控制規(guī)則重點處理影響車輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”的工作過程。其中，“差”駕駛狀態(tài)的規(guī)則對應于油門開度s分為0，1，2－9共十段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速n分為1000rpn、1500rpn-5500rpm共十段,車速v分為60km/h、70km/h-150km/h共十段,和加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個等級，可歸納為有效控制規(guī)則八十六條規(guī)則。

　　模糊控制規(guī)則(L)公式：如果(IF)油門開度s為x段[和(AND)]V[或(OR)]發(fā)動機轉(zhuǎn)速n為y段[和(AND)]V[或(OR)]車速v為z段，且加速度為等級m，則（THEN）駕駛狀態(tài)為“S”。

　　3．精確化計算：

　　對應于上述推理方法得到的結(jié)果，結(jié)合車輛正常駕駛時采集的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫分析，對加速度等級出現(xiàn)的頻度，根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)進行精確化計算，確定車輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”，由交互界面提供操作提示和報警。

　　軟件描述

　　1.數(shù)據(jù)庫建立：

　　駕駛狀態(tài)模糊控制器數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)更新是本課題設計的重要部分SOOQ.cn版權(quán)所有，汽車正常駕駛時，系統(tǒng)設定為連續(xù)駕駛的前兩個小時為正常駕駛，在這段時間內(nèi)監(jiān)控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進行數(shù)據(jù)搜集，按設定量化等級作數(shù)據(jù)的線性化量化，對應于油門開度、制動踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸三種類型的變量的不同量綱，按比例因子對數(shù)據(jù)處理，依據(jù)模糊子集的隸屬度函數(shù)模糊化數(shù)據(jù)。

　　為了消除大的誤差，在量化級之間采用插值運算，引入權(quán)系數(shù)因子w(.)，對于任意一個連續(xù)的測量值通過相鄰的兩個離散的加權(quán)運算得到模糊度的值。在模糊化數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，生成正常駕駛習慣數(shù)學模型，并根據(jù)不斷采集的數(shù)據(jù)進行修正。隨著連續(xù)駕駛時間的增加（大于兩個小時或采集數(shù)據(jù)的變化超出駕駛狀態(tài)監(jiān)控指標），監(jiān)控儀自動進入疲勞駕駛監(jiān)控狀態(tài)。

　　2.軟件框圖

　　(1).PC機程序設計：

　　PC機程序用C語言編寫，完成數(shù)據(jù)庫的建立和維護、對LIN-BUS網(wǎng)絡的管理、模糊控制器算法和規(guī)則的運算、交互界面的輸入輸出控制。軟件框圖如圖（6）所示。

圖（6）PC機軟件框圖

　　(2).測量模塊程序設計：

　　測量模塊是以MM908E625單片機為核心的數(shù)據(jù)采集器，程序用CodeWarrior3.1CW-HC083.0設計，測量模塊軟件框圖如圖（7）所示。

圖（7）測量模塊軟件框圖

　　結(jié)論

　　智能控制技術(shù)應用于汽車疲勞駕駛監(jiān)控課題是一個相當復雜和具有相當難度的研究方向，通過對LIN-BUS網(wǎng)絡的研究，以MM908E625、Low-G加速度傳感器和其他傳感器與嵌入式PC機建立起這樣一個硬件平臺，實現(xiàn)對汽車駕駛狀態(tài)在正常駕駛、短距離駕駛、短時間駕駛的數(shù)據(jù)庫的建立，規(guī)則庫數(shù)據(jù)的修正，疲勞駕駛狀態(tài)監(jiān)控。對油門開度、制動踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸等三種主要影響駕駛狀態(tài)的因數(shù)，設計出模糊控制器，從理論和硬件實現(xiàn)兩方面做了有益的探討，雖然離實際應用和產(chǎn)業(yè)化有一定的距離，但是為進一步完善該系統(tǒng)的設計打下了良好的基礎(chǔ)。