基于FPGA的疲勞駕駛檢測系統

摘要：駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。目前檢測疲勞駕駛主要有檢測駕駛員生理變化指標、駕駛員外部特征變化或者駕駛員行為及其引起的車(chē)輛運動(dòng)特征的變化等幾種方法。本項目利用加速度傳感器檢測疲勞駕駛，以FPGA作為嵌入式控制核心，控制加速度傳感器采集車(chē)輛行駛時(shí)的轉向加速度與駕駛員頭部運動(dòng)狀態(tài)等信號，經(jīng)過(guò)相關(guān)算法對數據進(jìn)行處理后得出駕駛員疲勞值，通過(guò)TFT顯示屏顯示相應的信息，在疲勞值超出預設值時(shí)將進(jìn)行語(yǔ)音提示，用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏輸入進(jìn)行操作。系統具有準確、便捷、成本低的特點(diǎn)，具有極大的社會(huì )價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

1項目背景

1.1研究背景

1.1.1疲勞駕駛的社會(huì )危害

駕駛疲勞，是指駕駛人在長(cháng)時(shí)間連續行車(chē)后，產(chǎn)生生理機能和心理機能的失調，而在客觀(guān)上出現駕駛技能下降的現象。駕駛人睡眠質(zhì)量差或不足，長(cháng)時(shí)間駕駛車(chē)輛，容易出現疲勞。駕駛疲勞會(huì )影響到駕駛人的注意、感覺(jué)、知覺(jué)、思維、判斷、意志、決定和運動(dòng)等諸方面。疲勞后繼續駕駛車(chē)輛，會(huì )感到困倦瞌睡，四肢無(wú)力，注意力不集中，判斷能力下降，甚至出現精神恍惚或瞬間記憶消失，出現動(dòng)作遲誤或過(guò)早，操作停頓或修正時(shí)間不當等不安全因素，極易發(fā)生道路交通事故。

交通事故統計分析表明，駕駛員疲勞駕駛是造成交通死亡事故的重要原因之一。日本的事故統計揭示，因疲勞產(chǎn)生的事故約占1~1.5%。法國國家警察總署事故報告表明，因疲勞瞌睡而發(fā)生車(chē)禍的，占人身傷害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。而在高速公路上，通過(guò)對2010年1月至12月因疲勞駕駛而發(fā)生交通事故致人死亡的案例分析，90%以上是由貨運司機疲勞駕駛造成的。

因此，檢測疲勞駕駛，對預防交通事故的發(fā)生有重要意義。

1.1.2基于加速度傳感器疲勞駕駛檢測的優(yōu)越性

目前檢測疲勞駕駛的方法主要有以下幾種：

• 利用生理傳感器檢測駕駛員的生理變化指標，如腦電、心電、心率、呼吸等；

• 檢測疲勞駕駛時(shí)駕駛員的外部特征變化，如眨眼、點(diǎn)頭；

• 檢測駕駛員行為及其引起的車(chē)輛運動(dòng)特征的變化，如換擋，油門(mén)以及車(chē)輛加速度、車(chē)載車(chē)道中的位置等。

利用加速傳感器的疲勞駕駛檢測方法隸屬于第三種?，F有的產(chǎn)品中，第一種會(huì )使用到帶有侵入性的生理傳感器，讓駕駛員十分不舒服，因而使用范圍十分有限；第二種主要是利用機器視覺(jué)檢測眨眼或者瞳孔大小變化，它的優(yōu)點(diǎn)是檢測精度高，但是受光線(xiàn)等外界環(huán)境影響比較大。第三種是屬于車(chē)載傳感器，因而使用起來(lái)十分方便，完全可以集成到車(chē)輛中，具有廣泛的應用前景。

1.1.3應用拓展

當產(chǎn)品足夠成熟時(shí)，它將得到廣泛的應用。

• 如果實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，當出現異常車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)，判定為交通事故，可以實(shí)現報警，并且通知其他車(chē)輛，避免出現交通擁堵；

• 如果能將司機的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門(mén)，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門(mén)管理和執法。

1.2項目意義

在“以車(chē)代步”、物流快速發(fā)展的今天，檢測疲勞駕駛，預防交通事故，為每一個(gè)家庭護航，有利于維護社會(huì )穩定，具有重要意義。通過(guò)檢測車(chē)輛運動(dòng)特征的疲勞駕駛檢測方法具有準確、便捷、成本低的特點(diǎn)，但是目前，世界上還沒(méi)有通過(guò)檢測車(chē)輛運動(dòng)特征的疲勞駕駛檢測系統，基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測儀的出現填補了這方面的空白，研究具有極大的社會(huì )價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。

2項目方案

2.1系統概述

2.1.1產(chǎn)品模型圖

如圖 2-1所示是產(chǎn)品TFT顯示屏面板示意圖。

圖 2-1 系統TFT顯示屏面板

本檢測儀LCD面板由四個(gè)部分組成：

• 疲勞曲線(xiàn)繪制區：本區間占面板絕大部分，形象的再現駕駛員駕車(chē)過(guò)程中的精神狀態(tài)，有利于分析疲勞程度的趨勢，做出有效預測。

• 信息提示區：本區分為三個(gè)部分，疲勞進(jìn)度條可以更加直觀(guān)的反應當前時(shí)刻的疲勞程度；狀態(tài)指示燈指示是否到達疲勞警戒線(xiàn)，當到達警戒線(xiàn)時(shí)它會(huì )變成紅色；文字提示疲勞程度。

• 功能按鈕區：功能按鈕區有三個(gè)鍵，暫停鍵是在特殊情況是暫停記錄，歷史記錄按鈕可以點(diǎn)出客戶(hù)想看的疲勞駕駛曲線(xiàn)，設置鍵主要設置時(shí)間。

• 時(shí)間和電量顯示區：顯示當前時(shí)間和剩余電量。

2.1.2產(chǎn)品功能概述

基于加速度傳感器的疲勞駕駛檢測儀主要有以下幾項功能

1. 實(shí)時(shí)監測車(chē)輛運動(dòng)參數，識別駕駛員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)；

2. 語(yǔ)音報警功能；

3. 記錄駕駛狀態(tài)歷史，便于駕駛員分析規律，養成良好駕駛習慣。

2.1.3系統框圖

系統以FPGA作為嵌入式控制的核心，FPGA芯片選擇Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲勞檢測系統主要由嵌入式控制單元、存儲單元、傳感器電路、電源電路、語(yǔ)音電路、外圍接口電路等部分組成。

圖 2-2 系統結構框圖

系統利用加速度傳感器采集車(chē)輛行駛時(shí)的轉向加速度與駕駛員頭部的運動(dòng)狀態(tài)等信號，傳輸到CPU，通過(guò)算法加速模塊計算出當前的疲勞值后，將結果以疲勞曲線(xiàn)的形式繪制在TFT顯示屏上。一定時(shí)間后將疲勞值信息存儲到SD卡中，方便后續的查看。用戶(hù)可以通過(guò)電阻式觸摸屏實(shí)現人機交互，如查看歷史記錄。

各部分功能如下：

• 控制單元：負責管理硬件資源和軟件任務(wù)間的通信和調度，實(shí)現界面顯示和用戶(hù)交互，采集加速度傳感器的信息，通過(guò)算法計算出疲勞值，控制電池的充放電以及語(yǔ)音報警提示。

• 存儲單元：存儲Bootloader、Linux內核鏡像以及用戶(hù)應用程序，以實(shí)現嵌入式系統的正常運行。在用戶(hù)存儲空間保存用戶(hù)的疲勞信息，以便查看。

• 外圍接口模塊：實(shí)現系統與外圍設備的通信。如UART、I²C、SPI、VGA等接口。有些特殊器件通過(guò)設計相應的接口IP實(shí)現通信。

2.2疲勞檢測原理

本系統通過(guò)加速度傳感器，提取車(chē)輛行駛的最基本加速度和轉向角信息，在通過(guò)數學(xué)變換得到車(chē)速標準差、加速度小波分解的edl尺度歸一化能量、加速度小波熵、轉向角小波熵、轉向角的小波分解的ca5尺度的歸一化能量、轉向角速度的標準差和轉向角速度的能量等七個(gè)參數作為檢測疲勞駕駛的特征量。下面介紹這些特征量的生成方法。

1. 特征生成

• 標準差的生成

標準差是一組數據平均分散程度的一種度量，依據以下方法計算：

• 轉向角速度能量

(2-2)

• 小波熵的生成

(2-3)

為 概率，且 =1。

• 小波分解的某一尺度歸一化能量

(2-4)

式中， 為i尺度下的能量， 。

2. 基于主成分分析的特征提取

主成分分析法（Principle Component Analysis，PCA）是一種利用變量間的線(xiàn)性關(guān)系對多維信息進(jìn)行統計壓縮的方法，能夠有效解決輸入相關(guān)性問(wèn)題。

主成分分析的主要思想是，對于總體 ，將其主成分定義為這個(gè)P維向量的線(xiàn)形組合 ，則：

• 是X的線(xiàn)性函數，即要求 ， 是 維待定常數向量，

• i=1，2，?，k。

• 要求 盡可能大，即 能充分反映X的變化情況，i=1，2，．．．，k。

• 要求 互不相關(guān)，即 ，i，或者 之間盡可能不含重復信息。

這樣的 均稱(chēng)為X的主成分。從幾何上講，樣本點(diǎn) 在P維空問(wèn)形成了一個(gè)P維球形狀的云團，主成分分析就是通過(guò)提取云團散布最大的那些方向的方法，達到對特征空間進(jìn)行降維的目的。

2.2.1模式識別算法

本系統在實(shí)驗階段嘗試了四種疲勞駕駛模式識別算法，他們分別是：模糊聚類(lèi)算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法、PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法。幾種識別算法的比較見(jiàn)下表：

表格 2?1 幾種算法的比較

綜合考慮識別正確率和收斂速度，PNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法的識別效果較好，收斂速度最快，最適合于在實(shí)時(shí)狀態(tài)下運用。

2.3加速度傳感器模塊

現在市面上出現的檢測儀大部分是基于攝像頭的檢測系統，使用攝像頭檢測，不僅功耗高，待機時(shí)間短，而且攝像頭檢測會(huì )讓駕駛員有一種被窺視的感覺(jué)，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。而我們的檢測儀是基于加速度傳感器的檢測系統。使用加速度傳感器不僅能檢測駕駛員的行車(chē)狀態(tài)，還能檢測車(chē)輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結果。而且使用加速度傳感器還能降低產(chǎn)品功耗，增加待機時(shí)間。

在本系統中，我們使用美新公司的數字化熱對流方向定位傳感器（DTOS）MXC6225XU來(lái)收集基本運動(dòng)信息。MXC6225XU是一款低功耗，低成本，高精度的兩軸運動(dòng)定位傳感器。它擁有整個(gè)加速度計產(chǎn)品中最低的零重力偏移量，范圍在整個(gè)運行的+/- 50mg 。MXC6225XU它輸出的是兩個(gè)垂直方向加速度8bit數字信號，最大值 ，采用 接口與外部通信。

總線(xiàn)接口都是開(kāi)漏或者開(kāi)集電極輸出，因此需要接上拉電阻。傳感器外圍電路如下：

圖 2-3 加速度傳感器應用電路

2.4LCD觸摸屏模塊

傳感器檢測到信息后，為了方便駕駛員及時(shí)的調整駕駛狀態(tài)，需要及時(shí)的將信息反饋給駕駛員，最直觀(guān)的方式就是圖表和數字。對于車(chē)載的顯示屏，綜合考慮車(chē)上的空間和能讓駕駛員能清晰的看見(jiàn)顯示屏上的數據等因素，我們選用5寸的TFT-LCD顯示屏。同時(shí)為了讓駕駛員能方便的對檢測儀進(jìn)行操控，我們選擇便捷的LCD觸摸屏方案來(lái)實(shí)現人機交互。

TFT-LCD觸摸屏模塊包括TFT-LCD控制器（包括觸摸屏控制器）、TFT-LCD顯示屏、觸摸屏三個(gè)部分。當檢測到觸摸屏上某一點(diǎn)被按下時(shí)，TFT-LCD控制器會(huì )記下觸點(diǎn)的X和Y的坐標，同時(shí)向MCU發(fā)送一個(gè)中斷的請求，接收到中斷的請求后，MCU會(huì )讀取存儲的坐標值和觸點(diǎn)所包含的控制信息。接收到這些信息后并進(jìn)行處理后，MCU會(huì )通過(guò)控制TFT-LCD控制器來(lái)控制LCD顯示屏顯示信息。TFT-LCD模塊的結構框圖如下圖所示：

圖 2-4 TFT-LCD顯示模塊框圖

TFT-LCD控制器我們選用RA8870, RA8870是一個(gè)文字與繪圖模式的液晶顯示（TFT-LCD）控制器，可結合文字或2D 圖形應用。RA8870內建內存能4K 色320*240 雙圖層顯示。

RA8870還包括一些強大的圖形處理功能，如畫(huà)面旋轉功能、卷動(dòng)功能、圖形Pattern、雙層混合顯示和文字放大等等，這些功能將可節省用戶(hù)在中小尺寸TFT 屏應用的開(kāi)發(fā)時(shí)間，并且提升MCU 軟件的執行效率。

RA8870內建一組10位ADC和控制電路，以連接四線(xiàn)或五線(xiàn)電阻式的觸摸屏。觸摸屏控制器的工作模式我們選用自動(dòng)模式中的外部中斷。只要開(kāi)啟觸摸屏，選擇自動(dòng)模式與開(kāi)啟觸摸屏中斷功能，當硬件中斷發(fā)生或寄存器，代表RA8870 已經(jīng)將用戶(hù)“Touch”到觸摸屏的坐標存在寄存器中了。為了準確的檢測到觸摸，控制器采用延遲一段取樣時(shí)間的方式來(lái)等待信號變穩定，避免觸摸屏被接觸的瞬間信號還不穩定。

2.5語(yǔ)音報警模塊

駕駛員進(jìn)入疲勞狀態(tài)時(shí)，對外界的反應很差，注意力不集中，不一定能看見(jiàn)顯示屏上的圖標和文字提醒，這時(shí)要想提醒駕駛員安全駕駛，把駕駛員喚醒，必須用大音量醒目的聲音來(lái)刺激駕駛員，使駕駛員恢復清醒，所以必須使用語(yǔ)音芯片進(jìn)行語(yǔ)音警告。

我們選用是WTV040系列語(yǔ)音芯片，它是一款一次性編程語(yǔ)音芯片。工作電壓為DC2.5～3.6V，省電模式時(shí)耗電 2uA，在省電模式下，芯片上電后1秒鐘或者語(yǔ)音停止播放后1秒自動(dòng)休眠。當語(yǔ)音為6K采樣頻率時(shí)，存儲的語(yǔ)音長(cháng)度可達到40秒，音頻輸出為PWM或DAC模式，PWM模式輸出時(shí)可以直接推動(dòng)0.5W/8Ω的揚聲器，DAC模式輸出需要外接功放來(lái)驅動(dòng)揚聲器。圖 2-5基于三串口模式的芯片應用電路。

圖 2-5 WTV040語(yǔ)音芯片應用電路

2.6SD卡模塊

SD存儲卡被廣泛地應用于便攜式產(chǎn)品中，由于具有體積小、記憶容量高、數據傳輸率快、移動(dòng)靈活性好以及安全性高等特點(diǎn)，成為嵌人式設備中最常見(jiàn)的存儲媒介。本系統利用SD卡作為存儲設備，存儲檢測的波形，方便歷史記錄的查看。

SD卡有兩個(gè)可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫(xiě)方式，但是在選用SD模式時(shí)，往往需要選擇帶有SD卡控制器接口的MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD卡的讀寫(xiě)。在SD卡數據讀寫(xiě)時(shí)間要求不是很?chē)栏竦那闆r下，選用SPI模式可以說(shuō)是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過(guò)四條線(xiàn)就可以完成所有的數據交換，并且目前市場(chǎng)上很多MCU都集成有現成的SPI接口電路，采用SPI模式對SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設計。

SD卡提供9Pin的引腳接口便于外圍電路對其進(jìn)行操作，9Pin的引腳隨工作模式的不同有所差異。在SPI模式下，引腳1(DAT3)作為SPl片選線(xiàn)CS用，引腳2(CMD)用作SPI總線(xiàn)的數據輸出線(xiàn)MOSI，而引腳7(DAl．0)為數據輸入線(xiàn)MlSO，引腳5用作時(shí)鐘線(xiàn)(CLK)。除電源和地，保留引腳可懸空。

圖 2-6 SD卡接口電路

2.7電源模塊

如果使用家用車(chē)供電，那么便會(huì )使得導線(xiàn)外接，不僅不美觀(guān)，減短使用壽命，還會(huì )對駕駛員得駕駛造成影響，我們采用方形的3.7V鋰電池供電。

由于系統內部的不同模塊需要不同的電壓供電，鋰電池的3.7V輸出不能滿(mǎn)足供電需要，所需要升壓和降壓電路來(lái)滿(mǎn)足不同原件的供電需求。FPGA工作電壓為3.3V；語(yǔ)音芯片夠做電壓為3.3V；TFT顯示屏工作電壓為5.0V。

圖 2-7 電源模塊框圖

其中充電管理芯片使用BQ2057，該芯片的充電器外圍電路及其簡(jiǎn)單，非常適合便攜式電子產(chǎn)品的緊湊設計需要。BQ2057可以動(dòng)態(tài)補償鋰電池組的內阻以減少充電時(shí)間；內部集成的恒壓恒流器帶有高/低邊電流感測和可編程充電電流，充電狀態(tài)識別可由輸出的LED指示燈或與主控器接口實(shí)現，具有自動(dòng)重新充電、最小電流終止充電、低功耗睡眠等特性。應用電路如下：

圖 2-8 BQ2057應用電路

如圖 2-9，通過(guò)穩壓芯片HT7333，得到3.3V輸出電壓，給PIC32、FLASH、語(yǔ)音芯片供電；如圖 2-10，通過(guò)升壓芯片LT1308得到5V輸出電壓，給顯示屏供電。

圖 2-9 HT7333應用電路

圖 2-10 LT1308應用電路

3項目創(chuàng )新點(diǎn)

3.1新的檢測方法

現在市面上出現的檢測儀大部分是基于攝像頭的檢測系統，使用攝像頭檢測，不僅功耗高，待機時(shí)間短，而且攝像頭檢測會(huì )讓駕駛員有一種被窺視的感覺(jué)，影響駕駛員情緒，不利于駕駛員的正常駕駛。

而我們的檢測儀是基于加速度傳感器的檢測系統，不僅能檢測駕駛員的行車(chē)狀態(tài)，還能檢測車(chē)輛的行駛狀態(tài)，將兩者的狀態(tài)相互結合，可以得出比其他產(chǎn)品更加精確的結果。

3.2系統成本低、功耗小

與傳統的基于攝像頭的檢測系統相比，不需要對大量圖像信息進(jìn)行采集、處理和存儲，系統成本低，且功耗小。

3.3產(chǎn)品便攜性好

系統體積小，操作簡(jiǎn)單，且可以放置在汽車(chē)上任意位置，便攜性好。

3.4可拓展性好

基于MicroBlaze和嵌入式操作系統的設計，今后可以增加基于攝像頭檢測疲勞的模塊，加速度傳感器和攝像頭兩種檢測方法，提高檢測精度。

3.5極大的應用價(jià)值

當產(chǎn)品足夠成熟時(shí)，它將得到廣泛的應用。如果實(shí)現聯(lián)網(wǎng)，當出現異常車(chē)輛運動(dòng)狀態(tài)，判定為交通事故，可以實(shí)現報警，并且通知其他車(chē)輛，避免出現交通擁堵；如果能將司機的疲勞駕駛行為記錄在案，傳送給交通部門(mén)，可以作為駕駛員的信用記錄，便于交通部門(mén)管理和執法。

系統具有極大的社會(huì )價(jià)值和商業(yè)價(jià)值。