基于MM908E625和Low-G的汽車(chē)駕駛狀態(tài)(疲勞駕駛)監控

　　我國新的《道路交通法》中，為維護道路交通安全，也明文規定了對駕駛速度、連續駕駛時(shí)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一法規。疲勞駕駛是公路汽車(chē)駕駛特別是高速公路上的“隱形殺手”，據相關(guān)統計，從交通事故的大量案例分析中得出的結論認為：開(kāi)車(chē)人因疲勞駕駛所造成的道路交通事故約占交通事故總數的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。

　　除法規建設外，國內外的汽車(chē)廠(chǎng)商也設計出各種儀器設備用于疲勞駕駛監控，一種針對疲勞駕駛的紅外線(xiàn)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(gè)小型攝像機，使用也很方便，只要把它安裝在儀表盤(pán)上，讓鏡頭對準司機，掃描儀就會(huì )連續發(fā)出紅外線(xiàn)信號來(lái)掃描司機眼球中的眼白部分，同時(shí)判斷出疲勞程度并發(fā)出“減速停車(chē)”、“休息一下”等警告信號。雷諾、尼桑等產(chǎn)業(yè)巨頭長(cháng)期研發(fā)克服疲勞駕駛一種監視系統,因理論技術(shù)應用缺陷仍無(wú)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向盤(pán)時(shí)有一點(diǎn)遲鈍，或脈搏有一點(diǎn)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(dòng)或自動(dòng)剎車(chē)。

　　日本東京大學(xué)研制出的疲勞測試器，可戴在司機的手腕上。該測試器內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(guò)小型無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器把數據傳送到研究中心。研究中心通過(guò)電腦分析，判定司機的疲勞程度，及時(shí)向司機發(fā)出警告，避免交通事故的發(fā)生。國內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(chē)行駛記錄儀”通過(guò)鑒定的報道。

　　以上這些方法因這樣或那樣的問(wèn)題，達到實(shí)用都存在一定的困難。隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展ARCHEAN.net版權所有，通過(guò)采用最先進(jìn)的測試技術(shù)，結合嵌入式計算機、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的應用，智能控制技術(shù)，對汽車(chē)疲勞駕駛狀態(tài)進(jìn)行監控，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(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控儀。

　　監控儀特性：

　　1．方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板多點(diǎn)監控。

　　2．加速度傳感器信號獨立處理，確保實(shí)時(shí)性。

　　3．LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制。

　　4．互動(dòng)平臺：駕駛路況選擇，更有利于控制系統監控。提供聲光、震動(dòng)報警提示。

　　5．大容量數據存儲和采集，大屏幕LCD顯示，異動(dòng)駕駛時(shí)間段數據查詢(xún)。

　　6．神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、模糊控制和專(zhuān)家系統。

　　汽車(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控儀的基本思路是當駕駛員正常駕駛、短距離駕駛、短時(shí)間駕駛時(shí)，沒(méi)有疲勞駕駛問(wèn)題，這時(shí)監控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進(jìn)行數據搜集，建立駕駛習慣數學(xué)模型，并根據不斷采集的數據進(jìn)行修正。

　　隨著(zhù)連續駕駛時(shí)間的增加，監控儀自動(dòng)進(jìn)入疲勞駕駛監控狀態(tài)，如果駕駛員有疲勞癥狀，必然會(huì )反映出與正常駕駛不同的偏差。如：突然急剎車(chē)的頻率增加、連續大油門(mén)時(shí)的方向盤(pán)突然轉向，油門(mén)踏板的平穩性變化等。結合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、模糊控制和專(zhuān)家系統，組成對駕駛員的駕駛狀態(tài)的監控，增加與駕駛員的互動(dòng)平臺，向駕駛員提出駕駛指示、報警等。本人已在自己的自動(dòng)波車(chē)上作過(guò)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(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板上，由MCU/DSP嵌入式微處理器MM908E625對傳感器的信號進(jìn)行處理，并組成LIN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　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.硬件系統構成：

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

　　主節點(diǎn)經(jīng)過(guò)LIN接口板連接到四個(gè)LIN子節點(diǎn)，LIN子節點(diǎn)以MM908E625為核心，對加速度、發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)踏板位置等物理量進(jìn)行檢測和信號預處理，其中第一、二、三子節點(diǎn)對方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板加速度傳感器Low-G信號獨立處理。第四個(gè)LIN子節點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速、節氣門(mén)開(kāi)度和制動(dòng)踏板位置，發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速采用霍爾脈沖式傳感器，節氣門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置采用霍爾線(xiàn)性傳感器。

　　實(shí)驗表明：加速度信號更能反映汽車(chē)駕駛者在正常駕駛和疲勞駕駛時(shí)，對車(chē)輛的方向盤(pán)的轉向軸、油門(mén)踏板和剎車(chē)踏板這三個(gè)關(guān)鍵部件的操控效果的不同，正常駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)電壓±0.5V變化，而疲勞駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)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(gè)LIN子節點(diǎn)的測量信號作為模糊控制器的輸入限定條件。

　　硬件系統結構框圖如圖（1）所示：

圖（1）硬件系統結構框圖

　　2.加速度計LIN子節點(diǎn)：

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

圖（2）LIN子節點(diǎn)原理圖　　圖（3）測量模塊

　　(2).加速度計LIN子節點(diǎn)的設計及結構安裝：

　　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(mén)開(kāi)度踏板、制動(dòng)踏板和方向轉軸上。油門(mén)開(kāi)度踏板和制動(dòng)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(chē)輛運行中平均震動(dòng)信號。方向轉軸測量模塊水平安裝，確保XY軸方向可測量方向盤(pán)轉向的加速度信號。

　　3.傳感器簡(jiǎn)介：

　　除用于加速度測量的Low-G外，還有以下傳感器。

　　節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度傳感器：節氣門(mén)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(dòng)機工況的重要信號。節氣門(mén)位置傳感器安裝在節氣門(mén)軸的尾端，采用霍爾線(xiàn)性傳感器。經(jīng)傳感器信號調理板處理后，由LIN子節點(diǎn)測量模塊檢測搜企網(wǎng)，節氣門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，傳感器輸出電壓等于0V；節氣門(mén)完全打開(kāi)時(shí)，輸出電壓等于5V。當節氣門(mén)不斷開(kāi)大時(shí)，其輸出電壓隨之線(xiàn)形增加。

　　發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速傳感器：采用霍爾脈沖式。經(jīng)傳感器信號調理板脈沖整形電路處理之后，由主芯片的輸入捕捉口進(jìn)行脈沖捕捉。對應發(fā)動(dòng)機轉速1500rpm-8000rpm的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。對應車(chē)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(chē)駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監控的對象是相當復雜的系統控制問(wèn)題，是屬于多輸入－多輸出的模糊控制系統范疇。人的駕駛習慣，不同的路況，不同駕駛時(shí)段反映到對車(chē)輛的操控，會(huì )產(chǎn)生相當不同的汽車(chē)駕駛狀態(tài)。

　　各種對車(chē)輛的操控，作為輸入量，表現為節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度、制動(dòng)踏板的位置、發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速的變化、速度的變化（即加速度），方向盤(pán)轉向的角度和角加速度等。車(chē)輛在不同的路況下產(chǎn)生的震動(dòng)作為輸入量，也會(huì )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(dòng)信號由LIN子節點(diǎn)測量模塊按“平均震動(dòng)信號強度”在信號預處理程序中減弱或消除。作為輸出量，表現為對車(chē)輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣，分為“好”、“中”、“差”三個(gè)等級。在設計控制規則庫時(shí)，把多輸入－多輸出模糊控制結構化為多輸入－單輸出模糊控制結構，然后按單輸入－單輸出模糊控制系統的方法設計，實(shí)現多變量控制系統的模糊解耦。

　　實(shí)驗數據表明，疲勞駕駛階段，反映到汽車(chē)駕駛狀態(tài)上，表現為對節氣門(mén)（油門(mén)）開(kāi)度、制動(dòng)踏板和方向盤(pán)轉向的加速度信號的改變比正常駕駛時(shí)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(shí)時(shí)地采集，作為模糊控制器的輸入變量的一個(gè)重要參數。

　　本研究課題早期對疲勞駕駛的研究主要通過(guò)測量油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)速的變化等參數，這些參數間接地、滯后地反映駕駛狀態(tài)的變化，這些參數可作為模糊控制器在各種不同駕駛狀態(tài)的限定條件，結合加速度的測量，建立模糊控制規則。

　　對應于油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)踏板位置和方向盤(pán)轉向軸三種類(lèi)型的變量建立三套模糊控制器模型，以下以油門(mén)開(kāi)度作為變量說(shuō)明模糊控制器的設計。

　　1．糊化過(guò)程：

　　設油門(mén)開(kāi)度模糊控制的輸入量分別為油門(mén)開(kāi)度s，發(fā)動(dòng)機轉速n、車(chē)速v和油門(mén)開(kāi)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(gè)等級（即五個(gè)模糊子集）?？刂破鞯妮敵鰹閷?chē)輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣(以H表示)，分為“好GOOD”、“中MIDDLE”、“差BAD”三個(gè)等級。為了實(shí)現模糊化，確定油門(mén)開(kāi)度加速度a模糊子集的隸屬度函數如下圖（4）所示。為了按照一定的語(yǔ)言規則進(jìn)行模糊推理，確定輸出量即反映駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣的隸屬度函數如下圖（5）所示。

圖（4）加速度a隸屬度函數圖圖（5）駕駛狀態(tài)隸屬度函數圖