一種基于單片機的疲勞駕駛檢測儀設計
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1 檢測儀結構特點(diǎn)
如果駕駛員處在疲勞駕駛狀態(tài)中，頭部必定偏離正常位置并且時(shí)間超過(guò)設定值，裝置則輸出報警和制動(dòng)控制信號。檢測儀中的反射式紅外線(xiàn)傳感器由1個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)射二極管和2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭組成，紅外線(xiàn)發(fā)射二極管發(fā)射經(jīng)過(guò)調制的38 kHz紅外線(xiàn)光束，安裝在座椅頭枕上前方正對駕駛員頭部的位置，紅外線(xiàn)發(fā)射二極管放置在中間， 2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭對稱(chēng)放置在左右兩邊。
2 駕駛員頭部位置分析
在駕駛過(guò)程中，駕駛員正常和疲勞時(shí)其頭部位置是不同的，側視圖如圖1所示，圖1 ( a)表示駕駛員在正常駕駛汽車(chē)時(shí)其頭部位置與座椅頭枕有幾cm的較小距離，而不是完全靠緊頭枕，因為靠緊頭枕駕駛眼睛會(huì )感覺(jué)很不舒服，不方便觀(guān)察距離汽車(chē)較近的道路情況。
圖1 ( b)表示駕駛員疲勞駕駛汽車(chē)時(shí)最常見(jiàn)的開(kāi)車(chē)睡眠姿勢，也是駕駛員最初的疲勞睡眠姿勢，這時(shí)駕駛員頭部距離座椅頭枕一般大于15 cm,這種情況下應及時(shí)報警，如果持續2 s就應啟動(dòng)制動(dòng)系統自動(dòng)剎車(chē)。但是短暫的其他非疲勞動(dòng)作，如探身操作儀表板上的開(kāi)關(guān)、回頭觀(guān)察等短時(shí)動(dòng)作也有類(lèi)似的距離變化，這時(shí)可以用時(shí)間來(lái)區別， 2 s以?xún)然謴驼Ｎ恢玫牟蛔鳛槠隈{駛判定。
圖1 ( c)表示駕駛員在有意識地短暫休息和閉上眼睛駕駛，但還沒(méi)有完全睡著(zhù)時(shí)的姿勢，但這是完全睡著(zhù)的前奏，其頭部位置緊靠座椅頭枕，距離為0,這種情況下應該及時(shí)報警，發(fā)展下去就會(huì )演變成圖1 ( b)的情況。
圖1 駕駛員頭部位置側視圖
圖2為駕駛員頭部的俯視圖，其中圓形代表駕駛員的頭部，箭頭代表紅外線(xiàn)發(fā)射和反射的路線(xiàn)。圖2 ( a)為正常駕駛時(shí)駕駛員頭部與紅外線(xiàn)傳感器的相對位置示意圖，紅外線(xiàn)從中間的紅外線(xiàn)發(fā)射二極管發(fā)射出來(lái)到被駕駛員頭部反射回左右2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭，所經(jīng)過(guò)的距離基本相等。
圖2 ( b)表示駕駛員疲勞后的頭部位置，是向左或右歪斜的情況，這與圖1 ( b)的典型位置有所不同，是一種中間過(guò)渡的疲勞形態(tài)，最終也會(huì )轉化到圖1 ( b)的位置，這時(shí)紅外線(xiàn)傳感器將檢測出左右不同的距離，也應及時(shí)報警或輸出制動(dòng)信號。
圖2 ( c)表示駕駛員疲勞后頭部繼續偏移的位置，一側的紅外線(xiàn)接收頭已經(jīng)不能接收到被反射回來(lái)的紅外線(xiàn)了，在計算機程序中得到距離無(wú)限大的結果，這說(shuō)明駕駛員疲勞程度進(jìn)一步增強，應及時(shí)報警或輸出制動(dòng)信號。
圖2 駕駛員頭部位置俯視圖
3 檢測儀的硬件設計
檢測儀的硬件電路圖如圖3所示，圖中LED為紅外線(xiàn)發(fā)射二極管， IC3、IC4 為紅外線(xiàn)接收頭，MCU 為ATmaga8 單片機。
圖3 檢測儀硬件電路
LED發(fā)射38 kHz的紅外線(xiàn)調制光束，經(jīng)駕駛員頭部反射后會(huì )照射到IC3、IC4的接收窗口， IC3、IC4對接收信號進(jìn)行解調，經(jīng)放大處理后以高或低電平的方式送到單片機MCU的輸入口線(xiàn)，計算機程序將口線(xiàn)的值送到內存保存，供后面的程序作為判斷依據。
紅外線(xiàn)發(fā)射二極管LED發(fā)射的紅外線(xiàn)的有效檢測距離與通過(guò)紅外線(xiàn)發(fā)射二極管的電流是對應的，紅外線(xiàn)發(fā)射二極管LED的電流由三端集成穩壓器IC2的輸出電壓決定，三端集成穩壓器IC2的輸出電壓受計算機程序輸出的控制字控制。
控制字最大值是二進(jìn)制11111111d,此時(shí)R1 ～R8 全部接地， R12的綜合阻值最小，三端集成穩壓器IC2的輸出電壓Vout也最小， LED發(fā)射的紅外線(xiàn)光束的有效距離也最小，適當調整R1～R8 的數值，可以將LED發(fā)射的紅外線(xiàn)光束的有效距離調整到1 cm左右。當控制字最小值是二進(jìn)制00000000d,此時(shí)R1 ～R8 電阻全部懸浮， R12的綜合阻值就是R12 ,三端集成穩壓器IC2的輸出電壓Vout最大，紅外線(xiàn)發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線(xiàn)光束的有效距離也最大，適當調整R12的數值，可以將紅外線(xiàn)發(fā)射二極管LED發(fā)射出的紅外線(xiàn)光束的有效距離調整到20 cm左右。1～20 cm的有效檢測距離能夠滿(mǎn)足實(shí)際需要。
4 檢測儀軟件設計
4. 1距離檢測方法
有效距離檢測與單片機發(fā)出的控制字相對應，距離檢測的方法是：逐漸減少紅外線(xiàn)發(fā)射的強度，直到接收不到反射的紅外線(xiàn)光束，此時(shí)的控制字對應的距離值就是當前駕駛員頭部與座椅頭枕的距離。
4. 2 駕駛員頭部位置的自動(dòng)標定
單片機程序框圖如圖4所示，自動(dòng)標定頭部正常位置的程序在汽車(chē)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機再延時(shí)一段時(shí)間內運行，因為疲勞駕駛不會(huì )發(fā)生在這段時(shí)間內。當行駛到主路后，頭部的動(dòng)作逐步穩定，這時(shí)候才是對頭部進(jìn)行正常位置標定的正確時(shí)機。每次都要重新標定是因為駕駛員可能換人，每個(gè)人頭部的位置不完全一樣，標定的結果也會(huì )有差異。
圖4 頭部正常位置的自動(dòng)標定程序框圖
自動(dòng)標定頭部正常位置的程序就是使紅外線(xiàn)發(fā)射二極管的電流強度由強到弱逐步減小，同時(shí)檢測IC3、IC4的輸出狀態(tài)，判斷是否到了接收不到的臨界點(diǎn)，這是停止發(fā)射電流強度減小的界限，同時(shí)讀出此刻的控制字數值作為距離標定。當左右2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭IC3、IC4所輸出的信號電平一致，同時(shí)能夠保持相當一段時(shí)間不變時(shí)，就可以用此時(shí)的控制字作為標準距離標定。每個(gè)控制字都對應1個(gè)實(shí)際的距離。
4. 3 駕駛員頭部偏離正常位置的檢測
如果某個(gè)紅外線(xiàn)接收頭沒(méi)有接收到紅外線(xiàn)信號，則判定為此紅外線(xiàn)接收頭與駕駛員頭部的距離大于此時(shí)與控制字相關(guān)聯(lián)的距離。
2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭所輸出的信息分別反映了同一時(shí)刻駕駛員頭部與2個(gè)紅外線(xiàn)接收頭的距離，與標準距離比較就能判斷駕駛員的頭部是正常位置還是前傾、側傾、后仰。是否輸出報警和制動(dòng)控制電平由計算機程序根據駕駛員頭部偏離正常位置后的持續時(shí)間決定。
5 實(shí)驗結果分析
將該檢測儀安裝在捷達和雨燕等汽車(chē)上并進(jìn)行了大量的實(shí)驗，對5個(gè)駕駛員的正常駕駛狀態(tài)和疲勞駕駛狀態(tài)進(jìn)行測試，測試數據如表1所示?？梢钥闯鲈摍z測儀能實(shí)時(shí)地跟蹤和判斷測試人員的疲勞狀態(tài)，同時(shí)對醉酒駕駛的不正當坐姿也起到警示作用。
6 結束語(yǔ)
該檢測儀完成了駕駛員頭部位置正常與否的識別，進(jìn)而判斷駕駛員是否疲勞駕駛，是簡(jiǎn)單技術(shù)的智能化應用。該檢測儀可以低成本地裝備現有汽車(chē)，提高安全幾率，便于大規模推廣，市場(chǎng)需求潛力巨大。
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