关于疲劳驾驶行为的研究和建模

软件天地 中文核心期刊‘微计算机信息)(测控自动化)2007年第23卷第8．1期 文章编号：l帅S—惦70‘2町们)Os．I·帕272—∞ 关于疲劳驾驶行为的研究和建模 TheResearchandModelingofDrowsyDrivingBehavior (1．北京科技大学2北京科技大学实验中心)马全亮1黄 康2 MAQU／kNUANGHUANGKANG 摘要：道路变通伤害是一种致命的变难，每年在垒球无情地夺去走约120万人的生命，而疲劳驾驶在道路交通伤害的原固中 占措了很大的比例．对交速安全的危害日益严重。本文针对疲劳驾驶的特．最，从驾驶人驾驶行为表现的角度进行建模分析． 以区别出疲劳状态下的驾驶．井时以后谊课的生晨方向作了简单的展望。 关键词：疲劳驾驶：驾驶行为：建模 中围分类号：TP391．9文献标识码：A Ahsfl'act：Tharoad嘣cinjuryisakind0ffataldisaster．Everyyearith自mhsslytakesawayabolIc1200000person’8livesinthe wholeworld．andthedrowsydrivingwhichbringsmoreandmoledangerstothe8ecuntyof蛐cisthemostimportantre4¨oll0f roadtrat}icinj“ry．Thispap盱aims丑tthecharacteristicofdrowsydriving，modelsfromthesight0fperson’sdrivingbehaviortodis- t／aguishthedrivelswhomtootiredandm血ke8admpleexpectation0fthef!uture． Keywords：drowsydHv啦,driv啦behavior,modeling 1引言 道路交通伤害是一种致命的灾难．每年在垒球无情地夺去 大约120万人的生命。据世界卫生组织统计，在人类死亡和发 病的原因中．车祸排在第九位。而发生事故的重要原因之一就 是驾驶员疲劳驾驶。法国国家警察总署交通事故表明．圆 疲劳瞌睡而发生车祸的．占人身伤害事故的14．9％，占死亡事故 的20．6％。华北高速公路股份有限公司对2001年一2004年京津 塘高速公路北京段的交通事敝进行了统计分析．发现造成交通 事故的原因主要有疲劳驾驶、行人进人高速公路、司机措施不 当、车距过近、违章并线、天气、爆胎、超速等10多种，其中疲劳 驾驶位列第一。占所有交通事故起因的27％。并列第二的“行人 违章进入高速”造成的交通事故整整高出17个百分点。 近年来，疲劳驾驶的严重性越来越受到人们的关注．许多研 究人员致力于这方面的研究．因此疲劳检测技术也相应地取得 了很大的进展。目前比较流行的监测方法是利用驾驶人的生物 特征来判别疲劳。比如依靠脑电图、眼电图、肌电图、呼吸气流 (用鼻声传感器测量)、心电图(开车或睡眠时)等测量方法。但是 这些方法有其缺点．如每个人的生物特征不一样，识别效果并 不好；测量结果是超前或者是滞后而并不是实时提醒；在驾驶室 内安装上述仪器也是不现实等等原因，阻碍了它的实际应用，并 没有真正在防止疲劳驾驶中起到作用。 本文不同于以往以驾驶员生物特征来区分疲劳的方法．而 是从分析驾驶员驾驶行为的角度．蛤驾驶行为进行建模．这对 驾驶员具有一定针对性。人疲劳到了一定程度。他的生物特征 可能不同，但是他的疲劳却一定会袁现在驾驶行为上面。他的 直行、转弯、并线、离合、刹车就会和其正常状态下有所区别。所 以对正常状态下的驾驶员的驾驶行为进行建模．进一步对驾驶 员驾驶过程进行实时监控．当驾驶行为偏离正常状态的模型 马全亮：硬士研究生 基金项目：国京自然科学基金资助项目(舶730591 时。就可以初步判断这个驾驶员处于非正常驾驶状态。 2实验平台简介 由于本实验涉及大量疲劳驾驶行为．具有严重的安全隐患．要 求兼具保证驾驶员人身安全和驾驶实验的真实性。所以北京科技 大学vR_4驾驶模拟器(如图n成为最理想的实验平台。它和实际 驾驶极其相似．可以保证驾驶感觉以及驾驶教据的高度真实．又确 保丁驾驶员的安全。VR_4驾驶模拟器的架构如图2所示： 图1vR-4驾驶模拟器 图2vR_4驾驶模拟器架构 一272—360；毛1年邮局订阅号：82．946 万方数据 匦|i垂要霾雯墅蟊霸 软件天地 计算机：实时计算模拟车行驶轨迹．生成三维场景图像．显 s--xl； 示驾驶员违规操作信息。 subplot(311)．plogs)；％显示原始信号 车前太屏幕：弧形大屏幕宽3米．高2米．置于车前，液晶投 影仪将活动道路景像投射到屏幕上，驾驶员视角达80度，给驾 驶员造成沉浸感，即具有身临其境的感受。 实际小轿车：车内发动机由交流电机取代．轿车前轮由一对 摩擦地辊支撑，原地旋转。车内安装各种特殊传感器，用于采集 各种所需信号交给计算机处理。 力学模拟器：车轮的动能通过地辊传递给力学模拟器模拟 汽车运动时惯性和摩擦阻力。 3识别疲劳驾驶行为的实现研究 3．1疲劳驾驶行为的研究流程 由于不同驾驶人在驾驶行为方面存在差异．对驾驶人的驾 驶行为进行建模就得到了驾驶人的个体模型。将这些模型输入 给计算机后。计算机就可以对不同驾驶行为进行有效的区分。 进一步研究。发现同一个人在不同状态下的驾驶行为也存在着 差异．正常状态下的驾驶行为与疲劳和酒后驾驶有着明显的不 同。驾驶员的驾驶信息包括：点火时间的长短．起步油门的大小， 起步提速的快慢。打方向盘的角度等．而驾驶员打方向盘的角度 是建模的重中之重。由此可见，给驾驶行为建模是一个多方位、 多层次牵制的复杂问题．其实验系统一般由信号数据采集、Mat- lab数据处理、特征提取、后期处理、VC程序运算等部分组成，如 图3所示。 图3疲劳驾驶行为识别的基本流程 3．2信号的采集和Matlab处理 汽车状态信号和驾驶员操作信息采集包括开关量采集、模 拟量采集和脉冲信号采集。角度传感器的选择是个难点．由于 疲劳试验主要采集的数据就是方向盘转角数据．对角度传感器 的精度和灵敏度要求很高，而且因为方向盘所处环境，角度传感 器的抗干扰要求也很高，光电式编码器的抗干扰问题一直是个 难点，所以采用了传统的电阻式传感器。 信号的采集包括硬件和软件两部分。其实现步骤如下： 1)从各种传感器得到的信号通过屏蔽电缆送给信号箱，对 原始电压信号进行初步的光隔、变换处理： 2l经过信号箱处理后的信号通过40针数据线传输给信号 采集卡。在这里我们用的是基于PcI总线信号采集卡。 3)用编制的基于vC++的信号采集和处理程序操作采集卡 的各种端口，得到最终需要的各种信号敦据。等待下一步处理。 这样子得到的数据是存在噪声的。接下来的步骤就是用 Matlub将噪声滤除。 因为数据量很大．运算次数庞大．采用傅里叶分析的方法速 度很慢．且效果达不到要求。所以选取小波分析的方法来滤波， 效果有很大改进。如图4所示。 部分matlub程序如下： ‘r—————7—————1——————’—————1————1 nJt一／＼、——1——，4 图4利用小渡分析滤波效果图 石dd’orig血al斫盯．al’) w#=日wt0，Iey，’dbl7)； swcden=swc； [thr,sorh]=ddencrnp(’den’，’w-r’，8)；％计算默认的垒 局阈值 swcden(1：end-I，：)--wthresh(sweden(1：m_Icl-1，：)，sorh，tⅥ；％对 高频系数进行闻值处理 clean--iswt(swcden，7dbl’)；％获得消除噪声后的信号 deanl=clean’； subplot(312),ploKclean)；％显示去除噪声后的信号 dde(’De-nosiedi耐7k 3．3特征提取以及数学建模 特征提取是驾驶操作识别过程中最重要的环节之一，良好 的特征应该使同一个人的不同驾驶操作数据样本间的差异性尽 可能小．而在不同人操作之间的差异性尽可能大。我们采用傅里 叶变换来对信号进行处理。其实现步骤如下： 11对方向盘角度进行离散傅立叶级数展开，得到傅立叶 系数对。 x(女)=D州m)】；∑缸^孵O论文

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