面向安全帶假戴和疲勞駕駛的汽車主動安全裝置

王 菁 李 濤 彭金栓/重慶交通大學交通運輸學院

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面向安全帶假戴和疲勞駕駛的汽車主動安全裝置

王 菁 李 濤 彭金栓/重慶交通大學交通運輸學院

【摘 要】自20世紀90年代以來道路安全問題備受關注，其中未使用安全帶和疲勞駕駛是造成交通傷亡事故的兩大主要原因。本文提出了安全帶“防假戴”與疲勞駕駛檢測法于一體的全新乘用車主動安全裝置。該裝置是視覺檢測法和疲勞度量因子（即PERCLOS）檢測法的綜合運用，它是集安全帶“假戴”監測系統、安全帶預警系統、疲勞駕駛監測系統、疲勞駕駛緩解系統四大系統為一體的綜合裝置。它能很好的防止駕駛員安全帶“假戴”與疲勞駕駛現象，達到減少交通事故率，促進道路交通的和諧發展的目的。

【關鍵詞】安全帶；預警；PERCLOS；疲勞駕駛；傳感器；閃光燈

1.安全帶假戴和防疲勞駕駛系統設計原理

1.1安全帶智能預警部分

1.1.1工作原理。

現有安全帶佩戴系統大都采用鎖扣傳感式檢測法，汽車啟動后成員不系安全帶，提示系統就會發聲警報，但無法預防以下三種安全帶“假戴”行為(如圖1所示)：

A.空座時系上安全帶然后直接就坐，安全帶被靠在身后的假佩戴行為。

B.未系安全帶，直接將獨立的卡扣插入卡槽行為。

C.靠著安全帶，當發現有交通警察檢查時將肩帶跨在胸前，從而躲避交通警察的檢查行為。

圖1　安全帶佩戴情況分類圖

為了克服傳統安全帶的不足，該系統將推出基于視覺檢測的方法，對傳統安全帶預警部分進行完善。我國安全帶性能測試組織并未對安全帶顏色進行明確規定，所以該系統將在不改變安全帶性能的條件下，在安全帶的制造材料里加入反光材質，并采用帶有LED燈的補光的攝像機進行圖樣采集。這樣提高了在夜晚或能見度低的情況下系統圖形處理的可靠性。

同時考慮到LED光源對駕駛員的干擾，本視覺感應系統工作時間周期設定為8s，這樣既可以避免長時間的照射影響駕駛員的駕駛又能避免因工作實踐太短而造成的瞬間閃光現象導致圖形處理單元工作的失敗。

（1）視覺處理器工作流程

系統啟動時首先攝像頭開始，根據紅外線檢測特種反光材料捕捉安全帶佩戴圖像，然后發送至圖像處理器，經數據處理單元對圖像進行檢測分析，得出處理結果，并發送給語音提醒系統，最后若駕駛員依舊保持不佩戴安全帶狀態，則警報發送至位于車頂的閃光燈，提醒周圍車輛與該駕駛車輛保持一定距離。這樣的安全帶預警系統的設計即從駕駛員本身預防安全帶漏戴現象，又從外部環境方面有了一個預防，從而減少了交通事故率。

（2）數據處理單元工作算法

圖2　數據處理單元工作算法

1.1.2檢測規則。

由攝像頭提供原始圖像后，由于安全帶的本身反光材質和攝像頭的的紅外線LED補光，會使安全帶部分灰度明顯高于人體皮膚或是衣服部分，因此圖像處理單元可以計算出圖像中亮點的面積然后比上總的圖形面積得到一個比值，而根據這個比值的結果與其他幾種安全帶假戴現象進行比較得出是否假戴的結果，傳給提醒裝置。

該公式化為：

表1　安全帶佩戴類別對應亮點比抽樣統計表

從表1中抽樣統計結果中可得到結論，正確佩戴安全帶的情況，亮點比率明顯高于三種假戴情況且當亮點率在7.5％左右波動時可確定為規范佩戴安全帶，于是得出結論標準亮點比率確定為7.5％。

注：其中f (x）代表亮點率，而根據f(x)的取值結果，可得最后是否規范佩戴安全帶的結論發至提醒裝置。

1.1.3提醒裝置的組成。

當接收到數據處理單元的“否”佩戴安全帶的指示后，提醒裝置激發，位于鎖扣部位的語音提示器將開始工作，它將根據語音提示的方式對駕駛員進行提醒，知道其正確佩戴安全帶為止。若駕駛員在10分鐘之類依舊沒有佩戴安全帶，則打開位于車頂部的閃光燈對周圍車輛進行預警。

圖3　警示燈位置模擬圖

1.2疲勞駕駛檢測與預防部分

1.2.1攝像頭與防疲勞駕駛原理。

一般情況下，產生疲勞的順序是：眼睛、頸部、肩部、腰部，所以眼睛是反應駕駛疲勞的第一區域。在汽車啟動時，位于駕駛員左前方的攝像頭開始檢測駕駛員的PECLOS（疲勞/瞌睡），當PECLOS大于70％或80％時，即可確定駕駛員在疲勞駕駛，進而系統開始進行語音提示，立即打開車輛進氣口進行車內的通風換氣，并激發位于駕駛員座椅中的震動裝置來進一步提醒駕駛員注意集中注意；當駕駛員疲勞現象依然存在時，系統將會打開車外報警閃爍燈，提示附近車輛駕駛員和過往行人注意與該車保持安全距離，以此降低交通事故率。

(1)PERCLOS檢測法簡介[1]

PERCLOS(percentage of Eyelid Clos ure over the P upil， over time.簡稱PERCLOS)是1998年Carnegie Mellon大學研究所研發的亮度疲勞/瞌睡的物理量，其定義為單位時間內（一般取一分鐘或30s）眼睛閉合一定比例（70％或80％）所占的時間，滿足系列下列時就發生了瞌睡：

PERCLOS計算公式如下：

(2)攝像頭的工作流程

當汽車啟動時，PCC攝像頭開啟，在檢測并處理完畢安全帶智能預警工作之后，開始計時駕駛員駕駛時間。當駕駛員達到駕駛時間時，根據視網膜對不同波長紅外光反射能力的不同，根據不同波長所形成的圖像差異定位視網膜，分析眼睛的大小和位置。根據眼睛區域的圖像高度判斷眼睛的閉睜，經數據處理單元對PECLOS的檢測分析，得出處理結果，發送給駕駛員語音提示，并打開車輛進氣口。若駕駛員仍然存在疲勞現象，則警報發送至車外了報警閃爍燈，提醒周圍車輛及行人與該車保持安全距離。

(3)疲勞駕駛數據處理單元工作原理

當系統鎖定駕駛員眼部后，開始測定駕駛員PERCLOS，即單位時間內(本文取40秒）眼睛閉合一定比例（70％或80％）所占的時間。PERCLOS的評定標準為：

P70:眼瞼遮住瞳孔的面積超過70％就計為眼睛閉合，統計在一定時間內眼睛閉合時所占的時間比例。

P80:眼瞼遮住瞳孔的面積超過80％就計為眼睛閉合，統計在一定時間內眼睛閉合時所占的時間比例。EM:眼瞼遮住瞳孔的面積超過一半就計為眼睛閉合，統計在一定時間內眼睛閉合時所占的時間比例。

即，該系統檢測判斷依據轉換成如下公式：

(4) PERCLOS標準值的設定

圖4　PERCLOS標準值的設定

根據上述表格所得連續駕駛時間范圍內的PERCLOS以及《道路安全法》所規定的機動車連續駕駛時間超過4小時便判定為疲勞駕駛，所以設定PERCLOS標準值為0.34，即：

1.3系統整體介紹

本攝像頭與圖片處理器系統主要是包括了兩個作用過程：（1）檢測駕駛員是否佩戴有安全帶并且通過聲音與警報燈進行警示提示駕駛員系好安全帶；（2）檢測駕駛人員是否處于疲勞狀態，并且開啟自動通風循環系統緩解駕駛員的疲勞。

當駕駛員上車關上車門并發動汽車時，安全帶預警系統開始啟動。位于駕駛員左上方攝像頭開始進行圖像采集，并將采集到的圖片發送到圖形處理器中，圖片處理器中心通過采集到的安全帶的灰度比、安全帶與駕駛員所各占采集圖形的比例的來判斷出駕駛員是否已經正確的佩戴安全帶。如果正確佩戴則解除警報；如果處理器判斷出駕駛員沒有正確佩戴好安全帶，則預警裝置開始啟動，由來自安裝在汽車音響內部處的語音處理器開始進行語音播報：“請駕駛員和乘客朋友系好安全帶。”與此同時，安裝在汽車車頂的及時報警燈開始閃爍紅燈。等到汽車超過20Km/h時，語音播報自動關閉，汽車報警燈仍舊不斷閃爍，直至駕駛員與乘客完全系好安全帶。

在車輛正常行駛過程中，位于駕駛員前方的攝像頭開始持續地對駕駛員的眼睛進行拍照，并且實時將采集到的圖片傳輸到圖片處理器中心。當圖片處理器通過駕駛員眼睛閉合程度來判斷駕駛員是否處于疲勞駕駛。當檢測到駕駛員處于疲勞駕駛狀態時，開啟車內空氣中CO2濃度檢測，如果超標（CO2濃度與人體呼吸反應關系表如表二所示），則自動開啟車內空氣循環系統，將車內的空氣中的CO2濃度降低，并且適當提高空氣中氧氣的濃度，以達到清醒頭腦、消除駕駛員的疲勞的目的；在進行了空氣內循環之后，再次檢測駕駛員的眼睛，并且進行分析，如若不達標，則再次進行空氣內循環。若駕駛員仍處于疲勞狀態，則并且開啟語音提示：“您已經處于疲勞駕駛，請停車休息。”并且車頂的報警裝置閃耀黃燈，提醒該車附近的車輛的駕駛員注意該車行駛。

表2　濃度CO2與人體呼吸反應關系表

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