頭戴式疲勞智能監測及緩解裝置設計

吳千旭

(湖北省武昌實驗中學,湖北武漢 430060)

根據網絡統計數據結果,截止2016年底,全國汽車保有量達到2.9億輛,其中汽車1.94億輛,機動車駕駛人3.6億人,其中汽車駕駛人超過3.1億。隨著人們的生活水平逐年提高,汽車數量逐年增多。然而,另一方面根據公安部交管局的統計數據顯示,2016年全國共發生貨車主責任道路交通安全事故5.04萬起,造成4.68萬人受傷,給人們的生產生活帶來巨大的經濟損失。

道路交通事故已經成為威脅我們自身生命財產安全的主要原因,而在眾多交通事故中,因為疲勞駕駛而導致的所占比例較大,疏忽大意奪走了許許多多鮮活的生命,給個人和家庭都帶了巨大的損失和負擔。所以通過研究造成疲勞的主要原因[1]以及造成疲勞形成的主要過程,設計一種能夠智能監測和緩解人體腦疲勞的裝置,有助于給駕駛人員創造更好的駕駛環境,幫助減少交通安全事故的發生,挽救更多的生命,減少個人及社會損失。

圖1 工作原理圖

圖2 疲勞監測與智能緩解

1 工作原理

腦疲勞智能檢測與緩解裝置的工作原理如圖1所示。

(1)通過干電極對腦電波進行采集,輸出信號為毫伏級別;(2)多路開關由腦電波處理芯片控制分時選通干電極,將腦部不同部位的腦電波信號輸入后部處理電路;(3)調理電路對輸入的腦電波信號進行濾波、放大、整形等工作,以減小輸入信號的噪聲干擾,放大輸入信號以匹配后極A/D轉換電路的要求;(4)A/D轉換電路輸入的模擬腦電波信號轉換成為數字采樣值[2],并保存;(5)腦電波處理芯片根據采集到的腦電波數據采樣值依據特定的算法進行計算以區分對應人體的疲勞程度,并據此生成控制輸出量;(6)處理芯片輸出的控制輸出量經過D/A轉換器轉換為模擬控制量,如電頻;(7)D/A轉換的輸出結果經驅動電路進行功率放大,以驅動后極電路;(8)腦部按摩器接收驅動電路的功率輸出,并用以驅動對應工作單元工作,對人體頭部特定位置進行按摩,降低人體疲勞程度。

圖3 疲勞監測與處理區

圖4 疲勞緩解裝置

2 結構設計

2.1 整體結構

頭戴式腦疲勞智能檢測與緩解裝置結構圖如圖2所示。

頭戴式腦疲勞智能檢測與緩解裝置主要包括兩大部分：腦電信號監測與處理區[3]、疲勞緩解區。

2.2 信號采集區

由于人的大腦可以分為端腦、小腦、腦干和丘腦四部分,端腦分為左右大腦半球,每個大腦半球又可以分為頂、枕、顳、額四葉,根據國際腦電圖協會建議的10/20系統電極放置法放置信號采集電極[4],如圖3所示。

放置原則如下：額1、2、3;中央4、5、6;頂7、8、9;前額11、12。側額10、13;顆14、17;枕15、16;是按摩裝置;18、19是放大器和處理器。

根據腦電信號頻率的不同,可分為四個不同的節律：δ節律,θ節律,α節律,β節律。當腦電信號的頻率為0.5～3.8Hz即為θ節律時,人會出現疲勞。

2.3 疲勞緩解區

當駕駛員出現疲勞時放大器和處理器將已監測到腦電信號轉換成電流信號,觸發穴位按摩裝置和噴香裝置進行疲勞緩解,當駕駛員的疲勞緩解后,監測到的疲勞腦電信號減弱,穴位按摩裝置和噴香裝置[5]停止工作,從而在人腦和整個設備之間自動形成一條閉環的反饋調節通路,進而實現了自動化。

如圖4所示,在疲勞緩解區中,包括如下部件：太陽穴按摩裝置20、22;陽白穴按摩裝置23;百會穴按摩裝置24;噴香裝置21。

3 結語

該設計能夠實時監測和緩解駕駛員的疲勞,減少由于疲勞駕駛造成的安全事故。相較于現有的疲勞駕駛檢測系統,該設計具有現有設計所不具備的優勢：

(1)智能調節。設計通過內部信號處理程序將采集的信號進行處理,通過處理后的信息做出相應的回應,即啟動或關閉啟動緩解裝置,實現負反饋調節。(2)提前預測。現有設計一般通過對駕駛員面部表情的變化進行疲勞提示,這就表明駕駛員已經處于疲勞狀態。而該設計可以通過設置閾值,當對腦電信號頻率分析預測駕駛員將處于疲勞狀態時就啟動疲勞緩解裝置。(3)準確性高。現有設計通過駕駛員面部特征對駕駛員是否處于疲勞狀態進行評級,但由于光線原因以及不同人的面部特征有所不同會導致疲勞誤判。(4)緩解更有效。現有設計實質上是沒有疲勞緩解裝置的,往往是通過報警提示駕駛員疲勞駕駛,這種方法對于緩解疲勞并沒有實質性的作用。本設計不僅具有緩解裝置,而且分別通過物理方法和化學方法對駕駛員疲勞狀態進行緩解,疲勞緩解作用更有效。

[1] 關力.大腦誘發電位的提取方法及在疲勞檢測中的應用[D].西安交通大學,1996.

[2] 畢文輝,嚴楠,崔德邦,等.數據采集系統中A/D轉換器的正確選擇[J].計量與測試技術,2009.

[3] 孫琿.基于腦電信號的在線疲勞監測算法研究[D].上海：上海交通大學,2013.

[4] 王曉韡,石立臣,呂寶糧.干電極腦電采集技術綜述[J].綜述,2010,(05).

[5] 趙燕琳.基于嗅吸法的香檸檬精油對人體腦電波的影響[D].上海交通大學,2012.