基于防疲勞駕駛下的智能語音播報系統

河南理工大學電氣學院 金谷香 張宏偉

在進行司機面部動態識別時拍攝整體頭部頭像的同時進行人景分離，將人臉圖像進行預處理之后提取特征量，通過不同特征向量與第一個閾值進行比對，超過閾值則進行語音提醒。檢測車輛的偏航角時結合司機面部動態檢測模塊來排除司機主觀換道因素。若偏航角超過所設的第二個閾值，無論是否是司機主觀換道，都應提醒司機注意行車安全。通過檢測司機的腦電波，將電信號轉化為數字信號進行處理，根據程序算法來檢測人腦的活躍程度，若低于第三個閾值，則進行實時語音提醒。針對之前所提及的三個檢測模塊，通過賦予不同比例的權重來設定第四個閾值，若檢測到的三個模塊均超過所設閾值，則觸發語音模塊報警，并對預先設置的用戶進行實時數據傳輸，提醒司機在就近服務區停靠休息。

相較于市面上的防疲勞駕駛系統，該防疲勞駕駛系統所考慮的因素更全面，算法也更為精確。基于原有的算法之上，運用多重分類的思想，不僅綜合了多方面的因素，還增加了分度等級表，根據不同的危險等級，發出不同的警報聲，更加具備用戶友好性。

1 傳統方法檢測疲勞駕駛存在的問題

目前關于檢測疲勞駕駛的研究方法已經比較準確，但是由于這些方法一般是在駕駛前或者駕駛后測量的，均有不同程度的超前或滯后，而非實時性檢測。除此之外，在駕駛室有限的空間內安裝檢測儀器也具有不小的難度；況且司機在進入或離開駕駛室的精神狀態呈現波動，使用精確的儀器測量出的結果也會大打折扣。關于檢測疲勞駕駛的系統中：基于生理現象的檢測技術，其檢測的準確性優良，但在檢測心率、脈搏以及皮膚電壓等的變化實用性較差；基于操控行為的檢測技術，其可擴展性較差；基于行駛條件的檢測技術，其檢測的準確性較差。目前的防疲勞駕駛設計中，大多數是以面部識別、眼部識別、嘴部識別、壓力傳感器與檢測車輛是否偏離車道線為主，很少有對行車路況的檢測。而在實際應用中，人們更傾向于車載、實時非接觸式、能進行實時信息傳輸的疲勞檢測裝置。

2 改進措施

2.1 車輛偏移量檢測

針對市面上行車時計算偏離車道線的算法，本裝置加入面部檢測裝置，排除司機主觀換道因素后計算車輛的偏航角。若偏航角過大，無論是否是司機主觀換道，都應提醒司機注意行車安全。偏航角較大時，如果閾值設定過大，在車速較快的情況下駕駛人將無法及時調整車輛方向；如果閾值設定過小，為保證預警實時性，檢測幀數很少，則會影響預警系統準確性。算法計算得出將大偏航角設定為10°較合理。如果此時的偏航角小于0°，則當前車輛行駛狀態為左偏，反之為右偏。如果連續2幀圖像的檢測結果顯示車輛位置處于大偏航角狀態，即偏航角絕對值大于10°，則立即提醒。偏航角較小時，將閾值設定3°，車輛位置處于小偏航角狀態時，如果連續15幀圖像檢測結果顯示車輛偏航角絕對值大于3° 且處于持續增大過程，則觸發提醒。

2.2 面部動態檢測

主要檢測司機頭部傾斜程度、頭部下垂度、眼睛閉合頻率等的變化。人臉和背景存在灰度差異，包括毛發等都歸類為背景，拍攝整體頭部圖像后分離人臉，去除干擾后通過定位、采點、標記、計算和提取特征量將灰度值地的圖像轉化為數字信號，與正常值進行比對。若采取到的數值在預先設置的容許偏移量之間，則不觸發提醒；反之，進行智能語音播報。

2.3 腦電波檢測

腦電波檢測是通過檢測人的腦電波來判別人的疲勞程度，將人的腦電波這種電信號轉化為數字信號，處理后根據程序算法的計算來檢測人腦的活躍程度。當發現司機處于疲勞駕駛時，通過用戶預先設定的人聲進行智能語音播報，以提醒司機需要適時休息。若司機當時處于疲勞狀態，但離下一個服務區距離較近，則可通過該模塊進行實時數據傳輸獲知信息，以便進行分析判斷是否應就近服務區進行停靠休息。

2.4 智能語音提醒與家人防擔憂系統

現在市面上的普通系統都是冰冷的機器音，不僅會讓人感到不適，還無法有效的提醒車主。因此采用了溫暖的親人語音提醒，只需提前錄入幾段語音，就可以自動進行提醒，司機即使身在外，也依然能感受到家人的溫暖，來自親人的親切話語也會使得司機駕駛時更加的小心，從而降低事故發生率。與此同時，家人防擔憂模塊還能夠將車主駕駛時的信息實時傳輸給他的家人，讓家人們不再擔心并且能第一時間了解到司機的狀況。

3 工作原理

設計開發智能親人語音提醒軟件系統，方法利用計算機語音合成技術合成人聲語音，通過計算機音箱提醒。具體流程圖如圖1所示：

圖1 語音提醒模塊流程圖

系統采用 STC89C51 單片機作為控制芯片、麥克風和NE5532組成的放大電路，其中帶通濾波器和A/D模數轉換器則負責語音信號采集，D/A轉換器和揚聲器將負責語音回放，外部存儲器負責語音存儲，而 LED 點陣顯示屏即負責呈現提示信息，另有單片機自帶鍵盤可負責控制語音錄入和回放。

當按下錄入鍵，語音信號由MIC錄入，經過放大和濾波后，送入A/D轉換器轉換為語音數字信號，在單片機的控制下，就將語音數字信號存儲在外部存儲器中。當按下回放鍵，單片機提取相應的數字信號，再經D/A轉換為模擬信號，而經濾波和功率放大后，將由揚聲器輸出，同時屏幕在單片機控制下，將會顯示語音信息的編號。

本系統以STC89C51單片機為核心控制芯片進行控制，負責錄音、放音、對于中斷命令的響應和對外部存儲器RAM進行讀寫操作。控制芯片控制協調各部分電路，將語音模擬信號轉換為數字信號，并存儲到外部存儲器; 當收到回放請求，則調出數字信號并轉換為模擬信號輸出。

存儲器采用隨機存儲器RAM。這是一種存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器，因此選取此類外部存儲芯片就大大提高了系統的靈活性。

本裝置加入了智能親人語音提醒模塊與家人防擔憂模塊。現在市面上的普通系統都是冰冷的機器音，不僅會讓人感到不適，還無法有效的提醒車主。因此我們采用了溫暖的親人語音提醒，只需提前錄入幾段語音，就可以自動進行提醒，讓車主即使身在外，也依然能感受到家人的溫暖，來自親人的親切話語也會使得車主駕駛時更加的小心，從而降低事故發生率。與此同時，家人防擔憂模塊還能夠將車主駕駛時的信息實時傳輸給他的家人，讓家人們不再擔心并且能第一時間了解到車主的狀況。

行車時檢測前方道路情況時，如果前方道路一路平坦，結合司機行車時間，進行防疲勞檢測，如司機行車時間過長，為防止司機心神疲憊，進行語音提醒；如有服務區，則提醒距離前方服務區有多遠距離以及距離下一個服務區有多遠距離，提醒司機注意休息。目前的防疲勞駕駛設計中，大多數是以面部識別、眼部識別、嘴部識別、壓力傳感器與檢測車輛是否偏離車道線為主，很少有對行車路況的檢測，我們加入這個功能，可能對檢測疲勞駕駛只起到了輔助作用，最大的作用在于預防之上，在容易發生疲勞駕駛的時刻對司機進行提醒，并對服務區的距離進行提醒，可以有效防止司機發生疲勞駕駛的情況。

目前已有的防疲勞駕駛系統針對的只是一個群體，雖然已經考慮到了許多方面的因素，但由于每個人的生活習慣與身體狀況都不一樣，本設置所設計的算法并不是完全精確，因此我們考慮將目前已有的防疲勞駕駛軟件與大數據庫相結合，構造一個可以精確到個人的基于大數據庫下的防疲勞駕駛系統。從車主購買產品時開始計算，將其平時的行為習慣都記錄在內，如果行車時發現異于平常并符合本設置算法的行為，則可以精確的認定其為疲勞駕駛，然后發出警報。這也是下一步所要實現的目標。

4 應用前景

目前已有的防疲勞駕駛系統針對的只是一個群體，雖然已經考慮到了許多方面的因素，但由于每個人的生活習慣與身體狀況都不一樣，所設計的算法并不是完全精確，因此考慮將目前已有的防疲勞駕駛軟件與大數據庫相結合，構造一個可以精確到個人的基于大數據庫下的防疲勞駕駛系統。從車主購買產品時開始計算，將其平時的行為習慣都記錄在內，如果行車時發現異于平常并符合我們的算法的行為，則可以精確的認定其為疲勞駕駛，然后發出警報。

在目前這個忙碌的社會，工作者們每天都在為生活而奔波。在駕駛車輛時，經常會有疲勞駕駛的狀況發生。為減少疲勞駕駛所帶來的危害，該系統可以給駕駛員發送語音或振動信號，及時提醒駕駛員糾正當前的駕駛行為，從而防止事故的發生。據估計，防疲勞系統可以減少約30%的車道偏離傷亡事故。所提出的算法是基于現有的防疲勞系統實現，因而更容易與現有系統集成，并具有較高的可靠性和應用前景。