肌電式防酒駕/路怒/疲勞駕駛智能安全手環

明魁 徐鏡博 謝鴻云 王銘晨

摘 要：近年來，酒駕、疲勞駕駛、路怒癥等問題嚴重影響了乘客及行人安全。本文針對以上問題研發一款智能手環，該手環可通過采集并分析駕駛員手臂上的肌肉電信號，實時判斷駕駛員狀態，當駕駛員處于危險狀態時，手環會對駕駛員釋放微電流進行提醒。本系統相較于傳統人臉識別產品，具有實時（可超前肢體運動150ms）、準確（容錯率5%）、易于研發（一維時間動作電位序列）等特點，具有很高的應用價值。

關鍵詞：肌電信號；行車安全；智能手環

1 研究背景

目前，機動車道路交通事故越來越多，僅2014年第一季度，全國便發生涉及人員傷亡的道路交通事故40283起，造成10575人死亡、直接財產損失2.1億元，并且據交通部門統計，60%以上的交通事故與酒駕/路怒/疲勞駕駛有關。司機酒駕/路怒/疲勞駕駛極易發生道路交通事故。因此行車安全預警器在交通安全應用中發揮著越來越大的作用，行車安全智能手環的設計刻不容緩。

2 同類產品對比

目前市面上大部分關于安全駕駛的產品大部分為接觸性，在實際行車過程中會影響駕駛員的操作，另外疲勞指標不夠客觀，一種單一的檢測指標往往不能衡量駕駛員是否疲勞。還有一些產品是通過面部識別來判斷駕駛者的狀態，準確率低，在光線暗的情況下很容易出現差錯。為了讓大多數人能支付的起疲勞駕駛預警相關產品，疲勞駕駛預警系統的設計需要考慮其成本，行車智能手環通過肌電信號反應駕駛者的狀態，肌電信號采集器做起來成本較低，更符合消費者要求。

3 表面肌電信號概述

表面肌電信號（sEMG）是一種生物電流信號，是人體表面肌肉通過收縮產生的生物電流。神經系統控制肌肉的活動時（收縮或者放松），表面皮膚不同的肌肉纖維在同一時間會產生相應的電信號。

肌電信號是受意識控制的，一般來說，肌肉的不同動作模式是由大腦興奮程度不同決定的，大腦興奮程度的不同首先會影響神經纖維發放興奮電脈沖的頻率，進而使得肌肉纖維收縮數量不同，這樣檢測到的肌肉信號也會不同，因此可以從不同的sEMG特征中找到其對應的動作模式。

4 裝置整體結構

本團隊設計的智能手環結構如圖2-1所示，主要包括肌電信號傳感器、肌電信號采集口（貼片電極）、肌電信號采集屏、微電流刺激口、手環外輪廓及電池等結構組成。

肌電信號采集口可以通過貼片電極實時采集駕駛員手臂皮膚表明的微弱電流，采集到的數據經過數據處理后可以得到駕駛員現在的狀態（正常/酒駕/疲勞駕駛/路怒），并將結果顯示到肌電信號采集屏上，當駕駛員處于異常狀態（酒駕/疲勞駕駛/路怒）時，微電流刺激口會釋放電流并響起提示音對駕駛員進行提醒。

具體結構為以下幾部分：

1、肌電信號模塊的采集系統，主要包括9V電池、Arduino數據開發板、肌電信號傳感器以及貼片電極。其中1個貼片電極為基準電極，2個貼片電極為采集電極，采集電機采集到數據以后首先與基準電極數據對比，隨后數據傳送到Arduino開發板進行數據處理，進而分析駕駛員狀態。目前已經搭建此部分實物并運行成功。

肌電信號記錄的是不同機能狀態下的肌肉電位變化，而這種變化與肌肉結構、收縮力以及收縮時發生的化學變化都有聯系。所以還需要建立相應的數學模型以及實驗方案。

2、智能采集屏幕，結構示意如圖2-2所示，主要功能為顯示駕駛員狀態，由于肌電信號不僅可以記錄駕駛員在任意時刻的生理狀態，還可記錄其心理狀態，所以經過肌電信號傳感器處理的數據可以輸送到顯示屏，顯示屏可以顯示四種狀態（正常/酒駕/疲勞駕駛/路怒），顯示屏會顯示文字并加以語音提醒。

3、電壓調節器可以實現自動輸出電壓并自動調節，滿足普通60/50Hz需求。可以將電壓調節器輸出端連接2個電極貼片（上文所述采集電極），當檢測到駕駛員處于異常狀態（酒駕/疲勞駕駛/路怒）時，電壓調節器會觸發并對駕駛員手臂進行微電流刺激進行提醒。

5 sEMG動作辨識數學模型

基于sEMG的自主性表明肌電信號采集方案流程共由五個階段構成：

（1）動作發生判斷階段：

模塊始終監測四通道信號，當確認有效運動開始后對四通道進行同步采集；

（2）多通道的分析、特征提取階段：

所獲取的駕駛員手臂四通道信號數據量大，可分性不強，為此須通過有效的分析方法提取出各通道的特征向量，實現數據降維；

（3）模式分類器監督學習階段：

首先選定模式分類器，并對動作目標集進行合理編碼，將特定動作所對應的特征向量作為輸入，該動作編碼作為輸出，對分類器進行有教師信號的監督訓練，直到分類器收斂；

（4）模式認知階段：

將提取的四通道特征向量輸入到訓練好的模式分類器中，對當前動作的種類進行識別；

（5）動作執行階段：

肌電信號采集屏以及微電流刺激口根據動作識別結果執行預定動作，實時保障駕駛員及行車安全。

在基于動作辨識的sEMG控制方法研究中，特征提取技術和分類器設計是兩個核心關鍵，其性能將直接決定整套系統效果。

6 產品總結

本文為了解決酒駕、疲勞駕駛、路怒帶來的行車危害，設計了一種可以通過采集駕駛員手臂皮膚表面肌電信號并對駕駛員進行提醒的智能手環，該作品成本較低，技術實現難度適中，具有實時（可超前肢體運動150ms）、準確（容錯率5%）、易于研發（一維時間動作電位序列）等特點，提醒效果良好，具有較高的社會價值。

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