可進行駕駛員健康監(jiān)測的智能方向盤研究

都萌　傅華娟　戴偉　丁洋洋

摘要：新冠肺炎疫情肆虐后，人們對自身的健康狀態(tài)都提升了關注度，本文對智能方向盤的功能進行了研究探索，讓駕駛員能夠在主駕駛位上，通過手腕貼合方向盤上的感應芯片采集自身的體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)椒较虮P上的可視小型液晶屏上，讓駕駛員輕松獲得自身的基本體征數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)還可用藍牙同步到手機APP進行查看及進行健康數(shù)據(jù)管理分析，察覺異常。

關鍵詞：智能方向盤;健康監(jiān)測;駕駛員

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.24.075

1研究背景

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量有了顯著的提高，全國汽車保有量在不斷提高，越來越多的人成為有車一族，私家車出行已成為中國居民生活的常態(tài)。在享受私家車出行帶來的便利的同時，保證駕駛安全成為首要問題。但是每年由于駕駛員身體狀態(tài)不良，例如身體不適、身體疲勞、心肌梗死、心律失常等原因?qū)е萝嚨湐?shù)量約占車禍數(shù)量的40%左右。

另外，突如其來的疫情讓人們都意識到生命的脆弱，人們深知有一個健康的身體的重要性。人們對于自身健康管理的要求越來越全方位化，系統(tǒng)化、層次化，尤其在日常健康檢測這一模塊的需要更加實時化，如圖1所示。

汽車在日常代步中所占的比例越來越大，人、車、生活、技術(shù)已經(jīng)密不可分，“以人為本”，就是以人的安全、健康、感受、體驗為本，事事想在消費者前頭、擁有完整的產(chǎn)品理念與規(guī)劃，能同時兼顧主動保護與被動防護、可用性與前瞻性的平衡。車輛設計過程中應貫徹“以人為本，安全生態(tài)造車”的理念。因此智能車輛，健康車輛，交互車輛的呼聲越來越高，人們對車上生活的品質(zhì)要求也越來越高。

對汽車方向盤的設計予以革新，讓其具備健康監(jiān)測和交互功能是本文研究的焦點，目前在售的汽車方向盤主要有兩類：一類是以普通僅僅控制車輛行駛方向為主的方向盤;另一類是多功能方向盤，是指在方向盤上加裝功能鍵，進行音媒控制、接聽電話、設置定速巡航等，讓駕駛員更方便操作的車輛。而將目前已有的健康監(jiān)測技術(shù)與車輛方向盤這個基礎配置結(jié)合起來形成智能方向盤，以期達到通過駕駛員手腕貼合方向盤的芯片感應裝置就能輕松獲得駕駛員體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并將采集的健康數(shù)據(jù)藍牙同步到駕駛員手機APP進行查看及進行健康數(shù)據(jù)積累分析和數(shù)據(jù)管理。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外研究和發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀國外的智能多功能方向盤發(fā)展過程：1978年，按鈕首次出現(xiàn)在邁凱倫M26賽車方向盤上;1989年，法拉利對電子系統(tǒng)在方向盤上的集成做出了巨大改進，撥片式換擋同年首次被應用在了法拉利F1賽車上;1995年6個按鈕和秒表集成在邁克爾·舒馬赫的貝納通B195賽車方向盤上;1996年舒馬赫在方向盤后方又加裝了撥片式離合，在正面添加了LED轉(zhuǎn)速指示燈;上世紀90年代末期，LED顯示屏正式出現(xiàn)在賽車的方向盤。而民用車的方向盤也受賽車啟發(fā)，越來越多的控制按鍵集成在方向盤中，例如定速巡航、儀表盤控制按鈕，音樂調(diào)節(jié)等多功能在方向盤上得以輕松實現(xiàn)。

寶馬公司研發(fā)過一款價格昂貴且沒有投入應用的可監(jiān)測駕駛員部分生命體征的方向盤，但功能不全面，未面向消費者需求進行調(diào)研來調(diào)整產(chǎn)品。本田的一款智能駕駛概念車的方向盤兼顧油門和剎車功能，并提供8種駕駛模式，并在儀表板上的加裝傳感器進行駕駛員眼球追蹤確定其是否在專心駕駛。駕駛員如果注意力不集中車輛會自動切換至自動駕駛。

2.2國內(nèi)研究和發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)研究使用的方向盤集中在駕駛功能性的研究上，僅限于在方向盤兩側(cè)或者下方設置一些功能鍵，包括音響控制、藍牙、定速巡航、行車電腦等設置在方向盤上。北京興科迪電子技術(shù)研究院研制了一種駕駛員身體情況監(jiān)測裝置，其具備身體狀況采集裝置、身體狀況分析裝置、應對裝置、網(wǎng)絡裝置和報警裝置，所述身體狀況采集裝置通過所述網(wǎng)絡裝置與所述身體狀況分析裝置相連，但沒有與方向盤結(jié)合，未能考慮實際的使用便利性及人車一體化。且還有酒態(tài)監(jiān)測報警方向盤監(jiān)測駕駛員呼出氣體酒精是否超標，但未能同時集成監(jiān)測駕駛員健康狀態(tài)。

3設計思路

可進行駕駛員健康監(jiān)測的智能方向盤的結(jié)構(gòu)，包括殼體、感應裝置、可視化顯示屏、充電后蓋，如圖2所示。通過方向盤一個盤輻安裝感應芯片裝置，駕駛員腕部按要求貼合芯片就能收集其體溫、心率、血壓、心電數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)輪動顯示在方向盤液晶顯示屏上，顯示屏及感應芯片通過導線與充電后蓋相連接，并通過藍牙裝置將體征數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾CAPP，用手機進行查看及進行健康數(shù)據(jù)管理分析管理。本設計可實時監(jiān)控司機的身體狀態(tài)，可為駕駛員的健康保駕護航。

4數(shù)據(jù)采集技術(shù)

駕駛員體征數(shù)據(jù)的采集總體設計如圖3所示。人體體征信號采集的關鍵技術(shù)是融合PPG光電+ECG心電測量技術(shù)及體溫測量技術(shù)，采集分析了駕駛員的心率、心電、血壓、體溫等體征：

（1）心率測量：PPG技術(shù)用LED光源的反射測量，照射進入人體的皮膚組織，然后通過接收端的光電接收管來將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。由于皮膚組織內(nèi)的血液流量隨著脈搏的變化而周期性地變化，同時血液中的含氧血紅細胞的比例也隨著脈搏的變化而變化，因此它們對入射光的吸收程度也隨著脈搏而呈現(xiàn)周期性的變化，體現(xiàn)在接收端就是接收到的電信號也隨著脈搏而變化。通過算法我們可以解調(diào)出這個信號，從而算出脈率，脈率等于心率。

（2）心電捕集：結(jié)合ECG心電極片獲得體表生物電，形成心電圖。

（3）血壓測量：利用脈搏波傳輸速度來計算人體連續(xù)血壓值，模擬數(shù)學模型和光電容積脈搏信號（PPG）中對應特征點之間的時間差獲得脈搏傳輸時間（PTT）或脈搏傳輸速度（PWV），計算出血壓。

（4）體溫測量：因為任何高于絕對零度（-273℃）的物體都會發(fā)出紅外線，使用高精度紅外探頭測量體溫通過將紅外傳感器集成到感應裝置中，傳感器從體表感知溫度，只需幾秒鐘就能準確測量體表溫度。

5設計亮點

（1）開發(fā)了帶有健康檢測功能的智能方向盤，讓駕駛員能夠在駕駛過程中，通過駕駛員腕部貼合方向盤感應裝置，即采集到駕駛員體溫、心率、血壓、心電等數(shù)據(jù)，并通過液晶顯示屏顯示。

（2）智能方向盤采集的健康數(shù)據(jù)可以通過藍牙裝置同步到手機相應APP進行查看及進行健康數(shù)據(jù)管理分析，并察覺異常。

（3）探索了“以人為本”的車輛方向盤設計的新領域。

參考文獻

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基金項目：2020年江蘇省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（202013114019Y）。

作者簡介：都萌（1983-），女，碩士研究生，常州機電職業(yè)技術(shù)學院教師，主要研究方向為載運工具運用工程;傅華娟（1971-），江蘇常州人，常州機電職業(yè)技術(shù)學院教師;戴偉（1997-），江蘇常州人，常州機電職業(yè)技術(shù)學院教師;丁洋洋（1999-），江蘇常州人，常州機電職業(yè)技術(shù)學院教師。