我國新的《道路交通法》中，為維護(hù)道路交通安全,，也明文規(guī)定了對駕駛速度,、連續(xù)駕駛時(shí)間等。國外一些交通運(yùn)輸發(fā)達(dá)國家也制定這方面的國家統(tǒng)一法規(guī),。疲勞駕駛是公路汽車駕駛特別是高速公路上的“隱形殺手”,，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，從交通事故的大量案例分析中得出的結(jié)論認(rèn)為：開車人因疲勞駕駛所造成的道路交通事故約占交通事故總數(shù)的20％,。而疲勞駕駛在死亡交通事故的原因中卻占22％－30％,，在死亡交通事故的原因中居首位，由此可想疲勞駕駛對道路交通安全的危害性,。

　　除法規(guī)建設(shè)外,，國內(nèi)外的汽車廠商也設(shè)計(jì)出各種儀器設(shè)備用于疲勞駕駛link" href="http://forexkbc.com/tags/監(jiān)控" title="監(jiān)控" target="_blank">監(jiān)控，一種針對疲勞駕駛的紅外線眼球掃描儀在美國研制成功,，這種眼球掃描儀外形如同一個(gè)小型攝像機(jī),，使用也很方便，只要把它安裝在儀表盤上,，讓鏡頭對準(zhǔn)司機(jī),，掃描儀就會(huì)連續(xù)發(fā)出紅外線信號來掃描司機(jī)眼球中的眼白部分，同時(shí)判斷出疲勞程度并發(fā)出“減速停車”,、“休息一下”等警告信號,。雷諾、尼桑等產(chǎn)業(yè)巨頭長期研發(fā)克服疲勞駕駛一種監(jiān)視系統(tǒng),因理論技術(shù)應(yīng)用缺陷仍無法商業(yè)推廣,。日本豐田公司研制的疲勞報(bào)警裝置,，只要駕駛員在操縱轉(zhuǎn)向盤時(shí)有一點(diǎn)遲鈍，或脈搏有一點(diǎn)異常變化,，該裝置就能測出這些反應(yīng),，并發(fā)出警告，令座墊振動(dòng)或自動(dòng)剎車,。

　　日本東京大學(xué)研制出的疲勞測試器,，可戴在司機(jī)的手腕上,。該測試器內(nèi)部裝有一小型氧氣電池電極，能測量司機(jī)汗液中的乳酸,、氨和酒精含量,，然后通過小型無線電發(fā)射器把數(shù)據(jù)傳送到研究中心。研究中心通過電腦分析,，判定司機(jī)的疲勞程度,，及時(shí)向司機(jī)發(fā)出警告，避免交通事故的發(fā)生,。國內(nèi)也有可有效預(yù)防駕駛員違章駕駛,、遏制重大交通事故的“汽車行駛記錄儀”通過鑒定的報(bào)道。

　　以上這些方法因這樣或那樣的問題,，達(dá)到實(shí)用都存在一定的困難,。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，通過采用最先進(jìn)的測試技術(shù),，結(jié)合嵌入式計(jì)算機(jī),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，智能控制技術(shù),，對汽車疲勞駕駛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,，達(dá)到減少因疲勞駕駛造成的道路交通事故的目的。

　　設(shè)計(jì)概述

　　本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是應(yīng)用現(xiàn)代電子技術(shù)的最新發(fā)展成果,，用Motorola公司為第五屆嵌入式微處理器“Freescale杯”提供的芯片和傳感器,，設(shè)計(jì)基于MM908E625和Low-G的汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控儀。

　　監(jiān)控儀特性：

　　1．方向盤的轉(zhuǎn)向軸,、油門踏板和剎車踏板多點(diǎn)監(jiān)控,。

 

　　2．加速度傳感器信號獨(dú)立處理，確保實(shí)時(shí)性,。

 

　　3．LIN總線網(wǎng)絡(luò),，實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。

 

　　4．互動(dòng)平臺(tái)：駕駛路況選擇,，更有利于控制系統(tǒng)監(jiān)控,。提供聲光、震動(dòng)報(bào)警提示,。

 

　　5．大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和采集,，大屏幕LCD顯示，異動(dòng)駕駛時(shí)間段數(shù)據(jù)查詢,。

 

　　6．神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、模糊控制和專家系統(tǒng)。

 

　　汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控儀的基本思路是當(dāng)駕駛員正常駕駛,、短距離駕駛,、短時(shí)間駕駛時(shí),，沒有疲勞駕駛問題,，這時(shí)監(jiān)控儀的工作是對駕駛員的駕駛習(xí)慣進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集,，建立駕駛習(xí)慣數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)不斷采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,。

　　隨著連續(xù)駕駛時(shí)間的增加,，監(jiān)控儀自動(dòng)進(jìn)入疲勞駕駛監(jiān)控狀態(tài)，如果駕駛員有疲勞癥狀,，必然會(huì)反映出與正常駕駛不同的偏差,。如：突然急剎車的頻率增加、連續(xù)大油門時(shí)的方向盤突然轉(zhuǎn)向,，油門踏板的平穩(wěn)性變化等,。結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制和專家系統(tǒng),，組成對駕駛員的駕駛狀態(tài)的監(jiān)控,，增加與駕駛員的互動(dòng)平臺(tái)，向駕駛員提出駕駛指示,、報(bào)警等,。本人已在自己的自動(dòng)波車上作過一些嘗試，并取得成果,。

　　加速度傳感器Low-G分別被安裝在方向盤的轉(zhuǎn)向軸,、油門踏板和剎車踏板上，由MCU/DSP嵌入式微處理器MM908E625對傳感器的信號進(jìn)行處理,，并組成LIN總線網(wǎng)絡(luò),。

　　傳感器除了采用加速度傳感器Low-G外，還需要速度和位置傳感器,。

 

　　硬件描述

　　1.硬件系統(tǒng)構(gòu)成：

 

　　系統(tǒng)主節(jié)點(diǎn)為嵌入式PC機(jī),，配置PIII處理器、觸摸屏提供交互式界面,，主節(jié)點(diǎn)PC機(jī)完成數(shù)據(jù)庫的建立,、更新，智能控制程序運(yùn)行和對LIN子節(jié)點(diǎn)的通訊管理,。交互式界面提供路段,、路況、測控時(shí)間等選擇,，對駕駛狀態(tài)的等級提示和報(bào)警等,。

 

　　主節(jié)點(diǎn)經(jīng)過LIN接口板連接到四個(gè)LIN子節(jié)點(diǎn)，LIN子節(jié)點(diǎn)以MM908E625為核心,，對加速度,、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,、車速、節(jié)氣門開度和制動(dòng)踏板位置等物理量進(jìn)行檢測和信號預(yù)處理,，其中第一,、二、三子節(jié)點(diǎn)對方向盤的轉(zhuǎn)向軸,、油門踏板和剎車踏板加速度傳感器Low-G信號獨(dú)立處理,。第四個(gè)LIN子節(jié)點(diǎn)對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速,、節(jié)氣門開度和制動(dòng)踏板位置,，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速采用霍爾脈沖式傳感器,，節(jié)氣門開度,、制動(dòng)踏板位置采用霍爾線性傳感器。

 

　　實(shí)驗(yàn)表明：加速度信號更能反映汽車駕駛者在正常駕駛和疲勞駕駛時(shí),，對車輛的方向盤的轉(zhuǎn)向軸,、油門踏板和剎車踏板這三個(gè)關(guān)鍵部件的操控效果的不同，正常駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)電壓±0.5V變化,，而疲勞駕駛時(shí)加速度信號的輸出電壓在中心點(diǎn)電壓±1V變化,，且加速度信號變化的頻度大于正常駕駛的情況。

 

第四個(gè)LIN子節(jié)點(diǎn)的測量信號作為模糊控制器的輸入限定條件,。

 

　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖（1）所示：

圖（1）硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

 

　　2.加速度計(jì)LIN子節(jié)點(diǎn)：

 

　　(1).  速度計(jì)LIN子節(jié)點(diǎn)原理圖（2）及加速度測量模塊圖（3）：

 

 

                                   圖（2）LIN子節(jié)點(diǎn)原理圖　　                            圖（3）測量模塊

 

　　(2).    加速度計(jì)LIN子節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)安裝：

 

　　MMA6260Q為XY雙軸向傳感器,，為保證獲得較理想的加速度測量，加速度計(jì)設(shè)計(jì)成帶LIN接口,，物理尺寸為5X5X2CM的測量模塊,，直接安裝在油門開度踏板、制動(dòng)踏板和方向轉(zhuǎn)軸上,。油門開度踏板和制動(dòng)踏板測量模塊垂直安裝,，確保X軸方向可測量踏板的加速度信號，Y軸方向測量車輛運(yùn)行中平均震動(dòng)信號,。方向轉(zhuǎn)軸測量模塊水平安裝,，確保XY軸方向可測量方向盤轉(zhuǎn)向的加速度信號。

 

  　3.傳感器簡介：

　　除用于加速度測量的Low-G外,，還有以下傳感器,。

　　節(jié)氣門（油門）開度傳感器：節(jié)氣門由駕駛員操縱，直接反映駕駛員的控制意圖,，因此是判斷發(fā)動(dòng)機(jī)工況的重要信號,。節(jié)氣門位置傳感器安裝在節(jié)氣門軸的尾端，采用霍爾線性傳感器。經(jīng)傳感器信號調(diào)理板處理后,，由LIN子節(jié)點(diǎn)測量模塊檢測搜企網(wǎng),，節(jié)氣門完全關(guān)閉時(shí)，傳感器輸出電壓等于0V,；節(jié)氣門完全打開時(shí),，輸出電壓等于5V。當(dāng)節(jié)氣門不斷開大時(shí),，其輸出電壓隨之線形增加,。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,、車速傳感器：采用霍爾脈沖式,。經(jīng)傳感器信號調(diào)理板脈沖整形電路處理之后，由主芯片的輸入捕捉口進(jìn)行脈沖捕捉,。對應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500rpm-8000rpm的范圍,，接口板輸出對應(yīng)0V－5V變化。對應(yīng)車速60KM/h-180KM/h的范圍,，接口板輸出對應(yīng)0V－5V變化,。

 

　　智能控制（模糊控制器）設(shè)計(jì)

　　汽車駕駛狀態(tài)（疲勞駕駛）監(jiān)控的對象是相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)控制問題，是屬于多輸入－多輸出的模糊控制系統(tǒng)范疇,。人的駕駛習(xí)慣,，不同的路況，不同駕駛時(shí)段反映到對車輛的操控,，會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)不同的汽車駕駛狀態(tài),。

　　各種對車輛的操控，作為輸入量,，表現(xiàn)為節(jié)氣門（油門）開度,、制動(dòng)踏板的位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,、車速的變化,、速度的變化（即加速度），方向盤轉(zhuǎn)向的角度和角加速度等,。車輛在不同的路況下產(chǎn)生的震動(dòng)作為輸入量,，也會(huì)影響到傳感器的測量，特別是對加速度傳感器的影響,，對震動(dòng)信號由LIN子節(jié)點(diǎn)測量模塊按“平均震動(dòng)信號強(qiáng)度”在信號預(yù)處理程序中減弱或消除,。作為輸出量，表現(xiàn)為對車輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣,，分為“好”,、“中”、“差”三個(gè)等級,。在設(shè)計(jì)控制規(guī)則庫時(shí),，把多輸入－多輸出模糊控制結(jié)構(gòu)化為多輸入－單輸出模糊控制結(jié)構(gòu),，然后按單輸入－單輸出模糊控制系統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多變量控制系統(tǒng)的模糊解耦,。

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,，疲勞駕駛階段，反映到汽車駕駛狀態(tài)上,，表現(xiàn)為對節(jié)氣門（油門）開度,、制動(dòng)踏板和方向盤轉(zhuǎn)向的加速度信號的改變比正常駕駛時(shí)期的加速度信號的改變在信號的幅值和頻度有明顯的不同。本課題采用FreeScale的Low-G系列雙軸向加速度傳感器MMA6260Q,，對所需的加速度信號能準(zhǔn)確地,、實(shí)時(shí)地采集，作為模糊控制器的輸入變量的一個(gè)重要參數(shù),。

　　本研究課題早期對疲勞駕駛的研究主要通過測量油門開度,、制動(dòng)踏板位置和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速的變化等參數(shù),，這些參數(shù)間接地,、滯后地反映駕駛狀態(tài)的變化，這些參數(shù)可作為模糊控制器在各種不同駕駛狀態(tài)的限定條件,，結(jié)合加速度的測量,，建立模糊控制規(guī)則。

　　對應(yīng)于油門開度,、制動(dòng)踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸三種類型的變量建立三套模糊控制器模型,，以下以油門開度作為變量說明模糊控制器的設(shè)計(jì)。

　　1．糊化過程：

　　設(shè)油門開度模糊控制的輸入量分別為油門開度s,，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n,、車速v和油門開度加速度a。將加速度劃分成“負(fù)大NB”,、“負(fù)小NS”,、“零ZE”、“正小PS”,、“正大PB”五個(gè)等級（即五個(gè)模糊子集）,。控制器的輸出為對車輛的駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣(以H表示),，分為“好GOOD”,、“中MIDDLE”、“差BAD”三個(gè)等級,。為了實(shí)現(xiàn)模糊化,，確定油門開度加速度a模糊子集的隸屬度函數(shù)如下圖（4）所示。為了按照一定的語言規(guī)則進(jìn)行模糊推理，確定輸出量即反映駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣的隸屬度函數(shù)如下圖（5）所示,。

 

 

                    圖（4）加速度a隸屬度函數(shù)圖                                        圖（5）駕駛狀態(tài)隸屬度函數(shù)圖

 

        2．模糊控制規(guī)則的建立

　　對應(yīng)于油門開度模糊控制規(guī)則庫的建立,，與油門開度s，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n,、車速v在不同的數(shù)值范圍的取值具有交互性和關(guān)聯(lián)性,。規(guī)則庫的建立需要在程序運(yùn)行中不斷搜集數(shù)據(jù)，通過自學(xué)習(xí)確定方法和模糊規(guī)則的自調(diào)整,，在實(shí)驗(yàn)過程中不斷修正和完善,。

　　模糊控制規(guī)則重點(diǎn)處理影響車輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”的工作過程。其中,，“差”駕駛狀態(tài)的規(guī)則對應(yīng)于油門開度s分為0,，1，2－9共十段,，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n分為1000rpn,、1500rpn-5500rpm共十段,車速v分為60km/h,、70km/h-150km/h共十段,和加速度劃分成“負(fù)大NB”,、“負(fù)小NS”、“零ZE”,、“正小PS”,、“正大PB”五個(gè)等級，可歸納為有效控制規(guī)則八十六條規(guī)則,。

　　模糊控制規(guī)則(L)公式：如果(IF)油門開度s為x段[和(AND)]V[或(OR)]發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n為y段[和(AND)]V[或(OR)]車速v為z段,，且加速度為等級m，則（THEN）駕駛狀態(tài)為“S”,。

　　3．精確化計(jì)算

　　對應(yīng)于上述推理方法得到的結(jié)果,，結(jié)合車輛正常駕駛時(shí)采集的數(shù)據(jù)建立的數(shù)據(jù)庫分析，對加速度等級出現(xiàn)的頻度,，根據(jù)輸出模糊子集的隸屬度函數(shù)進(jìn)行精確化計(jì)算,，確定車輛駕駛狀態(tài)的優(yōu)劣“差”和“中”，由交互界面提供操作提示和報(bào)警,。

　　軟件描述

　　1.數(shù)據(jù)庫建立：

　　駕駛狀態(tài)模糊控制器數(shù)據(jù)庫的建立和數(shù)據(jù)更新是本課題設(shè)計(jì)的重要部分SOOQ.cn版權(quán)所有,，汽車正常駕駛時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定為連續(xù)駕駛的前兩個(gè)小時(shí)為正常駕駛,，在這段時(shí)間內(nèi)監(jiān)控儀的工作是對駕駛員的駕駛習(xí)慣進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集,，按設(shè)定量化等級作數(shù)據(jù)的線性化量化，對應(yīng)于油門開度,、制動(dòng)踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸三種類型的變量的不同量綱,，按比例因子對數(shù)據(jù)處理，依據(jù)模糊子集的隸屬度函數(shù)模糊化數(shù)據(jù)。

　　為了消除大的誤差,，在量化級之間采用插值運(yùn)算,，引入權(quán)系數(shù)因子w(.)，對于任意一個(gè)連續(xù)的測量值通過相鄰的兩個(gè)離散的加權(quán)運(yùn)算得到模糊度的值,。在模糊化數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,，生成正常駕駛習(xí)慣數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)不斷采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,。隨著連續(xù)駕駛時(shí)間的增加（大于兩個(gè)小時(shí)或采集數(shù)據(jù)的變化超出駕駛狀態(tài)監(jiān)控指標(biāo)）,，監(jiān)控儀自動(dòng)進(jìn)入疲勞駕駛監(jiān)控狀態(tài)。

　　2.軟件框圖

　　(1).PC機(jī)程序設(shè)計(jì)：

　　PC機(jī)程序用C語言編寫,，完成數(shù)據(jù)庫的建立和維護(hù),、對LIN-BUS網(wǎng)絡(luò)的管理、模糊控制器算法和規(guī)則的運(yùn)算,、交互界面的輸入輸出控制,。軟件框圖如圖（6）所示。

圖（6）PC機(jī)軟件框圖

 

　　(2).測量模塊程序設(shè)計(jì)：

 

　　測量模塊是以MM908E625單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集器,，程序用CodeWarrior3.1CW-HC083.0設(shè)計(jì),，測量模塊軟件框圖如圖（7）所示。

圖（7）測量模塊軟件框圖

 

　　結(jié)論

 

　　智能控制技術(shù)應(yīng)用于汽車疲勞駕駛監(jiān)控課題是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜和具有相當(dāng)難度的研究方向,，通過對LIN-BUS網(wǎng)絡(luò)的研究,，以MM908E625、Low-G加速度傳感器和其他傳感器與嵌入式PC機(jī)建立起這樣一個(gè)硬件平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)對汽車駕駛狀態(tài)在正常駕駛,、短距離駕駛、短時(shí)間駕駛的數(shù)據(jù)庫的建立,，規(guī)則庫數(shù)據(jù)的修正,，疲勞駕駛狀態(tài)監(jiān)控。對油門開度,、制動(dòng)踏板位置和方向盤轉(zhuǎn)向軸等三種主要影響駕駛狀態(tài)的因數(shù),，設(shè)計(jì)出模糊控制器，從理論和硬件實(shí)現(xiàn)兩方面做了有益的探討,，雖然離實(shí)際應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化有一定的距離,，但是為進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。