[發明專利]一種客車駕駛員工作狀態檢測與疲勞警示系統及方法

有效

• 申請號: 201711498470.5
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN107985199B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 曹曉琳;潘健;王雙維;王登峰;趙永生
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B60Q9/00
• 分類號: B60Q9/00;G08B21/06
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉馳宇

1.一種客車駕駛員工作狀態檢測與疲勞警示方法，其特征在于，所述方法基于一種客車駕駛員工作狀態檢測與疲勞警示系統實現，該系統包括工作狀態檢測模塊(1)、警示音存儲播放模塊(2)、微控制器(3)、揚聲器陣列裝置(4)、GPS模塊(10)和駐車制動檢測傳感器(11)，工作狀態檢測模塊(1)、警示音存儲播放模塊(2)、GPS模塊(10)和駐車制動檢測傳感器(11)通過線束與微控制器(3)的數據端口相連接，警示音存儲播放模塊(2)的音頻接口通過線束與揚聲器陣列裝置(4)中的揚聲器陣列(14)相連接；所述的工作狀態檢測模塊(1)包括第一壓力傳感器(5)、第二壓力傳感器(6)、第三壓力傳感器(7)、第四壓力傳感器(8)和紅外位移傳感器(9)，上述四個壓力傳感器各自的數據端口以及紅外位移傳感器(9)的數據端口分別通過線束與微控制器(3)的數據端口相連接，其中，第一壓力傳感器(5)布置在客車的轉向盤外緣上的駕駛員持握處，第二壓力傳感器(6)布置在客車的加速踏板板面中心位置處，第三壓力傳感器(7)布置在客車的制動踏板板面中心位置處，第四壓力傳感器(8)布置在客車的離合器踏板板面中心位置處，紅外位移傳感器(9)布置在客車的駕駛員座椅靠背表面上的豎直方向對稱線上且距駕駛員座椅靠背上表面50mm位置處，所述的駐車制動檢測傳感器(11)也選用紅外位移傳感器，布置在客車未處于駐車制動狀態即處于行車狀態時駕駛室駐車制動操縱桿頭部正下方；

所述的揚聲器陣列裝置(4)包括固定底板(12)、軌道組(13)、揚聲器陣列(14)與兩個薄蓋板(15)，所述的固定底板(12)為abs塑料材質的矩形平板；所述的固定底板(12)布置在客車駕駛員座椅頭枕內部，其整體長度及寬度尺寸小于座椅頭枕尺寸以保證完全位于頭枕之內；所述的固定底板(12)下端左右對稱地設置有兩個結構相同的底板螺栓孔，兩個結構相同的底板螺栓孔與座椅頭枕內部兩根立柱上端左右對稱地設置的兩個結構相同的立柱螺栓孔對正，固定底板(12)采用螺栓與頭枕內部兩根立柱上端固定連接；

所述的軌道組(13)由對稱布置在固定底板(12)左右兩側的兩個圓弧形軌道即1號圓弧形軌道(16)、2號圓弧形軌道(17)組成；所述的1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)結構相同且對稱相等，皆為與固定底板(12)相同材質的弧形部件，且1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)均為槽口朝向弧形圓心的槽型件，1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)的兩端面采用端面蓋板粘接封閉，1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)的槽口處粘接有薄蓋板(15)；所述的薄蓋板(15)與固定底板(12)材質相同且均勻地設置有結構相同的方形孔，以起到減小對揚聲器聲場影響及裝飾作用；

所述的軌道組(13)與固定底板(12)的兩側端面通過粘接連接為一個整體且從頭枕兩側伸出于頭枕之外；其中，1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)分別與固定底板(12)的左、右兩側端面的中部粘接，水平布置在固定底板(12)的兩側；所述的1號圓弧形軌道(16)的圓心在空間上位于駕駛員乘坐于座椅上時的右耳位置處，所述的2號圓弧形軌道(17)的圓心在空間上位于駕駛員乘坐于座椅上時的左耳位置處，通過這樣的位置布置方式使播放的警示音聚焦于駕駛員雙耳，構成相對獨立的聲場環境，提高警示音對駕駛員的警示效果，同時減少對乘客的影響；

所述的揚聲器陣列(14)包括夾持在1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)的槽內的各三個揚聲器，同一圓弧形軌道內的三個揚聲器分別夾持在該圓弧形軌道所對應的圓弧段兩端點及中點位置，所述的揚聲器陣列(14)播放警示音存儲播放模塊(2)內的相應內容，所述的揚聲器陣列(14)所用揚聲器選用索尼公司生產的型號為SRS-X11的揚聲器；

所述的1號圓弧形軌道(16)與2號圓弧形軌道(17)所對應的圓弧段的確定均在駕駛員座椅靠背為鉛垂位置時進行，所述的1號圓弧形軌道(16)和2號圓弧形軌道(17)所對應的圓弧段的具體確定過程為：

已知成年駕駛員正常坐在座椅上時，兩耳之間的距離為2c，兩耳連線中點與同一高度座椅頭枕內固定底板(12)水平截面中心的距離為d，根據汽車座椅頭枕尺寸已選定固定底板(12)與1號圓弧形軌道(16)、2號圓弧形軌道(17)相接點距離為2n；

以駕駛員右耳O₁作為圓的中心，以O₁為坐標原點，兩耳連線所在直線為x軸，在水平面內建立平面直角坐標系，在所建坐標系內，可設圓O₁方程為：x²+y²＝R²，由上述的已知條件可知點D₁(c-n，d)在圓O₁上，將點D₁的坐標代入圓O₁的方程中，可解出即得到圓O₁方程，在所得到的圓O₁中，截取圓弧段A₁D₁即為1號圓弧形軌道(16)所對應的圓弧段；2號圓弧形軌道(17)與1號圓弧形軌道(16)結構相同且對稱相等；

所述的方法具體步驟如下：

步驟1：在行車過程中，由駐車制動檢測傳感器(11)實時檢測客車駐車制動操縱桿頭部位置，并將檢測信息輸入微控制器(3)，由微控制器(3)判斷車輛是否處于駐車制動狀態，當客車未處于駐車制動狀態即處于行車狀態時，駐車制動檢測傳感器(11)位于駐車制動操縱桿頭部正下方，駐車制動檢測傳感器(11)檢測到的距離數據為其與駐車制動操縱桿頭部之間的距離，當客車需要處于駐車制動狀態時，駕駛員操縱駐車制動操縱桿頭部使其移動至駐車制動位置，此時駐車制動操縱桿頭部不再位于駐車制動檢測傳感器(11)正上方，駐車制動檢測傳感器(11)檢測到的距離數據為其與客車車內位于駐車制動檢測傳感器(11)正上方且距離駐車制動檢測傳感器(11)最近的物體之間的距離，微控制器(3)根據駐車制動檢測傳感器(11)檢測到的距離數據判斷客車是否處于駐車制動狀態，若處于駐車制動狀態，則不進行下面步驟，若未處于駐車制動狀態，則正常進行下面步驟；

步驟2：若車輛未處于駐車制動狀態，在客車駕駛員駕駛過程中，由工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器實時檢測駕駛員駕駛過程中的各個測定參數的值，各個測定參數的值定義為測定參數值，由GPS模塊(10)實時檢測客車在此次營運過程中從營運起點出發后的累計行駛路程，并將檢測到的各個測定參數的測定參數值及車輛累計行駛路程輸入微控制器(3)；

所述的各個測定參數包括：由第一壓力傳感器(5)檢測的駕駛員施加于轉向盤的握力F₁，由第二壓力傳感器(6)檢測的駕駛員踩踏加速踏板的踏板力F₂及每次踩踏持續時間T₁，由第三壓力傳感器(7)檢測的駕駛員踩踏制動踏板的踏板力F₃及每次踩踏持續時間T₂，由第四壓力傳感器(8)檢測的駕駛員踩踏離合器踏板的踏板力F₄及每次踩踏持續時間T₃，由紅外位移傳感器(9)檢測的駕駛員脊背與紅外位移傳感器(9)之間的相對距離s，所述的各個測定參數的值定義為測定參數值；

步驟3：微控制器(3)實時接收由第一壓力傳感器(5)、第二壓力傳感器(6)、第三壓力傳感器(7)、第四壓力傳感器(8)及紅外位移傳感器(9)輸入的各個測定參數的測定參數值以及GPS模塊(10)輸入的客車在此次營運過程中從營運起點出發后的累計行駛路程，并計算當前狀態下的駕駛員疲勞程度打分值f；

步驟4：根據步驟3計算得到的駕駛員疲勞程度打分值f，微控制器(3)判斷駕駛員所處的疲勞等級并控制警示音存儲播放模塊(2)通過揚聲器陣列(14)播放針對不同疲勞程度的警示音，以在減小對駕駛員正常駕駛影響的前提下提高警示效果；

所述的疲勞等級劃分如下：當0.6≤f0.75時，判定駕駛員為輕度疲勞；當0.75≤f0.85時，判定駕駛員為中度疲勞；當0.85≤f1時，判定駕駛員為重度疲勞；當0f0.6時，判定駕駛員處于正常駕駛狀態；

所述的針對不同疲勞程度的警示音在客車駕駛員開始駕車前，依據自身情況通過警示音存儲播放模塊(2)進行設置，由于將疲勞等級劃分為三級，故警示音也為三級，且駕駛員進行設置時應保證隨著疲勞程度的提高，所設置的該級別警示音對駕駛員的警示效果增強；

步驟5：播放警示音過程中，工作狀態檢測模塊(1)繼續實時檢測駕駛員的駕駛狀態信息，若微控制器(3)判斷駕駛員處于正常駕駛狀態達到5s時，微控制器(3)控制警示音存儲播放模塊(2)停止播放警示音，并將所有駕駛員疲勞程度打分值清零，由工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器繼續實時檢測駕駛員的駕駛狀態信息；若微控制器(3)判斷駕駛員未處于正常駕駛狀態時，則每間隔1s時間自動提高警示音存儲播放模塊(2)所播放警示音的音量一次，每次所播放的警示音音量提高值均為5dB，以加強對駕駛員的警示效果；

所述的步驟3中駕駛員疲勞程度打分值f的具體計算步驟如下：

(1)測定參數值歸一化處理

微控制器(3)將接收到的步驟2中所述的工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測到的各個測定參數值按照式(1)進行歸一化處理，歸一化處理的方法為將各個測定參數值與該測定參數在相應客車營運時段和行駛路段內的設定標準值作差后除以二者中的較大值，將所得結果取絕對值得到歸一化處理結果，即：

式(1)中，x為工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測到的測定參數值；x_sd為工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測的測定參數在相應客車營運時段和行駛路段內的設定標準值；max(x，x_sd)為x和x_sd中的較大值；x_歸一為工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測到的測定參數值的歸一化處理結果；

所述工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測的各個測定參數在相應客車營運時段和行駛路段內的設定標準值x_sd通過測試得到，具體步驟如下：

1)原始數據采集

由駕駛員駕駛客車在設定的高峰時段及正常時段分別完成從測試路段起點至終點的行駛，在駕駛過程中，由工作狀態檢測模塊(1)中的每個傳感器實時檢測該傳感器檢測的測定參數的測定參數值x并輸入微控制器(3)，由GPS模塊(10)實時檢測客車從測試起點出發后的累計行駛路程p并輸入微控制器(3)，完成測試路段行駛后，對于每個測定參數，均可得到在該次測試中客車從測試起點出發后的不同累計行駛路程p時的多個測定參數值x，即每個測定參數的測定參數值x在該次測試中隨客車從測試起點出發后的累計行駛路程p的變化關系x(p)；所述的高峰時段選為早7:30～9:30，正常時段選為下午13:30～15:30，駕駛員可在高峰時段內的任意時間完成高峰時段的測試數據采集，在正常時段內的任意時間完成正常時段的測試數據采集；所述的測試路段選為該客車營運路線起點至終點；為減小測試過程中隨機誤差的影響，每個時段的測試連續在十天重復進行共十次，最終可采集到十組高峰時段內每個測定參數的測定參數值x隨客車從測試起點出發后的累計行駛路程p的變化關系以及十組正常時段內每個測定參數的測定參數值x隨客車從測試起點出發后的累計行駛路程p的變化關系；

2)測試路程分段及計算測定參數值的獲取

在十天內完成步驟1)所述的高峰時段及正常時段的各十次測試后，將客車營運路線起點至終點的路程進行分段，分段數m取為：

式(2)中，L為客車營運路線起點至終點總路程，單位取為米；為不超過的最大整數；

將客車營運路線起點至終點的路程分段后的每一路段依次記為：

路段1、路段2、路段3、…、路段(m-1)以及路段m，每一路段內的起點至終點的路程為

以高峰時段路段1為例說明在高峰時段及正常時段內工作狀態檢測模塊(1)中的單個傳感器檢測的測定參數的計算測定參數值在所劃分的m個路段內的獲取方法，其他所有路段在高峰時段及正常時段內工作狀態檢測模塊(1)中的單個傳感器檢測的測定參數的計算測定參數值在所劃分的m個路段內的獲取方法相同：

在連續十天高峰時段內所進行的十次測試的第一次測試中，路段1高峰時段內工作狀態檢測模塊(1)中的單個傳感器檢測的測定參數的計算測定參數值求解公式如下：

式(3)中，x_js1為第一次測試中路段1高峰時段內工作狀態檢測模塊(1)中的該傳感器檢測的測定參數的計算測定參數值；x₁(p)為第一次測試中路段1高峰時段內工作狀態檢測模塊(1)中的該傳感器檢測的測定參數值x隨行駛距離p變化的函數關系；為對表達式x₁(p)在區間內求定積分；為路段1的起點至終點的路程；

由于分別在十天對高峰時段進行了十次測試數據采集工作，故工作狀態檢測模塊(1)中的該傳感器檢測的測定參數在路段1內可獲得高峰時段內的十個計算測定參數值，記為：x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10；

依據該方法，最終可獲得工作狀態檢測模塊(1)中的單個傳感器檢測的測定參數在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m高峰時段內的各十個計算測定參數值以及正常時段內的各十個計算測定參數值；

按照上述方式，可獲得工作狀態檢測模塊(1)中的每個傳感器檢測的測定參數在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m高峰時段內的各十個計算測定參數值以及正常時段內的各十個計算測定參數值；

3)剔除異常數據

以路段1高峰時段內工作狀態檢測模塊(1)中的單個傳感器檢測的測定參數的十個計算測定參數值數據x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10為例說明應用拉依達準則辨別及剔除異常數據，以及單個測定參數在路段1高峰時段內的設定標準值的求解過程：

對單個傳感器檢測的測定參數的十個計算測定參數值數據x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10應用拉伊達準則的步驟如下:

a.計算x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10的算術平均值：

b.計算x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10的標準差估計：

c.如果存在計算測定參數值x_jsi使得：

則認為該x_jsi為異常數據，應該剔除，剔除異常數據后對剩余未被剔除的計算測定參數值數據重新應用拉伊達準則，直至沒有異常數據為止；

應用拉伊達準則剔除異常數據后，取最終剩余未被剔除的計算測定參數值的算術平均值作為該測定參數在路段1高峰時段內的設定標準值，即：

式(6)中，x_sd為該測定參數在路段1高峰時段內的設定標準值；x_jsm為最終剩余未被剔除的計算測定參數值數據；n為最終剩余未被剔除的計算測定參數值數據個數；

根據以上過程可得到第一壓力傳感器(5)檢測的駕駛員施加于轉向盤的握力F₁在路段1高峰時段內的設定標準值為F_1sd，第二壓力傳感器(6)檢測的駕駛員踩踏加速踏板的踏板力F₂及每次踩踏持續時間T₁在路段1高峰時段內的設定標準值分別為F_2sd及T_1sd，第三壓力傳感器(7)檢測的駕駛員踩踏制動踏板的踏板力F₃及每次踩踏持續時間T₂在路段1高峰時段內的設定標準值分別為F_3sd及T_2sd，第四壓力傳感器(8)檢測的駕駛員踩踏離合器踏板的踏板力F₄及每次踩踏持續時間T₃在路段1高峰時段內的設定標準值分別為F_4sd及T_3sd，紅外位移傳感器(9)檢測的駕駛員脊背與紅外位移傳感器(9)之間的相對距離s在路段1高峰時段內的設定標準值為s_sd；

依據上述方法，最終高峰時段內每個測定參數在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m中的每個路段內均可獲得一個該測定參數的設定標準值，正常時段內每個測定參數在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m中的每個路段內均可獲得一個該測定參數的設定標準值；

(2)根據各個測定參數值的歸一化處理結果以及各個測定參數所占權重計算駕駛員疲勞程度打分值f；

所述的工作狀態檢測模塊(1)中的各個傳感器檢測的測定參數所占權重的設定如下：

第一壓力傳感器(5)檢測的測定參數F₁的權重為0.2；第二壓力傳感器(6)檢測的測定參數F₂及T₁的權重均為0.1；第三壓力傳感器(7)檢測的測定參數F₃及T₂的權重均為0.1；第四壓力傳感器(8)檢測的測定參數F₄及T₃的權重均為0.1；紅外位移傳感器(9)檢測的測定參數s的權重為0.2；

所述的駕駛員疲勞程度打分值f為所有測定參數值按照式(1)進行歸一化處理后的數值與其對應權重乘積之和，即：