[發(fā)明專利]一種基于駕駛員疲勞程度的前方碰撞預(yù)警控制方法

有效

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• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112590801B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王玉海;邢延輝;李興坤;扈建龍;聶光印;李曉之
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: B60W40/08
• 分類號: B60W40/08;B60W50/00;B60W50/14
• 代理公司: 長春市四環(huán)專利事務(wù)所(普通合伙) 22103
• 代理人: 劉馳宇

1.一種基于駕駛員疲勞程度的前方碰撞預(yù)警控制方法，在駕駛員狀態(tài)良好時，減少不必要的預(yù)警，提高駕駛體驗；在駕駛員疲勞程度高時，增加預(yù)警力度，使駕駛員增大跟車距離，減少碰撞事故發(fā)生的概率，其特征在于，本方法的具體步驟如下：

步驟一、建立駕駛員疲勞程度評估模型

通過車內(nèi)的攝像機設(shè)備獲取駕駛員面部圖像，運用現(xiàn)有技術(shù)機器視覺中的人臉檢測、面部特征點定位、圖像識別、目標(biāo)跟蹤技術(shù)，對駕駛員的各類疲勞特征行為發(fā)生次數(shù)分別進(jìn)行識別和統(tǒng)計；其中，駕駛員疲勞特征選取眼部、口部、頭部整體的特征變化，具體的疲勞特征行為分別為：頻繁眨眼、打哈欠和低頭三種；通過三種疲勞特征行為的發(fā)生次數(shù)和駕駛總時間，建立駕駛員疲勞程度評估模型，公式如下所示：

式中t₁為發(fā)動機點火后，汽車行駛過程中，駕駛員眨眼的累計次數(shù)；t₂為發(fā)動機點火后，汽車行駛過程中，駕駛員打哈欠的累計次數(shù)；t₃為發(fā)動機點火后，汽車行駛過程中，駕駛員低頭的累計次數(shù)；t_s為發(fā)動機點火后，汽車行駛過程中，駕駛員的累計駕駛時長，單位為小時；w₁為t₁的權(quán)重系數(shù)，設(shè)為0.000416；w₂為t₂的權(quán)重系數(shù)，設(shè)為0.35；w₃為t₃的權(quán)重系數(shù)，設(shè)為1.27；w₄為t_s的權(quán)重系數(shù)，設(shè)為0.5；C為定值常數(shù)，取值4；I表示駕駛員的疲勞程度；

由上述公式可知，當(dāng)駕駛員的總駕駛時長小于4小時時，駕駛員疲勞程度與駕駛員在駕駛過程中發(fā)生的疲勞特征行為次數(shù)和總駕駛時長有關(guān)，具體關(guān)系如公式(1)所示；當(dāng)駕駛員的總駕駛時常大于4小時時，駕駛員疲勞程度為定值C，如公式(2)所示；

駕駛員的疲勞程度I值越大，表示駕駛員的疲勞程度越高，駕駛員的疲勞程度I值越小，表示駕駛員的疲勞程度越低；駕駛員的疲勞程度由低到高分別設(shè)定為：不疲勞、輕度疲勞、中度疲勞和重度疲勞；當(dāng)駕駛員疲勞程度I值的區(qū)間為[0,1)時，定義當(dāng)前駕駛員為不疲勞；當(dāng)駕駛員疲勞程度I值的區(qū)間為[1,2.5)時，定義當(dāng)前駕駛員為輕度疲勞；當(dāng)駕駛員疲勞程度I值的區(qū)間為[2.5,4)時，定義當(dāng)前駕駛員為中度疲勞；當(dāng)駕駛員疲勞程度I值的區(qū)間為[4,+∞)時，定義當(dāng)前駕駛員為重度疲勞；

利用駕駛員疲勞程度評估模型對駕駛員進(jìn)行疲勞程度評估，車輛啟動，發(fā)動機點火后，通過車輛輪速傳感器判斷汽車行駛狀態(tài)，當(dāng)車速大于零時，統(tǒng)計駕駛員駕駛時長和疲勞特征行為發(fā)生次數(shù)，并將統(tǒng)計結(jié)果輸入到駕駛員疲勞程度評估模型，判定駕駛員疲勞程度；當(dāng)車輪輪速傳感器檢測到汽車車速等于零時，計算停車時間，若停車時間大于20分鐘，表示駕駛員進(jìn)行了休息，對駕駛員駕駛時長和疲勞特征行為發(fā)生次數(shù)進(jìn)行清零；

步驟二、基于駕駛員疲勞程度的前方碰撞預(yù)警控制

通過步驟一所獲取到的當(dāng)前時刻駕駛員疲勞程度，對前方碰撞預(yù)警的控制方法進(jìn)行疲勞自適應(yīng)設(shè)計；前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)通過車載毫米波雷達(dá)，獲取相關(guān)信息；對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除不需要的野值，野值包括：空目標(biāo)信息和無效目標(biāo)信息；具體過程如下：

處理空目標(biāo)信息，對車輛的CAN總線進(jìn)行監(jiān)測；空目標(biāo)的數(shù)據(jù)具有顯著特征，在CAN總線中，其對應(yīng)CAN地址數(shù)據(jù)存儲均為0XFF；將數(shù)據(jù)存儲為0XFF的數(shù)據(jù)幀剔除掉，即可以完成對空目標(biāo)的剔除操作；處理無效目標(biāo)信息，無效目標(biāo)信息與有效目標(biāo)信息主要區(qū)別在于無效目標(biāo)出現(xiàn)時間極短，參數(shù)跳躍性較大，不符合有效車輛行駛特征，通過如下方法進(jìn)行剔除：

若目標(biāo)信號在同一CAN地址上連續(xù)出現(xiàn)次數(shù)小于15次，判定該目標(biāo)為無效目標(biāo)，對該目標(biāo)進(jìn)行去除；

當(dāng)相鄰兩個采樣點時間內(nèi)的縱向相對距離和縱向相對速度相差過大時，判定該目標(biāo)無效，對該目標(biāo)進(jìn)行去除，具體關(guān)系式如下所示，其中毫米波雷達(dá)的采樣周期一般為50ms；

|d_k(n+1)-d_k(n)|≥2(m)

|v_k(n+1)-v_k(n)|≥2(m/s)

式中:n表示采樣點序號，k表示目標(biāo)序號，d_k(n+1)表示第k個目標(biāo)在第n+1個采樣點處與主車之間的相對距離，d_k(n)表示第k個目標(biāo)在第n個采樣點處與主車之間的相對距離，v_k(n+1)表示第k個目標(biāo)在第n+1個采樣點處與主車之間的相對速度，v_k(n)表示第k個目標(biāo)在第n個采樣點處與主車之間的相對速度；

本方法涉及的前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)僅考慮與主車在同一車道內(nèi)的目標(biāo)車輛，因此，在對毫米波雷達(dá)返回的信息進(jìn)行預(yù)處理后，還需對同一車道線內(nèi)的目標(biāo)車輛進(jìn)行篩選；

計算出目標(biāo)車輛與本車的側(cè)向位置偏差，具體關(guān)系式如下：

D_y＝D·sinθ

式中：D表示車載毫米波雷達(dá)獲取到的兩車相對距離，θ表示雷達(dá)獲取到的兩車之間的夾角，D_y表示主車與目標(biāo)車輛的側(cè)向位置偏差；

如果目標(biāo)車輛與主車的側(cè)向位置偏差D_y大于側(cè)向距離閾值L，那么就可以認(rèn)為前方車輛與主車不在同一車道線內(nèi)，根據(jù)我國道路設(shè)計的相關(guān)規(guī)定，一般城市道路寬度為3.75m，因此，綜合考慮車輛寬度因素，側(cè)向閾值L選取2.1m；

在現(xiàn)有的TTC碰撞時間模型的基礎(chǔ)上，引入了基于駕駛員預(yù)估的最小安全車距，提出了安全避撞時間STTC模型，關(guān)系式如下：

式中：STTC為安全避撞時間，單位為s；D表示車載毫米波雷達(dá)獲取到的兩車相對距離，單位為m；v_rel是主車與前車的縱向相對速度，單位為m/s；D_min是基于駕駛員預(yù)估的最小安全車距，單位為m；

基于駕駛員預(yù)估的制動過程可以分為四個階段：

駕駛員反應(yīng)時間t₁：駕駛員發(fā)現(xiàn)前方需制動，做出制動決策，并將腳從油門移動到制動踏板上所經(jīng)歷的時間，該時間與駕駛員疲勞程度有關(guān)，本方法中設(shè)定，駕駛員疲勞程度I在[0,2.5)時，t₁取0.4s，駕駛員疲勞程度I在[2.5,+∞)時，t₁取0.5s；

制動器起作用時間t₂：由于制動器結(jié)構(gòu)，當(dāng)駕駛員對制動踏板產(chǎn)生操作力時，制動器需克服制動間隙，這段時間車輛是沒有制動效果的，若為液壓制動系，t₂取0.1s，若為氣壓制動系或真空助力制動系，t₂取0.4s；

減速度增長時間t₃：在制動器起作用后，車輛的減速度從零增長到最大制動減速度所需要的時間，t₃在0.1s～0.5s之間；

勻減速運動時間t₄：制動器受力穩(wěn)定后，車輛減速度達(dá)到最大制動減速度后不再變化，車輛以恒定減速度做勻減速運動，直到制動結(jié)束所需要的時間，該時間與駕駛員實際踩踏制動踏板時間近似相等；

基于駕駛員預(yù)估的最小安全車距D_min由主車制動所需最小車距算得，可用如下公式表示：

D_min＝S_h-S_f

式中：S_h表示主車的制動距離，單位為m，S_f表示前車的行車距離；

最小安全車距與前車運動狀態(tài)有關(guān)，共分為三種工況，分別為前車靜止，前車勻速或加速運動，前車減速或減速停車；

前車靜止時，最危險時刻為主車減速到靜止的時刻；

主車的制動距離如下：

忽略t₃的平方項，即將t₃的平方項近似為0：

式中：v_h表示主車的車速，單位為m/s，a_b表示最大制動減速度，取-8m/s²；

前車靜止時，最小安全車距滿足如下關(guān)系式：

前車勻速運動或加速運動時，最危險的情況和時刻為前車勻速，在兩車速度達(dá)到相同的時刻；

主車的制動距離如下，忽略t₃的平方項，即將t₃的平方項近似為0：

式中：v_f表示前車的車速；

前車的行車距離如下：

前車勻速運動或加速運動時，最小安全車距滿足如下關(guān)系式：

前車減速或減速停車時，最危險的情況和時刻為前車以最大制動力減速，在主車速度減為0的時刻；

主車的制動距離如下，忽略t₃的平方項，即將t₃的平方項近似為0：

式中：v_f表示前車的車速；

僅考慮減速度增長時間t₃，前車的行車距離如下，忽略t₃的平方項，即將t₃的平方項近似為0：

前車勻速運動或加速運動時，最小安全車距滿足如下關(guān)系式：

綜上，安全避撞時間STTC模型如下：

基于駕駛員疲勞程度的前方碰撞預(yù)警控制方法，根據(jù)駕駛員的疲勞程度，分別制定四種疲勞自適應(yīng)的前方碰撞預(yù)警控制方法；

根據(jù)道路狀況的緊急程度，設(shè)定了三種預(yù)警形式；緊急程度由低到高分別為一級預(yù)警、二級預(yù)警、三級預(yù)警；三級預(yù)警表示情況非常緊急，系統(tǒng)發(fā)出急促響聲；二級預(yù)警表示情況較緊急，系統(tǒng)發(fā)出適中響聲；一級預(yù)警表示情況較不緊急，系統(tǒng)發(fā)出輕緩響聲；

駕駛員不疲勞時，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)選用I級疲勞預(yù)警方案，系統(tǒng)發(fā)聲強度設(shè)定為60％；當(dāng)計算的STTC值大于1.5時，無碰撞預(yù)警響應(yīng)；當(dāng)計算的STTC值小于等于1.5時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出三級預(yù)警；

駕駛員輕度疲勞時，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)選用II級疲勞預(yù)警方案，系統(tǒng)發(fā)聲強度設(shè)定為60％；當(dāng)計算的STTC值大于2時，無碰撞預(yù)警響應(yīng)；當(dāng)計算的STTC值小于等于2時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出三級預(yù)警；

駕駛員中度疲勞時，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)選用III級疲勞預(yù)警方案，系統(tǒng)發(fā)聲強度設(shè)定為75％；當(dāng)計算的STTC值大于6時，無碰撞預(yù)警響應(yīng)；當(dāng)計算的STTC值大于2小于等于6時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出二級預(yù)警；當(dāng)計算的STTC值小于等于2時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出三級預(yù)警；

駕駛員重度疲勞時，前方碰撞預(yù)警系統(tǒng)選用IV級疲勞預(yù)警方案，系統(tǒng)發(fā)聲強度設(shè)定為100％；當(dāng)計算的STTC值大于12時，無碰撞預(yù)警響應(yīng)，但會每隔15分鐘，發(fā)聲提醒駕駛員休息；當(dāng)計算的STTC值大于7小于等于12時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出一級預(yù)警；當(dāng)計算的STTC值大于2.5小于等于7時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出二級預(yù)警；當(dāng)計算的STTC值小于等于2.5時，系統(tǒng)向駕駛員發(fā)出三級預(yù)警。