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第八届“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛作品

“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛

疲劳预警与自动控制刹车系统

---基于gogo850与ABS的完美组合

2008级工商管理本科：马付超

指导老师：袁秋菊、黄沃

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疲劳预警与自动控制刹车系统

---基于gogo850与ABS的完美组合

摘要:疲劳驾驶已成为交通安全的重要隐患，严重威胁着人们的生命和财产安全，它

是造成交通死亡事故的主要原因之一。许多国家的交通事故统计数据表明，造成人身伤害甚至死亡的事故中有20％以上是由疲劳驾驶导致。开发能够实时检测疲劳驾驶行为并对驾驶员进行及时预警的系统，同时使汽车在预警无效的情况下实现紧急制动或缓慢制动，对改善交通安全状况意义重大。本文在对已有的研究情况作出综述的基础上，作出了一些思考，具有一定的见解和现实意义。

关键词：疲劳驾驶，gogo850，ABS，报警，制动

Fatigue warning and automatic control

braking systems

--- Based on gogo850 with the perfect combination of ABS

Abstract：Driver fatigue has become an important traffic safety problems, a serious threat to people's lives and property, which is the main cause of traffic fatalities. Many countries, statistics show that traffic accidents, causing personal injury or death more than 20% of accidents driving caused by fatigue. Development of real-time detection of driver fatigue and driving timely warning system, while the automobile is not valid in the case of early-warning emergency brake or slow to achieve the brake on the improvement of traffic safety is of great significance。This article in the Review of the existing research on the basis of circumstances, made some think, has some insightful and practical significance.

Keywords: Fatig ue driving，gogo850，ABS，Alarm，Brake

疲劳驾驶是当今交通安全的重要隐患之一。驾驶人在疲劳时，其对周围环境的感知能力、形势判断能力和对车辆的操控能力都有不同程度的下降，因此很容易发生交通事故。统计数据表明，全世界每年因交通事故而导致的死亡人数达6O万，直接经济损失约125亿美元，这些事故中57％的灾难性事故与驾驶员疲劳驾驶有关。疲劳虽然是一个很正常的生理现象，但每年导致的交通事故却给世界各国造成了巨大的经济损失和人员伤亡，增加了社会不安定因素。而据多家国外保险公司调查，有超过三分之一的交通事故是由于驾驶员疲劳引起的，而且疲劳驾驶引发的往往都是重大交通事故。同时，不仅疲劳驾驶会出现瞌睡，在高速公路上开车风噪和胎噪就象一首催眠曲，许多没有疲劳的驾驶员在高速公路上开车也会出现瞌睡的现象，酿成无法弥补的大祸。

一、疲劳预警与自动控制的必要性

疲劳驾驶是指驾驶员在一段时间的驾车之后所产生的反应水平下降,导致不能正常驾车行驶。驾驶员产生疲劳后,其心理状态也会发生各种各样的变化，如视力下降致使注意力分散、视野逐渐变窄；思维能力下降致使反应迟钝、判断迟缓、动作僵硬、节律失调；自我控

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制能力减退致使易于激动、心情急躁或开快车等。根据美国国家公路交通安全署的统计,在美国的公路上,每年由于司机在驾驶过程中跌入睡眠状态而导致大约10万起交通事故,约有1500起直接导致人员死亡,711万起导致人员伤害。在欧洲的情况也大致相同,如在德国境内的高速公路上导致人员伤亡的交通事故, 有25%都是由疲劳驾驶引起的。根据2001年中国交通部的统计,我国48 %的车祸是由驾驶员疲劳驾驶引起,直接经济损失达数十万美元。在2007 年至2008 年我国直接由疲劳驾驶导致的死亡人数分别占机动车驾驶人交通肇事总死亡人数的11.35% 、10.91% 和12.5%，大约每年有9000 人死于疲劳驾驶。由此可以看出，研究开发高性能的驾驶人疲劳状态实时监测及预警技术，着力于使驾驶员行车时保持注意力高度集中，或者在驾驶员精力不能集中的时候实现车速自动控制，可以有效控制交通事故的发生率，减少经济损失及人员伤亡，对改善我国交通安全状况意义重大。

二、国内外疲劳预警系统研究现状

疲劳驾驶预警系统（Driver technologies Monitor System）就是指一旦驾驶者精神状态下滑或进入浅层睡眠,该系统会依据驾驶员精神状态指数分别给出语音提示、振动提醒、电脉冲警示等警告驾驶员已经进入疲劳状态、需要休息,并同时自动记录相关数据,以便日后查阅、鉴定。其作用就是监视并提醒司机自身的疲劳状态,减少司机疲劳驾驶的潜在危害。

（一）国外疲劳预警系统研究状况

许多国家都比较重视疲劳驾驶预警系统的研究工作,早期的疲劳驾驶测评主要是从医学角度出发,借助医疗器件进行的。这些研究可以追溯到1935 年美国交通部管辖的洲际商业协会要求美国公共卫生服务署对城市商业机动车驾驶员服务时间管理条例的合理性所进行的调查，但是对疲劳驾驶的实质性的研究工作,是从20 世纪80 年代由美国国会批准交通部实施驾驶服务时间(HOS)改革,研究商业机动车驾驶和交通安全的关系,并健全卡车和公共汽车安全管理条例开始的,由此把疲劳驾驶的研究提到立法高度,保证了开展疲劳驾驶研究的合法性、有效性和持续性。其研究工作大致可以分为两大类:一是研究疲劳瞌睡产生的机理和其他各种诱发因素,寻找能够降低这种危险的方法；二是研制车辆智能报警系统,防止驾驶员瞌睡状态下驾驶。20世纪90年代,疲劳程度测量方法的研究有了很大的进展,许多国家已开始了疲劳驾驶车载电子测量装置的开发研究工作,尤以美国的研究发展较快。研究成果中具代表性的有:

1、美国研制的打瞌睡驾驶员侦探系统DDDS( The Drowsy Driver Detection System)。它采用多普勒雷达和复杂的信号处理方法,可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳数据,用以判断驾驶员是否打瞌睡或睡着。该系统可制成体积较小的仪器，安装在驾驶室内驾驶员头顶上方,完全不影响驾驶员正常的驾驶活动。

2、方向盘监视装置S.A.M.(steering at tention monitor)。一种监测方向盘非正常运动的传感器装置，适用于各种车辆。方向盘正常运动时传感器装置不报警，若方向盘4s 不运动,S.A.M.就会发出报警声直到方向盘继续正常运动为止。S.A.M.被固定在车内录音机旁,方向盘下面的杆上装有一条磁性带,用以监测方向盘的运动。使用S.A.M.并不意味延长驾驶时间,而是要提醒驾驶员驾车时不要打瞌睡。另外,S.A.M.与录像机配合使用可以为保险公司提供证据。

3、日本研制的DAS2000 型路面警告系统( The DAS2000 Ro[8]ad Alert System) 。一种设置在高速公路上用计算机控制的红外线监测装置，当行驶车辆摆过道路中线或路肩时,向驾驶员发出警告。

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4 4、反应时测试仪PVT( The psychomotor vigilance test)。根据驾驶员对仪器屏幕上

随机出现的光点的反映(光点出现时敲击键盘) 速度测试驾驶员的反应时,用以判断其疲劳程度。

5、日本研制的电子“清醒带”。使用时固定在驾驶员头部,将“清醒带”一端的插头插入车内点烟器的插座,装在带子里的半导体温差电偶使平展在前额部位的铝片变凉,使驾驶员睡意消除、精神振作。据说戴上这种“清醒带”,可以24 h 无睡意。“清醒带”使用电压12～14 V ,电流500 mA ,十分安全。国内已开始生产和销售这种装置。

自2000 年以来，随着计算机和集成电路制造技术的提高,机动车驾驶员疲劳驾驶的研究有了进一步的发展。美国华盛顿大学的John Stern 博士是世界上研究眼部动态和疲劳驾驶的权威人士之一,他领导的由美国联邦公路管理局和汽车联合会资助的研究所,通过自行开发的专用照相机、脑电图仪和其他仪器来精确测量头部运动、瞳孔直径变化和眨眼频率,用以研究驾驶行为等问题。研究结果表明:一般情况下人们眼睛闭合的时间在0.12～0.13s 之间,驾驶时若眼睛闭合时间达到0.15s就很容易发生交通事故。宾夕法尼亚大学智能交通实验室和NHTSA采用PERCLOS(眼睛闭合时间占特定时间的百分率) 作为精神生理疲劳程度的测量指标。2000年1月明尼苏达大学计算机科学与工程系的Nikolaos P. Papani kolopoulos教授成功开发了一套驾驶员眼睛的追踪和定位系统,通过安置在车内的一个CCD 摄像头监视驾驶员的脸部,实现以下功能: ①用快速简单的算法确定驾驶员眼睛在脸部图像中的确切位置和其他脸部特征；②通过追踪多幅正面脸部特征图像来监控驾驶员是否疲劳。

（二）我国疲劳预警系统研究状况

我国的疲劳驾驶预警系统研究起步较晚,目前比较成型的是由清华大学和东南大学的几位博士组建的中国单片机公共实验室南京研发中心联合南京远驱科技有限公司研究出来的gogo850，是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统，主要检测驾驶员的眼睛开合情况，尤其增加了对瞳孔的识别。它采用国际上最先进的非接触式方式，利用汽车级图像传感器采集人脸红外图像，利用高速数字信号处理器进行数字图像处理与分析，先进的疲劳算法确保驾驶员在疲劳驾驶的时候及时发出报警信号，不论你是戴各类太阳镜还是近视眼镜，系统都可以对司机的疲劳状态做出正确的分析和判断，采用丝网膜瞳孔检测技术，不管是睁眼还是闭眼状态下的瞌睡疲劳驾驶，都能被检测出并及时报警。除了对疲劳驾驶报警之外，对驾驶员不专注驾驶，回头说话、低头看东西、左右侧视、或操作音响、导航仪时间过长都会进行报警提示，避免驾驶员粗心大意出交通事故。同时，系统可以自动识别你是在高速公路上还是市区里，在高速公路上的报警灵敏度会自动提高，而市区灵敏度则保持在正常状态。在人基本不动或低头期间，系统报警灵敏度会自动提高，在看左右后视镜或抬头看路标的时候报警灵敏度则自动下降，有效减少了误警。当检测到人正常驾驶的时候，绿灯会亮，可以用来方便的调整镜头和人脸之间的角度，系统可以非接触式的方法调节报警灵敏度。gogo850分高、中、低三级报警灵敏度，可以方便的进行无接触设置。

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5 如下图所示

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图一：gogo850疲劳驾驶预警系统结构图

从20世纪90年代开始， 基于各种物理传感器的疲劳驾驶检测方法成为预警系统的研究重点。进入21世纪以来， 随着计算机技术和集成电路制造技术的发展，疲劳驾驶预警系统在实时性、可靠性、舒适度和集成度等方面有了较大的改善和提高。今后其发展将呈现以下趋势。

1)从心理学、生理学、生物化学、人机工程学、行为科学等多门学科的角度，深入研究驾驶员疲劳的形成机理，并揭示其形成机理的本质，为系统实时检测驾驶员的

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疲劳状态提供理论依据。

2)利用目前常用的接触式检测方法，找出疲劳驾驶的表征及原因，为实时的、客观的非接触式检测方法确定合理的疲劳驾驶检测标准。

3)随着脑成像技术以及认知神经科学的飞速发展，系统地研究认知疲劳过程和功能状态，并通过大量的实验研究，探讨确定详细的驾驶疲劳评价标准。

4)随着智能传感器、数字图像处理、移动通信、模式识别、计算机科学、自动控制、信息处理、DSP等技术的大力推广和发展，使其能对驾驶员疲劳程度进行定性和定量相结合的检测，以达到提高检测准确性的目的。

5)设计可靠、低廉、有效、便携的疲劳驾驶监测系统，促进疲劳驾驶预警系统的产品化和商品化。首先是对驾驶员的驾驶行为不产生干扰，方便驾驶员的驾驶；其次是必须绝对准确、可靠；最后必须保证价格低廉，使有关公司及车主在费用上能轻松承担。

6) 利用数字移动通信和无线传感技术开发驾驶员疲劳驾驶网络监控系统，扩大疲劳驾驶监控系统的时空覆盖范围，加强交通管理部门的监管，将是今后疲劳驾驶监测系统的一个重要发展方向。

三、已开发出的疲劳状态监测方法与自动控制系统

（一）驾驶人疲劳状态监测方法

关于驾驶人疲劳及注意力分散等安全状态的监测预警技术，由于它在交通事故预防方面的发展前景而受到各国高度的重视，研究人员根据驾驶人疲劳时在生理和操作上的特征进行了多方面的研究，一些研究成果已形成产品并开始进入市场。驾驶人疲劳状态的检测方法可大致分为基于驾驶人生理信号、基于驾驶人生理反应特征、基于驾驶人操作行为和基于车辆状态信息的检测方法。

1、基于驾驶人生理信号的检测方法

针对疲劳的研究最早始于生理学。相关研究表明，驾驶人在疲劳状态下的生理指标会偏离正常状态的指标。因此可以通过驾驶员的生理指标来判断驾驶人是否进入疲劳状态。目前较为成熟的检测方法包括对驾驶人的脑电信号EEG、心电信号ECG等的测量。研究人员很早就已经发现EEG能够直接反映大脑的活动状态。大脑在进入疲劳状态时，EEG中的delta 波和theta 波的活动会大幅度增长，而alpha波活动会有小幅增长。另一项研究通过在模拟器和实车中监测EEG信号，试验结果表明EEG对于监测驾驶人疲劳是一种有效的方法。研究人员同时发现，EEG信号特征有很大的个人差异，如性别和性格等，同时也和人的心理活动相关很大。 ECG主要被用于驾驶负担的生理测量中。研究表明在驾驶人疲劳时ECG会明显有规律的下降,并且HRV （心率变化）和驾驶中的疲劳程度的变化有潜在的关系。基于驾驶人生理信号的检测方法对疲劳判断的准确性较高，但生理信号需要采用接触式测量，且对个人依赖程度较大，在实际用于驾驶人疲劳监测时有很多的局限性，因此主要应用在实验阶段，作为实验的对照参数。

2、基于驾驶人生理反应特征的检测方法

基于驾驶人生理反应特征的检测方法是指利用驾驶人的眼动特性、头部运动特性等推断驾驶人的疲劳状态。驾驶人眼球的运动和眨眼信息被认为是反映疲劳的重要特征，眨眼幅度、眨眼频率和平均闭合时间都可直接用于检测疲劳。目前基于眼动机理研究驾驶疲劳的算法有很多种，广泛采用的算法包括PERCLOS，即将眼睑闭合时间占一段时间的百分比作为生

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理疲劳的测量指标。利用面部识别技术定位眼睛、鼻尖和嘴角位置，将眼睛、鼻尖和嘴角位置结合起来，再根据对眼球的追踪可以获得驾驶人注意力方向，并判断驾驶人的注意力是否分散。Philip W. Kithil 利用头部位置传感器检测驾驶人点头动作，该传感器通过电容传感器阵列输出驾驶人头部距离每个传感器的位置,可实时跟踪头部的位置,根据头部位置的变化规律判定驾驶人是否瞌睡, 该研究发现点头的动作和瞌睡有非常好的相关性。基于驾驶人生理反应特征的检测方法一般采用非接触式测量，对疲劳状态的识别在精度和实用性上都较好。

3、基于驾驶人操作行为的检测方法

基于驾驶人操作行为的驾驶人疲劳状态识别技术，是指通过驾驶人的操作行为如方向盘操作等操作推断驾驶人疲劳状态。Yoshihiro Takei 利用FFT对监测到的驾驶人的方向盘操作数据进行处理，研究结果在一定程度上揭示了驾驶人的方向盘操作与疲劳之间的关系。文献的研究指出方向盘的操作是一种有效的驾驶疲劳的判断手段。Yabuta开发的驾驶人防疲劳装置中也使用了方向盘操作信息。总体来说，目前利用驾驶人操作行为进行疲劳识别的深入研究成果较少。

4、基于驾驶人面部生理特征的检测方法

首都师范大学在基于机器视觉的嵌入式驾驶疲劳检测系统方面进行了研究，在实验室环境实现了检测系统平台，但是在算法的效率、疲劳判定的实时性、准确性上还有待进一步提高；第四军医大学和航空医学研究所对人眼的状态检测和头部运动做了一系列的实验，在利用基于视频的眼部生理特征判断驾驶人疲劳方面做了较为深入的研究工作；吉林大学对人眼定位方法进行了一些系统的研究。综上所述，国内以上相关领域的研究主要集中在基于视频信号的驾驶人面部生理特征的研究方面，而且目前各种算法在识别精度、可靠性、实时性等基础性能方面尚存在问题，与国外相关研究相比存在较大差距。

以清华大学汽车安全与节能国家重点实验室为核心的团队承担了国家“十一五”863 研究课题，开展驾驶人疲劳状态监测及预警技术的研究，以开发具有高准确性和高可靠性的驾驶人疲劳及注意分散状态的实时监测技术，可适用于实际道路环境并实现全天候工作，降低因驾驶人疲劳驾驶或注意力分散导致的交通事故。该技术以眼部生理反应特征为主，结合方向盘转角信息和车辆行驶轨迹等特征，充分利用不同信息之间的互补性和冗余性，通过信息融合提高对驾驶人状态判别结果的准确性与可靠性。

（二）ABS自动控制刹车系统

ABS是 Anti_lock Braking System 的缩写，是在制动期间控制和监视车辆速度的电子系统。它通过常规制动系统起作用，可提高车辆的主动安全性。ABS失效时，常规制动系统仍然起作用。它的优点是在紧急制动时保持了车辆方向的可操纵性；缩短和优化了制动距离。在低附着路面上，制动距离缩短10%以上；在正常路面上，保持了最优的路面附着系数利用率-即最佳的制动距离。减少了交通事故的同时减轻了司机精神负担及轮胎磨损和维修费用等。

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图二：ABS自动控制刹车系统工作原理简略图

四、基于gogo850与ABS的完美结合

将两种已经应用于实际的科技产品gogo850和ABS自动控制刹车系统有机结合起来，在

驾驶员出现疲劳症状时，疲劳驾驶预警系统gogo850采集信号并将信号传送到报警装置，警报装置报警提醒驾驶员提高注意力，在提醒无效的情况时，则将信号传输到电脑ECU，电脑ECU判断汽车行驶状况与路面状况发出指令，控制ABS自动控制刹车系统，使汽车根据路况实现紧急制动或缓慢制动。

gogo850利用汽车级图像传感器采集人脸红外图像，性能超过奔腾二代的高速数字信号处理器进行数字图像处理与分析，先进的疲劳算法确保驾驶员在疲劳驾驶的时候及时发出报警信号，同时将信号以电脉冲的形式输入汽车电脑ECU，电脑将电脉冲信号进行识别处理，在必要时向制动系统发出制动信号。如下图所

示：

图三：疲劳驾驶预警系统工作原理简略图

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ABS自动控制刹车系统通过安装在车轮上的传感器接收车轮的运动情况信号，并输送到车载电脑ECU进行分析处理，电脑ECU将处理得到的信号反馈给电磁阀，控制电流的大小，从而实现刹车制动。将gogo850与ABS结合起来，就可以在驾驶员疲劳、且对提出的警报不能做出有效地措施时，自动控制刹车系统同时进行刹车。

Gogo850的摄像头对驾驶员进行人脸图像分析，检测眼睛的开合情况，尤其是对瞳孔进行识别，从而分辨出驾驶员是否是疲劳驾驶，即使有驾驶员睁眼睡觉也能被识别出，基于红外差分图像的处理使得产品在阳光下和黑暗里都能进行识别。当检测到驾驶员正在疲劳驾驶时，gogo850会对驾驶员提出警告，并将信号输入车载电脑ECU，记录数据。如果驾驶员还没有做出有效调整，则gogo850就会发出尖锐报警声，警示驾驶员提高驾驶注意力。到此为止只是gogo850在工作。当驾驶员对警报仍然无动于衷，则车载电脑ECU就会对gogo850

输入的信号进行判断，确定驾驶员正在以最不安全的状态驾车行驶，则发出指令，向ABS

自动控制刹车系统的电磁阀供电，使汽车驾驶员在没有踩动制动踏板的情况下控制汽车进行缓慢刹车，直到汽车停止不动，到此该系统工作完成。

当今社会是车行天下的社会，伴随着汽车行业的发展，我们的生活中发生了越来越多的交通事故，给我们的生活造成了更多的阴影。为了有效地减少交通事故的发生，越来越多的高科技作品应用到汽车产品上，本作品在已经应用于实际的新型产品的基础上，加以组合改进，以gogo850信号的输出与ABS能够对信号准确无误的接收，两者进行完美的结合，以期能用最小的成本代价给社会带来更多的便利。本设计现正处于初步摸索阶段，还不够完善，尚有许多问题亟需解决。若本产品能够得以完善，并应用于实际，相信定能为减少交通事故的发生做出贡献。

参考文献：

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[2]李志春.何仁.林谋有等.驾驶员疲劳检测技术的研究现状及发展趋势[J].农机化研究，2006 (5)

[3]王磊.吴晓娟.俞梦孙，驾驶疲劳、瞌睡检测方法的研究进展[J].生物医学工程学杂志，2007,24

[4]43065d130b4e767f5acfce54/10/0211/11/5V878OAF00083N86

[5]43065d130b4e767f5acfce54/bbs/thread-c-379-8650322-1

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lxpq.html