一種疲勞駕駛檢測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于疲勞駕駛檢測技術(shù)領域，尤其涉及一種疲勞駕駛檢測方法及裝置。所述疲勞駕駛檢測方法包括：步驟a：實時采集被測人員的頭部慣性數(shù)據(jù)；步驟b：根據(jù)所述頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)，如果被測人員處于疲勞駕駛狀態(tài)，執(zhí)行步驟c；步驟c：觸發(fā)警告裝置發(fā)出警報。本發(fā)明有利于降低誤判率，提高檢測的準確性；不會影響駕駛員的正常駕駛，且不會受外界環(huán)境及光線等因素的影響；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴展性強，容易在市場上普及。
【專利說明】
一種疲勞駕駛檢測方法及裝置
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明屬于疲勞駕駛檢測技術(shù)領域，尤其涉及一種疲勞駕駛檢測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 疲勞駕駛被列為釀成交通事故的最主要原因，據(jù)統(tǒng)計，在諸多導致交通事故發(fā)生 的原因中，由于疲勞駕駛造成的占了35%~45%，如何快速及時的檢測到司機的疲勞狀態(tài) 已經(jīng)成為當下智能運輸裝置的研究熱點。
[0003] 目前，國內(nèi)外對疲勞駕駛檢測的方法大致可以分成三大類，第一類是基于對駕駛 員生理信號特征的檢測，主要包括:腦電信號(EEG)、肌電信號(EMG)、心電信號(EGG)，例如 專利CN 105212924 A、CN 105105773 A、CN 104952210 A等，這些專利中的疲勞駕駛檢測裝 置可以做到識別率很高，但是大多屬于侵入式檢測，會嚴重影響駕駛員的正常駕駛，而且設 備成本高，難以在市場上普及。
[0004] 第二類是基于對駕駛員個體特征的檢測，主要特征包括有:頭部動作、瞳孔直徑、 眼睛特征等；例如，申請公布號為CN 105249976 A的發(fā)明提出了一種基于頭部監(jiān)測的司機 疲勞駕駛檢測方法及裝置，采用圖像處理的方法，通過獲取司機在駕駛過程中的視頻信息， 根據(jù)視頻信息提取司機的眼部特征、嘴部特征、頭部晃動特征信息來判斷司機是否疲勞駕 駛。類似這種采用圖像的方法，通過眼臉活動情況判斷疲勞程度的設計，對環(huán)境光線要求比 較高，而且駕駛員如果戴眼鏡的話會增加測量的難度。
[0005] 第三類是基于對車輛參數(shù)的檢測，包括:方向盤的轉(zhuǎn)動、車輛運行速度、車輛側(cè)位 移等。例如，一款名為Wakeman的疲勞提醒頭環(huán)，主要技術(shù)是利用九軸傳感器感應司機用戶 是否低頭，如果檢測到用戶低頭，就通過震動電極提醒司機抬頭看路，而從注意力開始下降 到低頭瞌睡這一狀態(tài)的過程很長，所以在這一過程中駕駛員會一直處于疲勞駕駛的危險 中，而且只通過低頭這一個特征來判斷瞌睡，識別率低、誤判率高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種疲勞駕駛檢測方法及裝置，旨在至少在一定程度上解決現(xiàn)有技 術(shù)中的上述技術(shù)問題之一。
[0007] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種疲勞駕駛檢測方法，包括：
[0008] 步驟a:實時采集被測人員的頭部慣性數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟b:根據(jù)所述頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被 測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)，如果被測人員處于疲勞駕駛狀態(tài)，執(zhí)行步驟c;
[0010]步驟c:觸發(fā)警告裝置發(fā)出警報。
[0011]本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:在所述步驟b中，所述根據(jù)所述頭部慣性數(shù) 據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)還包括:通過慣性傳感器將所述頭部慣性數(shù)據(jù)輸出至MCU，通過MCU對 所述頭部慣性數(shù)據(jù)進行校正處理;所述頭部慣性數(shù)據(jù)包括加速度、角速度和空間磁場信息； 所校正處理包括:校正加速度計、校正磁力計、校正陀螺儀。
[0012] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:在所述步驟b中，所述根據(jù)所述頭部慣性數(shù) 據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)還包括:利用所述慣性傳感器融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，并向所述MCU 輸出融合后的四元數(shù);所述MCU將輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四元數(shù)進行融合，得 出所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)。
[0013] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:在所述步驟b中，所述根據(jù)所述頭部姿態(tài)數(shù) 據(jù)判斷被測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)具體包括：
[0014] 步驟bl:判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角速 度沒有超過預設閾值，執(zhí)行步驟b2;如果偏轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，執(zhí)行步驟c;
[0015] 步驟b2:判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角度沒 有超過預設閾值，則重新執(zhí)行步驟a;如果偏轉(zhuǎn)角度超過預設閾值，執(zhí)行步驟c。
[0016] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:在所述步驟c后還包括:所述MCU將所述頭 部姿態(tài)數(shù)據(jù)無線傳輸至網(wǎng)絡終端。
[0017] 本發(fā)明實施例采取的另一技術(shù)方案為:一種疲勞駕駛檢測裝置，包括：
[0018] 慣性傳感器:用于實時采集被測人員的頭部慣性數(shù)據(jù)；
[0019] MCU主控模塊:根據(jù)所述慣性傳感器所采集的頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，根 據(jù)所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)；
[0020] 警報模塊:用于在所述MCU主控模塊判定被測人員處于疲勞駕駛狀態(tài)時發(fā)出警報。
[0021] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:所述M⑶主控模塊還包括數(shù)據(jù)校正單元;所 述慣性傳感器將所述頭部慣性數(shù)據(jù)輸出至所述MCU主控模塊，所述數(shù)據(jù)校正單元對所述頭 部慣性數(shù)據(jù)進行校正處理;所述頭部慣性數(shù)據(jù)包括加速度、角速度和空間磁場信息;所校正 處理包括:校正加速度計、校正磁力計、校正陀螺儀。
[0022] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:所述M⑶主控模塊還包括數(shù)據(jù)融合單元;所 述慣性傳感器還用于融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，并向所述MCU輸出融合后的四元數(shù);所述數(shù) 據(jù)融合單元將輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四元數(shù)進行融合，得出所述頭部姿態(tài)數(shù) 據(jù)。
[0023] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:所述M⑶主控模塊還包括速度判斷單元和 角度判斷單元；
[0024] 速度判斷單元：用于判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如 果偏轉(zhuǎn)角速度沒有超過預設閾值，通過角度判斷單元判斷偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值;如 果偏轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，觸發(fā)所述警報模塊發(fā)出警報；
[0025] 角度判斷單元：用于判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果 偏轉(zhuǎn)角度沒有超過預設閾值，則通過所述慣性傳感器重新采集頭部慣性數(shù)據(jù);如果偏轉(zhuǎn)角 度超過預設閾值，觸發(fā)所述警報模塊發(fā)出警報。
[0026] 本發(fā)明實施例采取的技術(shù)方案還包括:所述裝置還包括射頻模塊，所述M⑶主控模 塊還包括數(shù)據(jù)輸出單元，所述數(shù)據(jù)輸出單元用于通過所述射頻模塊將所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)傳 輸至網(wǎng)絡終端。
[0027] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果在于:本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測裝 置通過佩戴頭戴式眼鏡進行疲勞檢測，有利于實時檢測，不會影響駕駛員的正常駕駛，且不 會受外界環(huán)境及光線等因素的影響;通過慣性傳感器實時采集頭部慣性數(shù)據(jù)，并結(jié)合DMP和 卡爾曼融合算法進行數(shù)據(jù)融合，糾正偏轉(zhuǎn)角的偏差，既具有良好的實時動態(tài)性能，又具有長 期的穩(wěn)定靜態(tài)性能;本發(fā)明采取兩個以上的參數(shù)值做處于疲勞駕駛狀態(tài)的判斷依據(jù)，降低 誤判率，提高檢測的準確性;本發(fā)明設有USB接口充電，功耗低且充電方便；同時，本發(fā)明結(jié) 構(gòu)簡單、成本低、可擴展性強，容易在市場上普及。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測方法的流程圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明實施例的疲勞檢測裝置的外觀示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明實施例的疲勞檢測裝置的電路圖；
[0031] 圖4為I2C總線時序圖；
[0032]圖5和圖6為本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)傳輸不意圖；
[0033]圖7是本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0035] 實驗證明，頭部姿態(tài)與疲勞的關系密切，例如，當人體處于疲勞狀態(tài)時，頭部一般 無法正視前方，頭部的中軸線與頭部重心線會存在一定的夾角，而且大多數(shù)人進入疲勞狀 態(tài)時，頭部會突然向某一個方向傾斜。受這一思路的啟發(fā)，本發(fā)明使用MEMS慣性傳感技術(shù)， 充分發(fā)揮其低成本、檢測精確度高的特點，設計了一款頭戴式的眼鏡，眼鏡內(nèi)部嵌入了頭部 姿態(tài)參數(shù)測量節(jié)點用來實時監(jiān)測司機是否正常駕駛，將頭部傾斜姿態(tài)角和旋轉(zhuǎn)角速度作為 判斷依據(jù)，當檢測到頭部傾斜角度或旋轉(zhuǎn)角速度大于閾值時，采用語音提醒及震動刺激的 方式令駕駛員保持清醒，并提醒駕駛員找地方停車休整。本發(fā)明具體的實時方式請參閱以 下實施例的詳細說明。
[0036] 請參閱圖1，是本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測方法的流程圖。本發(fā)明實施例的疲勞 駕駛檢測方法包括以下步驟：
[0037] 步驟100:佩戴并啟動疲勞檢測裝置，進行裝置初始化設置；
[0038] 在步驟100中，疲勞檢測裝置為頭戴式眼鏡，被測人員通過佩戴該頭戴式眼鏡進行 疲勞檢測，佩戴方便，并有利于進行實時檢測。該頭戴式眼鏡上設有開關按鈕，通過開關按 鈕控制疲勞檢測裝置的啟動或關閉。頭戴式眼鏡設有供電模塊，通過鋰電池供電，功耗較 低；并設有USB充電接口，通過USB接口進行充電，充電方便。具體如圖2和圖3所示，圖2是本 發(fā)明實施例的疲勞檢測裝置的外觀示意圖，圖3是本發(fā)明實施例的疲勞檢測裝置的電路圖。 疲勞檢測裝置設有電源供電電路，供電模塊包括穩(wěn)壓電路、電源開關、充電電路、聚合物鋰 電池;USB充電接口、充電電路、聚合物鋰電池、電源供電電路依次連接，充電電路、電源開關 和穩(wěn)壓電路依次連接。
[0039] 裝置開始工作之前，需要完成硬件資源的初始化設置，確保各子程序功能的實現(xiàn) 及裝置的穩(wěn)定性，具體初始化設置包括:裝置時鐘初始化設置為168MHz、串口、I2C接口和1/ 〇接口初始化、慣性傳感器初始化、語音芯片初始化、震動器初始化、定時器初始化，設定定 時器定時時間，并設置慣性傳感器的采樣率;配置RCC_PLLCFGR寄存器。
[0040] 步驟200:判斷定時器是否中斷，如果定時器中斷，執(zhí)行步驟300;如果定時器沒有 中斷，繼續(xù)執(zhí)行步驟200;
[0041] 在步驟200中，本發(fā)明實施例采用定時器中斷的方式對慣性傳感器的慣性數(shù)據(jù)采 集及輸出進行控制，即判斷到定時時間到達設定值時定時器進入中斷，慣性傳感器開始采 集頭部慣性數(shù)據(jù)。
[0042]步驟300:慣性傳感器實時采集被測人員在駕駛過程中頭部慣性數(shù)據(jù)；
[0043]在步驟300中，慣性傳感器采集的頭部慣性數(shù)據(jù)包括加速度、角速度和空間磁場信 息，通過對加速度、角速度和空間磁場信息進行處理能夠還原出剛體在空間中的運動狀態(tài)。 本發(fā)明實施例中的慣性傳感器為MPU9150慣性傳感器，MPU9150慣性傳感器整合了三軸陀螺 儀+三軸加速度+三軸磁場，其使用壽命長、生產(chǎn)成本低廉、測量精度高、體積小、重量輕、功 耗低、易集成，適用于疲勞駕駛檢測裝置中?？梢岳斫?，在本發(fā)明其他實施例中，還可以采用 其他類型的傳感器。
[0044] 步驟400:慣性傳感器將慣性數(shù)據(jù)輸出至M⑶，通過M⑶對慣性數(shù)據(jù)進行校正處理；
[0045] 在步驟400中，MCU(微控制單元，Microcontroller Unit)通過I2C總線與慣性傳感 器電性連接，其中，I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘信號線SCL構(gòu)成串行總線，可發(fā)送和接收數(shù) 據(jù)，工作時，時鐘信號線SCL傳送時鐘脈沖，數(shù)據(jù)線SDA傳送數(shù)據(jù)。一次完整的數(shù)據(jù)傳輸包括 起始、應答/非應答、停止信號，以及傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位;其數(shù)據(jù)傳輸過程具體如圖4所示，為I2C 總線時序圖。
[0046] 由于慣性傳感器采集到的慣性數(shù)據(jù)中會夾雜有一些噪聲和誤差，直接輸出的加速 度、角速度及陀螺儀值偏差較大，不能直接用于數(shù)據(jù)融合求解頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此，慣性傳 感器采集到慣性數(shù)據(jù)后將慣性數(shù)據(jù)輸出至MCU，MCU采用I2C總線方式讀取慣性傳感器輸出 的慣性數(shù)據(jù)，并對加速度計、磁力計及陀螺儀的慣性數(shù)據(jù)進行校正處理。具體地，MCU對慣性 數(shù)據(jù)進行校正處理包括以下步驟：
[0047] 步驟401:校正加速度計；
[0048]在步驟401中，加速度計測量的是某一時刻的合加速度，包括重力加速度和運動加 速度，當慣性傳感器靜置時只有重力加速度，利用這一特性可以通過對不同姿勢靜置時測 得的數(shù)據(jù)計算出加速度傳感器的偏移。公式(1)為三軸加速度計的誤差輸出模型：
[0049]
[0050]在公式（1)中，
ax，ay，a z為對應轉(zhuǎn)動軸的加速度值，ax '，ay '，az '為實際的傳感器的 加速度輸出值，Ko表示加速度計的零偏值，K1表示加速度計的標度因數(shù)。加速度計校正的方 式為:首先測試多組三軸加速度計的靜置值，然后對多組靜置值進行求平均，得出加速度計 的零偏值Κο,然后進行對應原式進行相減求加速度計的標度因數(shù)(scalefactor，陀螺儀輸 出量與輸入角速率的比值)Ku [00511 步驟402:校正磁力計；
[0052]在步驟402中，磁力計的誤差輸出模型類似于加速度計，因此可以利用與加速度計 相似的校正方法對磁力計進行校正。
[0053] 步驟403:校正陀螺儀；
[0054]在步驟403中，陀螺儀在靜止的時候理論值應該為零，所以將傳感器靜置一段時 間，讀取這段時間內(nèi)的η個讀數(shù)gi，再對這些值取平均值，即可得到陀螺儀的零偏值a，如公 式⑵：
[0055]
[0056]在MCU中把慣性傳感器輸出的三軸陀螺儀數(shù)據(jù)減去零偏值a就可以得到校正后的 角速度值：
[0057] Gi = gi-a (3)
[0058] 步驟500:利用慣性傳感器內(nèi)置的DMP(數(shù)字運動處理)融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)， 并向MCU輸出融合后的四元數(shù)；
[0059] 步驟600 :MCU根據(jù)卡爾曼融合算法將DMP輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四 元數(shù)進行融合，得出頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，并執(zhí)行步驟700及步驟1000;
[0060] 在步驟600中，完成加速度計、磁力計及陀螺儀的慣性數(shù)據(jù)校正后，利用慣性傳感 器內(nèi)置的DMP(數(shù)字運動處理)能夠快速融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，輸出穩(wěn)定的姿態(tài)角，但由 于DMP沒有融合磁力計數(shù)據(jù)，導致偏轉(zhuǎn)角在使用一段時間后會偏離正確位置。因此，本發(fā)明 實施例通過在MCU中加入卡爾曼融合算法，將DMP輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四元 數(shù)進行融合，從而糾正偏轉(zhuǎn)角的偏差，既具有良好的實時動態(tài)性能，又具有長期的穩(wěn)定靜態(tài) 性能。
[0061] 步驟700:判斷頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角速度沒 有超過預設閾值，執(zhí)行步驟800;如果偏轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，執(zhí)行步驟900;
[0062] 步驟800:判斷頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角度沒有超 過預設閾值，則重新執(zhí)行步驟300;如果偏轉(zhuǎn)角度超過預設閾值，執(zhí)行步驟900;
[0063]在步驟700和步驟800中，偏轉(zhuǎn)角速度及偏轉(zhuǎn)角度的判斷順序也可以進行任意調(diào)整 或組合，即，也可先判斷偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，再判斷偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥 值。在本發(fā)明另一實施方式中，還可將偏轉(zhuǎn)角速度及偏轉(zhuǎn)角度同時作為判斷依據(jù)，會降低誤 判率，提高檢測的準確性，還可以選擇其他參數(shù)值作為判斷依據(jù)。在本發(fā)明實施例中，經(jīng)過 模擬疲勞駕駛實驗得出，優(yōu)選的，偏轉(zhuǎn)角度的預設閾值為45°，偏轉(zhuǎn)角速度的預設閾值為 126.7° /s，該閥值也可根據(jù)實際檢測進行設定。
[0064] 步驟900:判定被檢測者處于疲勞駕駛狀態(tài)，觸發(fā)警報裝置發(fā)出警報；
[0065] 在步驟900中，警報裝置的警報方式包括:語音警報、震動警報、或語音警報+震動 警報。并可預先錄入多種語音警報的警報方式，例如音樂、警鈴或語音警告等，用戶可根據(jù) 需求對語音提醒方式進行調(diào)整，并可對語音提警報的聲音大小及震動警報的震動頻率進行 設定。
[0066]步驟1000:M⑶將頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡終端。
[0067]在步驟1000中，基于對駕駛員正常駕駛干擾性、使用場地及實用性的考慮，為了得 到更加真實、自然的頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸。無線通信方式 包括4G、WIFI或藍牙等，由于藍牙具有低功耗、快速連接、成本低、體積小等眾多優(yōu)點，本發(fā) 明實施例優(yōu)選為藍牙通信方式。具體數(shù)據(jù)傳輸方式為:從設備的藍牙模塊（即頭戴式眼鏡） 與MCU之間利用串口通信，首先初始化從設備的串口，包括設置串口波特率、中斷分級、串口 使能等，藍牙模塊串口經(jīng)過一系列初始化后，當串口有來自MCU端的慣性數(shù)據(jù)包輸入時，可 以從串口讀出慣性數(shù)據(jù)包并存放在一個buf數(shù)組中。網(wǎng)絡終端(個人PC或手機等)接另一個 藍牙模塊(主設備），兩個藍牙模塊根據(jù)藍牙協(xié)議棧建立連接，完成無線數(shù)據(jù)通信，流程圖如 圖5和圖6所示，為本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)傳輸示意圖。
[0068] 網(wǎng)絡終端接收到慣性數(shù)據(jù)包后，可以實時顯示慣性數(shù)據(jù)的波形、存儲數(shù)據(jù)、及回放 歷史數(shù)據(jù)。通過波形顯示能從直觀上反應采集到的數(shù)據(jù)的誤差特點和器件的（零點)漂移波 動規(guī)律特性，并且可以將存儲的數(shù)據(jù)導入MTLAB等工具進行后續(xù)疲勞檢測算法的研究。
[0069] 本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測方法通過佩戴頭戴式眼鏡進行疲勞檢測，有利于實 時檢測，不會影響駕駛員的正常駕駛，且不會受外界環(huán)境及光線等因素的影響;通過慣性傳 感器實時采集頭部慣性數(shù)據(jù)，并結(jié)合DMP和卡爾曼融合算法進行數(shù)據(jù)融合，糾正偏轉(zhuǎn)角的偏 差，既具有良好的實時動態(tài)性能，又具有長期的穩(wěn)定靜態(tài)性能;本發(fā)明采取兩個以上的參數(shù) 值做處于疲勞駕駛狀態(tài)的判斷依據(jù)，降低誤判率，提高檢測的準確性;本發(fā)明設有USB充電 接口，功耗低且充電方便;同時，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴展性強，容易在市場上普及。
[0070] 請參閱圖7,是本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測裝置的流程圖。本發(fā)明實施例的疲勞 駕駛檢測裝置包括初始化模塊、慣性傳感器、MCU主控模塊、警報模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和供電 模塊;具體地：
[0071] 初始化模塊：用于在啟動疲勞檢測裝置時，對裝置進行初始化設置;其中，裝置開 始工作之前，需要完成硬件資源的初始化設置，確保各子程序功能的實現(xiàn)及裝置的穩(wěn)定性， 具體初始化設置包括:裝置時鐘初始化設置為168MHz、串口、I2C接口和I/O接口初始化、慣 性傳感器初始化、語音芯片初始化、震動器初始化、定時器初始化，設定定時器定時時間，并 設置慣性傳感器的采樣率;配置RCC_PLLCFGR寄存器。
[0072] 慣性傳感器:用于判斷定時器是否中斷，如果定時器中斷，實時采集被測人員在駕 駛過程頭部慣性數(shù)據(jù)，并將慣性數(shù)據(jù)輸出至MCU主控模塊;其中，本發(fā)明實施例采用定時器 中斷的方式對慣性傳感器的慣性數(shù)據(jù)采集及輸出進行控制，即判斷到定時時間到達設定值 時定時器進入中斷，慣性傳感器開始采集頭部慣性數(shù)據(jù)。慣性傳感器采集的頭部慣性數(shù)據(jù) 包括加速度、角速度和空間磁場信息，通過對加速度、角速度和空間磁場信息進行處理能夠 還原出剛體在空間中的運動狀態(tài)。本發(fā)明實施例中的慣性傳感器為MPU9150慣性傳感器， MPU9150慣性傳感器整合了三軸陀螺儀+三軸加速度+三軸磁場，其使用壽命長、生產(chǎn)成本低 廉、測量精度高、體積小、重量輕、功耗低、易集成，適用于疲勞駕駛檢測裝置中?？梢岳斫?， 在本發(fā)明其他實施例中，還可以采用其他類型的傳感器。
[0073] M⑶主控模塊：用于對慣性傳感器輸出的慣性數(shù)據(jù)進行校正處理后，得出頭部姿態(tài) 數(shù)據(jù)、根據(jù)得出頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷駕駛狀態(tài)、并通過射頻模塊傳輸頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)包;MCU主 控模塊通過I2C總線與慣性傳感器電性連接，其中，I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘信號線SCL 構(gòu)成串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，工作時，時鐘信號線SCL傳送時鐘脈沖，數(shù)據(jù)線SDA傳送 數(shù)據(jù)。具體地，M⑶主控模塊包括數(shù)據(jù)校正單元、數(shù)據(jù)融合單元、速度判斷單元、角度判斷單 元和數(shù)據(jù)輸出單元。
[0074]數(shù)據(jù)校正單元:用于讀取慣性傳感器輸出的慣性數(shù)據(jù)，并對加速度計、磁力計及陀 螺儀的慣性數(shù)據(jù)進行校正處理;具體校正方式包括：
[0075] -、校正加速度計;加速度計測量的是某一時刻的合加速度，包括重力加速度和運 動加速度，當慣性傳感器靜置時只有重力加速度，利用這一特性可以通過對不同姿勢靜置 時測得的數(shù)據(jù)計算出加速度傳感器的偏移。公式(1)為三軸加速度計的誤差輸出模型：
[0076]
[0077]在公式（1)中，ax，ay，az為對應轉(zhuǎn)動軸的加速度值，a x '，ay '，az '為實際的傳感器的 加速度輸出值，Ko表示加速度計的零偏值，K1表示加速度計的標度因數(shù)。加速度計校正的方 式為:首先測試多組三軸加速度計的靜置值，然后對多組靜置值進行求平均，得出加速度計 的零偏值Κο,然后進行對應原式進行相減求加速度計的標度因數(shù)(scalefactor，陀螺儀輸 出量與輸入角速率的比值)Ku
[0078]二、校正磁力計;磁力計的誤差輸出模型類似于加速度計，因此可以利用與加速度 計相似的校正方法對磁力計進行校正。
[0079]三、校正陀螺儀;陀螺儀在靜止的時候理論值應該為零，所以將傳感器靜置一段時 間，讀取這段時間內(nèi)的η個讀數(shù)gi，再對這些值取平均值，即可得到陀螺儀的零偏值a，如公 式⑵：
[0080]
[0081] 在MCU主控模塊中把慣性傳感器輸出的三軸陀螺儀數(shù)據(jù)減去零偏值a就可以得到 校正后的角速度值：
[0082] Gi = gi-a (3)
[0083] 慣性傳感器:還用于通過內(nèi)置的DMP融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，并向M⑶主控模塊 輸出融合后的四元數(shù)；
[0084] 數(shù)據(jù)融合單元：用于根據(jù)卡爾曼融合算法將DMP輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的 姿態(tài)四元數(shù)進行融合，得出頭部姿態(tài)數(shù)據(jù);其中，完成加速度計、磁力計及陀螺儀的慣性數(shù) 據(jù)校正后，利用慣性傳感器內(nèi)置的DMP能夠快速融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，輸出穩(wěn)定的姿態(tài) 角，但由于DMP沒有融合磁力計數(shù)據(jù)，導致偏轉(zhuǎn)角在使用一段時間后會偏離正確位置。因此， 本發(fā)明實施例通過在MCU主控模塊中加入卡爾曼融合算法，將DMP輸出的四元數(shù)與磁力計計 算出的姿態(tài)四元數(shù)進行融合，從而糾正偏轉(zhuǎn)角的偏差，既具有良好的實時動態(tài)性能，又具有 長期的穩(wěn)定靜態(tài)性能。
[0085] 速度判斷單元：用于判斷頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如果偏 轉(zhuǎn)角速度沒有超過預設閾值，通過角度判斷單元判斷偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值;如果偏 轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，判定被檢測者處于疲勞駕駛狀態(tài)，觸發(fā)警報模塊發(fā)出警報；
[0086] 角度判斷單元：用于判斷頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn) 角度沒有超過預設閾值，則通過慣性傳感器重新采集頭部慣性數(shù)據(jù);如果偏轉(zhuǎn)角度超過預 設閾值，則判定被檢測者處于疲勞駕駛狀態(tài)，觸發(fā)警報模塊發(fā)出警報;其中，偏轉(zhuǎn)角速度及 偏轉(zhuǎn)角度的判斷順序也可以進行任意調(diào)整或組合，即，也可先判斷偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設 閥值，再判斷偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值。在本發(fā)明另一實施方式中，還可將偏轉(zhuǎn)角速度 及偏轉(zhuǎn)角度同時作為判斷依據(jù)，會降低誤判率，提高檢測的準確性，還可以選擇其他參數(shù)值 作為判斷依據(jù)。在本發(fā)明實施例中，經(jīng)過模擬疲勞駕駛實驗得出，優(yōu)選的，偏轉(zhuǎn)角度的預設 閾值為45°，偏轉(zhuǎn)角速度的預設閾值為126.7°/s，該閥值也可根據(jù)實際檢測進行設定。
[0087] 數(shù)據(jù)輸出單元:用于通過射頻模塊將頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡終端;其中，網(wǎng)絡終 端接收到慣性數(shù)據(jù)包后，可以實時顯示慣性數(shù)據(jù)的波形、存儲數(shù)據(jù)、及回放歷史數(shù)據(jù)。通過 波形顯示能從直觀上反應采集到的數(shù)據(jù)的誤差特點和器件的（零點)漂移波動規(guī)律特性，并 且可以將存儲的數(shù)據(jù)導入MTLAB等工具進行后續(xù)疲勞檢測算法的研究，提高本發(fā)明的可擴 展性強。
[0088] 射頻模塊：用于實現(xiàn)M⑶主控模塊與網(wǎng)絡終端之間的數(shù)據(jù)傳輸;其中，射頻模塊至 少包括4G、WIFI或/和藍牙模塊等，本發(fā)明實施例僅以藍牙模塊為例進行說明，以藍牙進行 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綖?從設備的藍牙模塊（即頭戴式眼鏡)與MCU主控模塊利用串口通信，首先 初始化從設備的串口，包括設置串口波特率、中斷分級、串口使能等，藍牙模塊串口經(jīng)過一 系列初始化后，當串口有來自MCU主控模塊的慣性數(shù)據(jù)包輸入時，可以從串口讀出慣性數(shù)據(jù) 包并存放在一個buf數(shù)組中。網(wǎng)絡終端接另一個藍牙模塊(主設備），兩個藍牙模塊根據(jù)藍牙 協(xié)議棧建立連接，完成無線數(shù)據(jù)通信。
[0089] 警報模塊:用于在MCU主控模塊判定被檢測者處于疲勞駕駛狀態(tài)時發(fā)出警報提醒； 中，警報模塊的警報提醒方式包括:語音提醒、震動提醒、或語音提醒+震動提醒等。并可預 先錄入多種語音提醒的提醒方式，例如音樂、警鈴或語音警告等，用戶可根據(jù)需求對語音提 醒方式進行調(diào)整，并可對語音提醒的聲音大小及震動提醒的震動頻率進行設定。
[0090] 供電模塊:用于為疲勞檢測裝置的各個模塊供電；其中，疲勞檢測裝置設有電源供 電電路，供電模塊包括穩(wěn)壓電路、電源開關、充電電路、聚合物鋰電池;USB充電接口、充電電 路、聚合物鋰電池、電源供電電路依次連接，充電電路、電源開關和穩(wěn)壓電路依次連接。
[0091] 本發(fā)明實施例的疲勞檢測裝置為頭戴式眼鏡，被測人員通過佩戴該頭戴式眼鏡進 行疲勞檢測，佩戴方便，并有利于進行實時檢測。該頭戴式眼鏡上設有開關按鈕，通過開關 按鈕控制疲勞檢測裝置的啟動或關閉。
[0092] 本發(fā)明實施例的疲勞駕駛檢測裝置通過佩戴頭戴式眼鏡進行疲勞檢測，有利于實 時檢測，不會影響駕駛員的正常駕駛，且不會受外界環(huán)境及光線等因素的影響;通過慣性傳 感器實時采集頭部慣性數(shù)據(jù)，并結(jié)合DMP和卡爾曼融合算法進行數(shù)據(jù)融合，糾正偏轉(zhuǎn)角的偏 差，既具有良好的實時動態(tài)性能，又具有長期的穩(wěn)定靜態(tài)性能;本發(fā)明采取兩個以上的參數(shù) 值做處于疲勞駕駛狀態(tài)的判斷依據(jù)，降低誤判率，提高檢測的準確性;本發(fā)明設有USB接口 充電，功耗低且充電方便;同時，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可擴展性強，容易在市場上普及。
[0093] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種疲勞駕駛檢測方法，包括： 步驟a:實時采集被測人員的頭部慣性數(shù)據(jù)； 步驟b:根據(jù)所述頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被測人 員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)，如果被測人員處于疲勞駕駛狀態(tài)，執(zhí)行步驟c; 步驟c:觸發(fā)警告裝置發(fā)出警報。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞駕駛檢測方法，其特征在于，在所述步驟b中，所述根據(jù)所 述頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)還包括:通過慣性傳感器將所述頭部慣性數(shù)據(jù)輸出至 MCU，通過MCU對所述頭部慣性數(shù)據(jù)進行校正處理;所述頭部慣性數(shù)據(jù)包括加速度、角速度和 空間磁場信息;所校正處理包括:校正加速度計、校正磁力計、校正陀螺儀。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的疲勞駕駛檢測方法，其特征在于，在所述步驟b中，所述根據(jù)所 述頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)還包括:利用所述慣性傳感器融合加速度和陀螺儀數(shù) 據(jù)，并向所述MCU輸出融合后的四元數(shù);所述MCU將輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四 元數(shù)進行融合，得出所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的疲勞駕駛檢測方法，其特征在于，在所述步驟b中，所述根據(jù)所 述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)具體包括： 步驟bl:判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角速度沒 有超過預設閾值，執(zhí)行步驟b2;如果偏轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，執(zhí)行步驟c; 步驟b2:判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn)角度沒有超 過預設閾值，則重新執(zhí)行步驟a;如果偏轉(zhuǎn)角度超過預設閾值，執(zhí)行步驟c。5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項所述的疲勞駕駛檢測方法，其特征在于，在所述步驟c后還 包括:所述MCU將所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)無線傳輸至網(wǎng)絡終端。6. -種疲勞駕駛檢測裝置，其特征在于，包括： 慣性傳感器:用于實時采集被測人員的頭部慣性數(shù)據(jù)； MCU主控模塊:根據(jù)所述慣性傳感器所采集的頭部慣性數(shù)據(jù)計算頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)，根據(jù)所 述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)判斷被測人員是否處于疲勞駕駛狀態(tài)； 警報模塊:用于在所述MCU主控模塊判定被測人員處于疲勞駕駛狀態(tài)時發(fā)出警報。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的疲勞駕駛檢測裝置，其特征在于，所述MCU主控模塊還包括數(shù) 據(jù)校正單元;所述慣性傳感器將所述頭部慣性數(shù)據(jù)輸出至所述MCU主控模塊，所述數(shù)據(jù)校正 單元對所述頭部慣性數(shù)據(jù)進行校正處理;所述頭部慣性數(shù)據(jù)包括加速度、角速度和空間磁 場信息;所校正處理包括:校正加速度計、校正磁力計、校正陀螺儀。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的疲勞駕駛檢測裝置，其特征在于，所述MCU主控模塊還包括數(shù) 據(jù)融合單元;所述慣性傳感器還用于融合加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)，并向所述MCU輸出融合后的 四元數(shù);所述數(shù)據(jù)融合單元將輸出的四元數(shù)與磁力計計算出的姿態(tài)四元數(shù)進行融合，得出 所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的疲勞駕駛檢測裝置，其特征在于，所述MCU主控模塊還包括速 度判斷單元和角度判斷單元； 速度判斷單元：用于判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角速度是否超過預設閥值，如果偏 轉(zhuǎn)角速度沒有超過預設閾值，通過角度判斷單元判斷偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值;如果偏 轉(zhuǎn)角速度超過預設閾值，觸發(fā)所述警報模塊發(fā)出警報； 角度判斷單元：用于判斷所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)的偏轉(zhuǎn)角度是否超過預設閥值，如果偏轉(zhuǎn) 角度沒有超過預設閾值，則通過所述慣性傳感器重新采集頭部慣性數(shù)據(jù);如果偏轉(zhuǎn)角度超 過預設閾值，觸發(fā)所述警報模塊發(fā)出警報。10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任一項所述的疲勞駕駛檢測裝置，其特征在于，所述裝置還包括 射頻模塊，所述MCU主控模塊還包括數(shù)據(jù)輸出單元，所述數(shù)據(jù)輸出單元用于通過所述射頻模 塊將所述頭部姿態(tài)數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡終端。
【文檔編號】A61B5/18GK105943052SQ201610370952
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月30日
【發(fā)明人】寧運琨, 孫浩, 趙國如, 李慧奇, 謝高生
【申請人】深圳先進技術(shù)研究院