面向安全带假戴和疲劳驾驶的汽车主动安全装置

王菁　李涛　彭金栓

【摘 要】自20世纪90年代以来道路安全问题备受关注，其中未使用安全带和疲劳驾驶是造成交通伤亡事故的两大主要原因。本文提出了安全带“防假戴”与疲劳驾驶检测法于一体的全新乘用车主动安全装置。该装置是视觉检测法和疲劳度量因子（即PERCLOS）检测法的综合运用，它是集安全带“假戴”监测系统、安全带预警系统、疲劳驾驶监测系统、疲劳驾驶缓解系统四大系统为一体的综合装置。它能很好的防止驾驶员安全带“假戴”与疲劳驾驶现象，达到减少交通事故率，促进道路交通的和谐发展的目的。

【关键词】安全带；预警；PERCLOS；疲劳驾驶；传感器；闪光灯

1.安全带假戴和防疲劳驾驶系统设计原理

1.1安全带智能预警部分

1.1.1工作原理。

现有安全带佩戴系统大都采用锁扣传感式检测法，汽车启动后成员不系安全带，提示系统就会发声警报，但无法预防以下三种安全带“假戴”行为（如图1所示）：

A.空座时系上安全带然后直接就坐，安全带被靠在身后的假佩戴行为。

B.未系安全带，直接将独立的卡扣插入卡槽行为。

C.靠着安全带，当发现有交通警察检查时将肩带跨在胸前，从而躲避交通警察的检查行为。

为了克服传统安全带的不足，该系统将推出基于视觉检测的方法，对传统安全带预警部分进行完善。我国安全带性能测试组织并未对安全带颜色进行明确规定，所以该系统将在不改变安全带性能的条件下，在安全带的制造材料里加入反光材质，并采用带有LED灯的补光的摄像机进行图样采集。这样提高了在夜晚或能见度低的情况下系统图形处理的可靠性。

同时考虑到LED光源对驾驶员的干扰，本视觉感应系统工作时间周期设定为8s，这样既可以避免长时间的照射影响驾驶员的驾驶又能避免因工作实践太短而造成的瞬间闪光现象导致图形处理单元工作的失败。

（1）视觉处理器工作流程

系统启动时首先摄像头开始，根据红外线检测特种反光材料捕捉安全带佩戴图像，然后发送至图像处理器，经数据处理单元对图像进行检测分析，得出处理结果，并发送给语音提醒系统，最后若驾驶员依旧保持不佩戴安全带状态，则警报发送至位于车顶的闪光灯，提醒周围车辆与该驾驶车辆保持一定距离。这样的安全带预警系统的设计即从驾驶员本身预防安全带漏戴现象，又从外部环境方面有了一个预防，从而减少了交通事故率。

（2）数据处理单元工作算法

1.1.2检测规则。

由摄像头提供原始图像后，由于安全带的本身反光材质和摄像头的的红外线LED补光，会使安全带部分灰度明显高于人体皮肤或是衣服部分，因此图像处理单元可以计算出图像中亮点的面积然后比上总的图形面积得到一个比值，而根据这个比值的结果与其他几种安全带假戴现象进行比较得出是否假戴的结果，传给提醒装置。

从表1中抽样统计结果中可得到结论，正确佩戴安全带的情况，亮点比率明显高于三种假戴情况且当亮点率在7.5%左右波动时可确定为规范佩戴安全带，于是得出结论标准亮点比率确定为7.5%。

1.1.3提醒装置的组成。

当接收到数据处理单元的“否”佩戴安全带的指示后，提醒装置激发，位于锁扣部位的语音提示器将开始工作，它将根据语音提示的方式对驾驶员进行提醒，知道其正确佩戴安全带为止。若驾驶员在10分钟之类依旧没有佩戴安全带，则打开位于车顶部的闪光灯对周围车辆进行预警。

1.2疲劳驾驶检测与预防部分

1.2.1摄像头与防疲劳驾驶原理。

一般情况下，产生疲劳的顺序是：眼睛、颈部、肩部、腰部，所以眼睛是反应驾驶疲劳的第一区域。在汽车启动时，位于驾驶员左前方的摄像头开始检测驾驶员的PECLOS（疲劳/瞌睡），当PECLOS大于70%或80%时，即可确定驾驶员在疲劳驾驶，进而系统开始进行语音提示，立即打开车辆进气口进行车内的通风换气，并激发位于驾驶员座椅中的震动装置来进一步提醒驾驶员注意集中注意；当驾驶员疲劳现象依然存在时，系统将会打开车外报警闪烁灯，提示附近车辆驾驶员和过往行人注意与该车保持安全距离，以此降低交通事故率。

（1）PERCLOS检测法简介[1]

PERCLOS（percentage of Eyelid Closure over the Pupil， over time.简称PERCLOS）是1998年Carnegie Mellon大学研究所研发的亮度疲劳/瞌睡的物理量，其定义为单位时间内（一般取一分钟或30s）眼睛闭合一定比例（70%或80%）所占的时间，满足系列下列时就发生了瞌睡：

（2）摄像头的工作流程

当汽车启动时，PCC摄像头开启，在检测并处理完毕安全带智能预警工作之后，开始计时驾驶员驾驶时间。当驾驶员达到驾驶时间时，根据视网膜对不同波长红外光反射能力的不同，根据不同波长所形成的图像差异定位视网膜，分析眼睛的大小和位置。根据眼睛区域的图像高度判断眼睛的闭睁，经数据处理单元对PECLOS的检测分析，得出处理结果，发送给驾驶员语音提示，并打开车辆进气口。若驾驶员仍然存在疲劳现象，则警报发送至车外了报警闪烁灯，提醒周围车辆及行人与该车保持安全距离。

（3）疲劳驾驶数据处理单元工作原理

当系统锁定驾驶员眼部后，开始测定驾驶员PERCLOS，即单位时间内（本文取40秒）眼睛闭合一定比例（70%或80%）所占的时间。PERCLOS的评定标准为：

：眼睑遮住瞳孔的面积超过70%就计为眼睛闭合，统计在一定时间内眼睛闭合时所占的时间比例。

：眼睑遮住瞳孔的面积超过80%就计为眼睛闭合，统计在一定时间内眼睛闭合时所占的时间比例。

EM：眼睑遮住瞳孔的面积超过一半就计为眼睛闭合，统计在一定时间内眼睛闭合时所占的时间比例。

1.3系统整体介绍

本摄像头与图片处理器系统主要是包括了两个作用过程：（1）检测驾驶员是否佩戴有安全带并且通过声音与警报灯进行警示提示驾驶员系好安全带；（2）检测驾驶人员是否处于疲劳状态，并且开启自动通风循环系统缓解驾驶员的疲劳。

当驾驶员上车关上车门并发动汽车时，安全带预警系统开始启动。位于驾驶员左上方摄像头开始进行图像采集，并将采集到的图片发送到图形处理器中，图片处理器中心通过采集到的安全带的灰度比、安全带与驾驶员所各占采集图形的比例的来判断出驾驶员是否已经正确的佩戴安全带。如果正确佩戴则解除警报；如果处理器判断出驾驶员没有正确佩戴好安全带，则预警装置开始启动，由来自安装在汽车音响内部处的语音处理器开始进行语音播报：“请驾驶员和乘客朋友系好安全带。”与此同时，安装在汽车车顶的及时报警灯开始闪烁红灯。等到汽车超过20Km/h时，语音播报自动关闭，汽车报警灯仍旧不断闪烁，直至驾驶员与乘客完全系好安全带。

在车辆正常行驶过程中，位于驾驶员前方的摄像头开始持续地对驾驶员的眼睛进行拍照，并且实时将采集到的图片传输到图片处理器中心。当图片处理器通过驾驶员眼睛闭合程度来判断驾驶员是否处于疲劳驾驶。当检测到驾驶员处于疲劳驾驶状态时，开启车内空气中CO2浓度检测，如果超标（CO2浓度与人体呼吸反应关系表如表二所示），则自动开启车内空气循环系统，将车内的空气中的CO2浓度降低，并且适当提高空气中氧气的浓度，以达到清醒头脑、消除驾驶员的疲劳的目的；在进行了空气内循环之后，再次检测驾驶员的眼睛，并且进行分析，如若不达标，则再次进行空气内循环。若驾驶员仍处于疲劳状态，则并且开启语音提示：“您已经处于疲劳驾驶，请停车休息。”并且车顶的报警装置闪耀黄灯，提醒该车附近的车辆的驾驶员注意该车行驶。

参考文献：

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