基于MM908E625和Low-G的汽車駕駛狀態(疲勞駕駛)監控
張華 吳欣
摘要： 通過采用最先進的測試技術，結合嵌入式計算機、網絡技術的應用，智能控制技術，對汽車疲勞駕駛狀態進行監控，達到減少因疲勞駕駛造成的道路交通事故的目的。
Abstract：
Key words :
我國新的《道路交通法》中，為維護道路交通安全，也明文規定了對駕駛速度、連續駕駛時間等。國外一些交通運輸發達國家也制定這方面的國家統一法規。疲勞駕駛是公路汽車駕駛特別是高速公路上的“隱形殺手”，據相關統計，從交通事故的大量案例分析中得出的結論認為：開車人因疲勞駕駛所造成的道路交通事故約占交通事故總數的20％。而疲勞駕駛在死亡交通事故的原因中卻占22％－30％，在死亡交通事故的原因中居首位，由此可想疲勞駕駛對道路交通安全的危害性。
除法規建設外，國內外的汽車廠商也設計出各種儀器設備用于疲勞駕駛link" href="http://m.jysgc.com/tags/監控" title="監控" target="_blank">監控，一種針對疲勞駕駛的紅外線眼球掃描儀在美國研制成功，這種眼球掃描儀外形如同一個小型攝像機，使用也很方便，只要把它安裝在儀表盤上，讓鏡頭對準司機，掃描儀就會連續發出紅外線信號來掃描司機眼球中的眼白部分，同時判斷出疲勞程度并發出“減速停車”、“休息一下”等警告信號。雷諾、尼桑等產業巨頭長期研發克服疲勞駕駛一種監視系統,因理論技術應用缺陷仍無法商業推廣。日本豐田公司研制的疲勞報警裝置，只要駕駛員在操縱轉向盤時有一點遲鈍，或脈搏有一點異常變化，該裝置就能測出這些反應，并發出警告，令座墊振動或自動剎車。
日本東京大學研制出的疲勞測試器，可戴在司機的手腕上。該測試器內部裝有一小型氧氣電池電極，能測量司機汗液中的乳酸、氨和酒精含量，然后通過小型無線電發射器把數據傳送到研究中心。研究中心通過電腦分析，判定司機的疲勞程度，及時向司機發出警告，避免交通事故的發生。國內也有可有效預防駕駛員違章駕駛、遏制重大交通事故的“汽車行駛記錄儀”通過鑒定的報道。
以上這些方法因這樣或那樣的問題，達到實用都存在一定的困難。隨著電子技術的飛速發展，通過采用最先進的測試技術，結合嵌入式計算機、網絡技術的應用，智能控制技術，對汽車疲勞駕駛狀態進行監控，達到減少因疲勞駕駛造成的道路交通事故的目的。
設計概述
本設計的目標是應用現代電子技術的最新發展成果，用Motorola公司為第五屆嵌入式微處理器“Freescale杯”提供的芯片和傳感器，設計基于MM908E625和Low-G的汽車駕駛狀態（疲勞駕駛）監控儀。
監控儀特性：
1．方向盤的轉向軸、油門踏板和剎車踏板多點監控。
2．加速度傳感器信號獨立處理，確保實時性。
3．LIN總線網絡，實現汽車中的分布式電子系統控制。
4．互動平臺：駕駛路況選擇，更有利于控制系統監控。提供聲光、震動報警提示。
5．大容量數據存儲和采集，大屏幕LCD顯示，異動駕駛時間段數據查詢。
6．神經元網絡技術、模糊控制和專家系統。
汽車駕駛狀態（疲勞駕駛）監控儀的基本思路是當駕駛員正常駕駛、短距離駕駛、短時間駕駛時，沒有疲勞駕駛問題，這時監控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進行數據搜集，建立駕駛習慣數學模型，并根據不斷采集的數據進行修正。
隨著連續駕駛時間的增加，監控儀自動進入疲勞駕駛監控狀態，如果駕駛員有疲勞癥狀，必然會反映出與正常駕駛不同的偏差。如：突然急剎車的頻率增加、連續大油門時的方向盤突然轉向，油門踏板的平穩性變化等。結合神經元網絡技術、模糊控制和專家系統，組成對駕駛員的駕駛狀態的監控，增加與駕駛員的互動平臺，向駕駛員提出駕駛指示、報警等。本人已在自己的自動波車上作過一些嘗試，并取得成果。
加速度傳感器Low-G分別被安裝在方向盤的轉向軸、油門踏板和剎車踏板上，由MCU/DSP嵌入式微處理器MM908E625對傳感器的信號進行處理，并組成LIN總線網絡。
傳感器除了采用加速度傳感器Low-G外，還需要速度和位置傳感器。
硬件描述
1.硬件系統構成：
系統主節點為嵌入式PC機，配置PIII處理器、觸摸屏提供交互式界面，主節點PC機完成數據庫的建立、更新，智能控制程序運行和對LIN子節點的通訊管理。交互式界面提供路段、路況、測控時間等選擇，對駕駛狀態的等級提示和報警等。
主節點經過LIN接口板連接到四個LIN子節點，LIN子節點以MM908E625為核心，對加速度、發動機轉速、車速、節氣門開度和制動踏板位置等物理量進行檢測和信號預處理，其中第一、二、三子節點對方向盤的轉向軸、油門踏板和剎車踏板加速度傳感器Low-G信號獨立處理。第四個LIN子節點對發動機轉速、車速、節氣門開度和制動踏板位置，發動機轉速、車速采用霍爾脈沖式傳感器，節氣門開度、制動踏板位置采用霍爾線性傳感器。
實驗表明：加速度信號更能反映汽車駕駛者在正常駕駛和疲勞駕駛時，對車輛的方向盤的轉向軸、油門踏板和剎車踏板這三個關鍵部件的操控效果的不同，正常駕駛時加速度信號的輸出電壓在中心點電壓±0.5V變化，而疲勞駕駛時加速度信號的輸出電壓在中心點電壓±1V變化，且加速度信號變化的頻度大于正常駕駛的情況。
第四個LIN子節點的測量信號作為模糊控制器的輸入限定條件。
硬件系統結構框圖如圖（1）所示：
圖（1）硬件系統結構框圖
2.加速度計LIN子節點：
(1). 速度計LIN子節點原理圖（2）及加速度測量模塊圖（3）：
圖（2）LIN子節點原理圖 圖（3）測量模塊
(2). 加速度計LIN子節點的設計及結構安裝：
MMA6260Q為XY雙軸向傳感器，為保證獲得較理想的加速度測量，加速度計設計成帶LIN接口，物理尺寸為5X5X2CM的測量模塊，直接安裝在油門開度踏板、制動踏板和方向轉軸上。油門開度踏板和制動踏板測量模塊垂直安裝，確保X軸方向可測量踏板的加速度信號，Y軸方向測量車輛運行中平均震動信號。方向轉軸測量模塊水平安裝，確保XY軸方向可測量方向盤轉向的加速度信號。
3.傳感器簡介：
除用于加速度測量的Low-G外，還有以下傳感器。
節氣門（油門）開度傳感器：節氣門由駕駛員操縱，直接反映駕駛員的控制意圖，因此是判斷發動機工況的重要信號。節氣門位置傳感器安裝在節氣門軸的尾端，采用霍爾線性傳感器。經傳感器信號調理板處理后，由LIN子節點測量模塊檢測搜企網，節氣門完全關閉時，傳感器輸出電壓等于0V；節氣門完全打開時，輸出電壓等于5V。當節氣門不斷開大時，其輸出電壓隨之線形增加。
發動機轉速、車速傳感器：采用霍爾脈沖式。經傳感器信號調理板脈沖整形電路處理之后，由主芯片的輸入捕捉口進行脈沖捕捉。對應發動機轉速1500rpm-8000rpm的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。對應車速60KM/h-180KM/h的范圍，接口板輸出對應0V－5V變化。
智能控制（模糊控制器）設計
汽車駕駛狀態（疲勞駕駛）監控的對象是相當復雜的系統控制問題，是屬于多輸入－多輸出的模糊控制系統范疇。人的駕駛習慣，不同的路況，不同駕駛時段反映到對車輛的操控，會產生相當不同的汽車駕駛狀態。
各種對車輛的操控，作為輸入量，表現為節氣門（油門）開度、制動踏板的位置、發動機轉速、車速的變化、速度的變化（即加速度），方向盤轉向的角度和角加速度等。車輛在不同的路況下產生的震動作為輸入量，也會影響到傳感器的測量，特別是對加速度傳感器的影響，對震動信號由LIN子節點測量模塊按“平均震動信號強度”在信號預處理程序中減弱或消除。作為輸出量，表現為對車輛的駕駛狀態的優劣，分為“好”、“中”、“差”三個等級。在設計控制規則庫時，把多輸入－多輸出模糊控制結構化為多輸入－單輸出模糊控制結構，然后按單輸入－單輸出模糊控制系統的方法設計，實現多變量控制系統的模糊解耦。
實驗數據表明，疲勞駕駛階段，反映到汽車駕駛狀態上，表現為對節氣門（油門）開度、制動踏板和方向盤轉向的加速度信號的改變比正常駕駛時期的加速度信號的改變在信號的幅值和頻度有明顯的不同。本課題采用FreeScale的Low-G系列雙軸向加速度傳感器MMA6260Q，對所需的加速度信號能準確地、實時地采集，作為模糊控制器的輸入變量的一個重要參數。
本研究課題早期對疲勞駕駛的研究主要通過測量油門開度、制動踏板位置和發動機轉速、車速的變化等參數，這些參數間接地、滯后地反映駕駛狀態的變化，這些參數可作為模糊控制器在各種不同駕駛狀態的限定條件，結合加速度的測量，建立模糊控制規則。
對應于油門開度、制動踏板位置和方向盤轉向軸三種類型的變量建立三套模糊控制器模型，以下以油門開度作為變量說明模糊控制器的設計。
1．糊化過程：
設油門開度模糊控制的輸入量分別為油門開度s，發動機轉速n、車速v和油門開度加速度a。將加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個等級（即五個模糊子集）。控制器的輸出為對車輛的駕駛狀態的優劣(以H表示)，分為“好GOOD”、“中MIDDLE”、“差BAD”三個等級。為了實現模糊化，確定油門開度加速度a模糊子集的隸屬度函數如下圖（4）所示。為了按照一定的語言規則進行模糊推理，確定輸出量即反映駕駛狀態的優劣的隸屬度函數如下圖（5）所示。
圖（4）加速度a隸屬度函數圖 圖（5）駕駛狀態隸屬度函數圖
2．模糊控制規則的建立
對應于油門開度模糊控制規則庫的建立，與油門開度s，發動機轉速n、車速v在不同的數值范圍的取值具有交互性和關聯性。規則庫的建立需要在程序運行中不斷搜集數據，通過自學習確定方法和模糊規則的自調整，在實驗過程中不斷修正和完善。
模糊控制規則重點處理影響車輛駕駛狀態的優劣“差”和“中”的工作過程。其中，“差”駕駛狀態的規則對應于油門開度s分為0，1，2－9共十段，發動機轉速n分為1000rpn、1500rpn-5500rpm共十段,車速v分為60km/h、70km/h-150km/h共十段,和加速度劃分成“負大NB”、“負小NS”、“零ZE”、“正小PS”、“正大PB”五個等級，可歸納為有效控制規則八十六條規則。
模糊控制規則(L)公式：如果(IF)油門開度s為x段[和(AND)]V[或(OR)]發動機轉速n為y段[和(AND)]V[或(OR)]車速v為z段，且加速度為等級m，則（THEN）駕駛狀態為“S”。
3．精確化計算
對應于上述推理方法得到的結果，結合車輛正常駕駛時采集的數據建立的數據庫分析，對加速度等級出現的頻度，根據輸出模糊子集的隸屬度函數進行精確化計算，確定車輛駕駛狀態的優劣“差”和“中”，由交互界面提供操作提示和報警。
軟件描述
1.數據庫建立：
駕駛狀態模糊控制器數據庫的建立和數據更新是本課題設計的重要部分SOOQ.cn版權所有，汽車正常駕駛時，系統設定為連續駕駛的前兩個小時為正常駕駛，在這段時間內監控儀的工作是對駕駛員的駕駛習慣進行數據搜集，按設定量化等級作數據的線性化量化，對應于油門開度、制動踏板位置和方向盤轉向軸三種類型的變量的不同量綱，按比例因子對數據處理，依據模糊子集的隸屬度函數模糊化數據。
為了消除大的誤差，在量化級之間采用插值運算，引入權系數因子w(.)，對于任意一個連續的測量值通過相鄰的兩個離散的加權運算得到模糊度的值。在模糊化數據建立數據庫的基礎上，生成正常駕駛習慣數學模型，并根據不斷采集的數據進行修正。隨著連續駕駛時間的增加（大于兩個小時或采集數據的變化超出駕駛狀態監控指標），監控儀自動進入疲勞駕駛監控狀態。
2.軟件框圖
(1).PC機程序設計：
PC機程序用C語言編寫，完成數據庫的建立和維護、對LIN-BUS網絡的管理、模糊控制器算法和規則的運算、交互界面的輸入輸出控制。軟件框圖如圖（6）所示。
圖（6）PC機軟件框圖
(2).測量模塊程序設計：
測量模塊是以MM908E625單片機為核心的數據采集器，程序用CodeWarrior3.1CW-HC083.0設計，測量模塊軟件框圖如圖（7）所示。
圖（7）測量模塊軟件框圖
結論
智能控制技術應用于汽車疲勞駕駛監控課題是一個相當復雜和具有相當難度的研究方向，通過對LIN-BUS網絡的研究，以MM908E625、Low-G加速度傳感器和其他傳感器與嵌入式PC機建立起這樣一個硬件平臺，實現對汽車駕駛狀態在正常駕駛、短距離駕駛、短時間駕駛的數據庫的建立，規則庫數據的修正，疲勞駕駛狀態監控。對油門開度、制動踏板位置和方向盤轉向軸等三種主要影響駕駛狀態的因數，設計出模糊控制器，從理論和硬件實現兩方面做了有益的探討，雖然離實際應用和產業化有一定的距離，但是為進一步完善該系統的設計打下了良好的基礎。
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