基于FPGA的疲劳驾驶检测系统

摘要：驾驶员疲劳驾驶是造成交通死亡事故的重要原因之一。目前检测疲劳驾驶主要有检测驾驶员生理变化指标、驾驶员外部特征变化或者驾驶员行为及其引起的车辆运动特征的变化等几种方法。本项目利用加速度传感器检测疲劳驾驶，以FPGA作为嵌入式控制核心，控制加速度传感器采集车辆行驶时的转向加速度与驾驶员头部运动状态等信号，经过相关算法对数据进行处理后得出驾驶员疲劳值，通过TFT显示屏显示相应的信息，在疲劳值超出预设值时将进行语音提示，用户可以通过触摸屏输入进行操作。系统具有准确、便捷、成本低的特点，具有极大的社会价值和商业价值。

 

1项目背景

1.1研究背景

1.1.1疲劳驾驶的社会危害

驾驶疲劳，是指驾驶人在长时间连续行车后，产生生理机能和心理机能的失调，而在客观上出现驾驶技能下降的现象。驾驶人睡眠质量差或不足，长时间驾驶车辆，容易出现疲劳。驾驶疲劳会影响到驾驶人的注意、感觉、知觉、思维、判断、意志、决定和运动等诸方面。疲劳后继续驾驶车辆，会感到困倦瞌睡，四肢无力，注意力不集中，判断能力下降，甚至出现精神恍惚或瞬间记忆消失，出现动作迟误或过早，操作停顿或修正时间不当等不安全因素，极易发生道路交通事故。

 

交通事故统计分析表明，驾驶员疲劳驾驶是造成交通死亡事故的重要原因之一。日本的事故统计揭示，因疲劳产生的事故约占1~1.5%。法国国家警察总署事故报告表明，因疲劳瞌睡而发生车祸的，占人身伤害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。而在高速公路上，通过对2010年1月至12月因疲劳驾驶而发生交通事故致人死亡的案例分析，90%以上是由货运司机疲劳驾驶造成的。

 

因此，检测疲劳驾驶，对预防交通事故的发生有重要意义。

 

1.1.2基于加速度传感器疲劳驾驶检测的优越性

目前检测疲劳驾驶的方法主要有以下几种：

• 利用生理传感器检测驾驶员的生理变化指标，如脑电、心电、心率、呼吸等；

• 检测疲劳驾驶时驾驶员的外部特征变化，如眨眼、点头；

• 检测驾驶员行为及其引起的车辆运动特征的变化，如换挡，油门以及车辆加速度、车载车道中的位置等。

 

利用加速传感器的疲劳驾驶检测方法隶属于第三种。现有的产品中，第一种会使用到带有侵入性的生理传感器，让驾驶员十分不舒服，因而使用范围十分有限；第二种主要是利用机器视觉检测眨眼或者瞳孔大小变化，它的优点是检测精度高，但是受光线等外界环境影响比较大。第三种是属于车载传感器，因而使用起来十分方便，完全可以集成到车辆中，具有广泛的应用前景。

 

1.1.3应用拓展

当产品足够成熟时，它将得到广泛的应用。

• 如果实现联网，当出现异常车辆运动状态，判定为交通事故，可以实现报警，并且通知其他车辆，避免出现交通拥堵；

• 如果能将司机的疲劳驾驶行为记录在案，传送给交通部门，可以作为驾驶员的信用记录，便于交通部门管理和执法。

 

1.2项目意义

在“以车代步”、物流快速发展的今天，检测疲劳驾驶，预防交通事故，为每一个家庭护航，有利于维护社会稳定，具有重要意义。通过检测车辆运动特征的疲劳驾驶检测方法具有准确、便捷、成本低的特点，但是目前，世界上还没有通过检测车辆运动特征的疲劳驾驶检测系统，基于加速度传感器的疲劳驾驶检测仪的出现填补了这方面的空白，研究具有极大的社会价值和商业价值。

 

2项目方案

2.1系统概述

2.1.1产品模型图

如图 2-1所示是产品TFT显示屏面板示意图。

图 2-1  系统TFT显示屏面板

 

本检测仪LCD面板由四个部分组成：

• 疲劳曲线绘制区：本区间占面板绝大部分，形象的再现驾驶员驾车过程中的精神状态，有利于分析疲劳程度的趋势，做出有效预测。

• 信息提示区：本区分为三个部分，疲劳进度条可以更加直观的反应当前时刻的疲劳程度；状态指示灯指示是否到达疲劳警戒线，当到达警戒线时它会变成红色；文字提示疲劳程度。

• 功能按钮区：功能按钮区有三个键，暂停键是在特殊情况是暂停记录，历史记录按钮可以点出客户想看的疲劳驾驶曲线，设置键主要设置时间。

• 时间和电量显示区：显示当前时间和剩余电量。

 

2.1.2产品功能概述

基于加速度传感器的疲劳驾驶检测仪主要有以下几项功能

1. 实时监测车辆运动参数，识别驾驶员是否处于疲劳驾驶状态；

2. 语音报警功能；

3. 记录驾驶状态历史，便于驾驶员分析规律，养成良好驾驶习惯。

 

2.1.3系统框图

系统以FPGA作为嵌入式控制的核心，FPGA芯片选择Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲劳检测系统主要由嵌入式控制单元、存储单元、传感器电路、电源电路、语音电路、外围接口电路等部分组成。

图 2-2  系统结构框图

 

系统利用加速度传感器采集车辆行驶时的转向加速度与驾驶员头部的运动状态等信号，传输到CPU，通过算法加速模块计算出当前的疲劳值后，将结果以疲劳曲线的形式绘制在TFT显示屏上。一定时间后将疲劳值信息存储到SD卡中，方便后续的查看。用户可以通过电阻式触摸屏实现人机交互，如查看历史记录。

 

各部分功能如下：

• 控制单元：负责管理硬件资源和软件任务间的通信和调度，实现界面显示和用户交互，采集加速度传感器的信息，通过算法计算出疲劳值，控制电池的充放电以及语音报警提示。

• 存储单元：存储Bootloader、Linux内核镜像以及用户应用程序，以实现嵌入式系统的正常运行。在用户存储空间保存用户的疲劳信息，以便查看。

• 外围接口模块：实现系统与外围设备的通信。如UART、I2C、SPI、VGA等接口。有些特殊器件通过设计相应的接口IP实现通信。

2.2疲劳检测原理

本系统通过加速度传感器，提取车辆行驶的最基本加速度和转向角信息，在通过数学变换得到车速标准差、加速度小波分解的edl尺度归一化能量、加速度小波熵、转向角小波熵、转向角的小波分解的ca5尺度的归一化能量、转向角速度的标准差和转向角速度的能量等七个参数作为检测疲劳驾驶的特征量。下面介绍这些特征量的生成方法。

 

1. 特征生成

• 标准差的生成

标准差是一组数据平均分散程度的一种度量，依据以下方法计算：

• 转向角速度能量

(2-2)

• 小波熵的生成

(2-3)

为 概率，且 =1。

• 小波分解的某一尺度归一化能量

(2-4)

式中， 为i尺度下的能量， 。

 

1. 基于主成分分析的特征提取

主成分分析法（Principle Component Analysis，PCA）是一种利用变量间的线性关系对多维信息进行统计压缩的方法，能够有效解决输入相关性问题。

 

主成分分析的主要思想是，对于总体 ，将其主成分定义为这个P维向量的线形组合 ，则：

• 是X的线性函数，即要求 ， 是 维待定常数向量，

• i=1，2，⋯，k。

• 要求 尽可能大，即 能充分反映X的变化情况，i=1，2，．．．，k。

• 要求 互不相关，即 ，i，或者 之间尽可能不含重复信息。

这样的 均称为X的主成分。从几何上讲，样本点 在P维空问形成了一个P维球形状的云团，主成分分析就是通过提取云团散布最大的那些方向的方法，达到对特征空间进行降维的目的。

 

2.2.1模式识别算法

本系统在实验阶段尝试了四种疲劳驾驶模式识别算法，他们分别是：模糊聚类算法、BP神经网络算法、RBF神经网络算法、PNN神经网络算法。几种识别算法的比较见下表：

 

表格 2‑1  几种算法的比较

算法名称	识别效果	收敛速度
模糊聚类算法	准确率80%左右	收敛速度较快
BP神经网络算法	准确率90%以上	收敛速度慢，有时未收敛
RBF神经网络算法	准确率70%左右	收敛速度快
PNN神经网络算法	准确率90%左右	收敛速度快

综合考虑识别正确率和收敛速度，PNN神经网络算法的识别效果较好，收敛速度最快，最适合于在实时状态下运用。

 

2.3加速度传感器模块

现在市面上出现的检测仪大部分是基于摄像头的检测系统，使用摄像头检测，不仅功耗高，待机时间短，而且摄像头检测会让驾驶员有一种被窥视的感觉，影响驾驶员情绪，不利于驾驶员的正常驾驶。而我们的检测仪是基于加速度传感器的检测系统。使用加速度传感器不仅能检测驾驶员的行车状态，还能检测车辆的行驶状态，将两者的状态相互结合，可以得出比其他产品更加精确的结果。而且使用加速度传感器还能降低产品功耗，增加待机时间。

 

在本系统中，我们使用美新公司的数字化热对流方向定位传感器（DTOS）MXC6225XU来收集基本运动信息。MXC6225XU是一款低功耗，低成本，高精度的两轴运动定位传感器。它拥有整个加速度计产品中最低的零重力偏移量，范围在整个运行的+/- 50mg 。MXC6225XU它输出的是两个垂直方向加速度8bit数字信号，最大值 ，采用 接口与外部通信。

 

总线接口都是开漏或者开集电极输出，因此需要接上拉电阻。传感器外围电路如下：

图 2-3  加速度传感器应用电路

 

2.4LCD触摸屏模块

传感器检测到信息后，为了方便驾驶员及时的调整驾驶状态，需要及时的将信息反馈给驾驶员，最直观的方式就是图表和数字。对于车载的显示屏，综合考虑车上的空间和能让驾驶员能清晰的看见显示屏上的数据等因素，我们选用5寸的TFT-LCD显示屏。同时为了让驾驶员能方便的对检测仪进行操控，我们选择便捷的LCD触摸屏方案来实现人机交互。

 

TFT-LCD触摸屏模块包括TFT-LCD控制器（包括触摸屏控制器）、TFT-LCD显示屏、触摸屏三个部分。当检测到触摸屏上某一点被按下时，TFT-LCD控制器会记下触点的X和Y的坐标，同时向MCU发送一个中断的请求，接收到中断的请求后，MCU会读取存储的坐标值和触点所包含的控制信息。接收到这些信息后并进行处理后，MCU会通过控制TFT-LCD控制器来控制LCD显示屏显示信息。TFT-LCD模块的结构框图如下图所示：

图 2-4  TFT-LCD显示模块框图

 

TFT-LCD控制器我们选用RA8870, RA8870是一个文字与绘图模式的液晶显示（TFT-LCD）控制器，可结合文字或2D 图形应用。RA8870内建内存能4K 色320*240 双图层显示。

 

RA8870还包括一些强大的图形处理功能，如画面旋转功能、卷动功能、图形Pattern、双层混合显示和文字放大等等，这些功能将可节省用户在中小尺寸TFT 屏应用的开发时间，并且提升MCU 软件的执行效率。

 

RA8870内建一组10位ADC和控制电路，以连接四线或五线电阻式的触摸屏。触摸屏控制器的工作模式我们选用自动模式中的外部中断。只要开启触摸屏，选择自动模式与开启触摸屏中断功能，当硬件中断发生或寄存器，代表RA8870 已经将用户“Touch”到触摸屏的坐标存在寄存器中了。为了准确的检测到触摸，控制器采用延迟一段取样时间的方式來等待信号变稳定，避免触摸屏被接触的瞬间信号还不稳定。

2.5语音报警模块

驾驶员进入疲劳状态时，对外界的反应很差，注意力不集中，不一定能看见显示屏上的图标和文字提醒，这时要想提醒驾驶员安全驾驶，把驾驶员唤醒，必须用大音量醒目的声音来刺激驾驶员，使驾驶员恢复清醒，所以必须使用语音芯片进行语音警告。

 

我们选用是WTV040系列语音芯片，它是一款一次性编程语音芯片。工作电压为DC2.5～3.6V，省电模式时耗电 2uA，在省电模式下，芯片上电后1秒钟或者语音停止播放后1秒自动休眠。当语音为6K采样频率时，存储的语音长度可达到40秒，音频输出为PWM或DAC模式，PWM模式输出时可以直接推动0.5W/8Ω的扬声器，DAC模式输出需要外接功放来驱动扬声器。图 2-5基于三串口模式的芯片应用电路。

图 2-5  WTV040语音芯片应用电路

 

2.6SD卡模块

SD存储卡被广泛地应用于便携式产品中，由于具有体积小、记忆容量高、数据传输率快、移动灵活性好以及安全性高等特点，成为嵌人式设备中最常见的存储媒介。本系统利用SD卡作为存储设备，存储检测的波形，方便历史记录的查看。

 

SD卡有两个可选的通讯协议：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡标准的读写方式，但是在选用SD模式时，往往需要选择带有SD卡控制器接口的MCU，或者必须加入额外的SD卡控制单元以支持SD卡的读写。在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在SPI模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换，并且目前市场上很多MCU都集成有现成的SPI接口电路，采用SPI模式对SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。

 

SD卡提供9Pin的引脚接口便于外围电路对其进行操作，9Pin的引脚随工作模式的不同有所差异。在SPI模式下，引脚1(DAT3)作为SPl片选线CS用，引脚2(CMD)用作SPI总线的数据输出线MOSI，而引脚7(DAl．0)为数据输入线MlSO，引脚5用作时钟线(CLK)。除电源和地，保留引脚可悬空。

图 2-6  SD卡接口电路

 

2.7电源模块

如果使用家用车供电，那么便会使得导线外接，不仅不美观，减短使用寿命，还会对驾驶员得驾驶造成影响，我们采用方形的3.7V锂电池供电。

 

由于系统内部的不同模块需要不同的电压供电，锂电池的3.7V输出不能满足供电需要，所需要升压和降压电路来满足不同原件的供电需求。FPGA工作电压为3.3V；语音芯片够做电压为3.3V；TFT显示屏工作电压为5.0V。

图 2-7  电源模块框图

 

其中充电管理芯片使用BQ2057，该芯片的充电器外围电路及其简单，非常适合便携式电子产品的紧凑设计需要。BQ2057可以动态补偿锂电池组的内阻以减少充电时间；内部集成的恒压恒流器带有高/低边电流感测和可编程充电电流，充电状态识别可由输出的LED指示灯或与主控器接口实现，具有自动重新充电、最小电流终止充电、低功耗睡眠等特性。应用电路如下：

图 2-8  BQ2057应用电路

 

如图 2-9，通过稳压芯片HT7333，得到3.3V输出电压，给PIC32、FLASH、语音芯片供电；如图 2-10，通过升压芯片LT1308得到5V输出电压，给显示屏供电。

图 2-9  HT7333应用电路

 

图 2-10  LT1308应用电路

 

3项目创新点

3.1新的检测方法

现在市面上出现的检测仪大部分是基于摄像头的检测系统，使用摄像头检测，不仅功耗高，待机时间短，而且摄像头检测会让驾驶员有一种被窥视的感觉，影响驾驶员情绪，不利于驾驶员的正常驾驶。

 

而我们的检测仪是基于加速度传感器的检测系统，不仅能检测驾驶员的行车状态，还能检测车辆的行驶状态，将两者的状态相互结合，可以得出比其他产品更加精确的结果。

 

3.2系统成本低、功耗小

与传统的基于摄像头的检测系统相比，不需要对大量图像信息进行采集、处理和存储，系统成本低，且功耗小。

 

3.3产品便携性好

系统体积小，操作简单，且可以放置在汽车上任意位置，便携性好。

 

3.4可拓展性好

基于MicroBlaze和嵌入式操作系统的设计，今后可以增加基于摄像头检测疲劳的模块，加速度传感器和摄像头两种检测方法，提高检测精度。

 

3.5极大的应用价值

当产品足够成熟时，它将得到广泛的应用。如果实现联网，当出现异常车辆运动状态，判定为交通事故，可以实现报警，并且通知其他车辆，避免出现交通拥堵；如果能将司机的疲劳驾驶行为记录在案，传送给交通部门，可以作为驾驶员的信用记录，便于交通部门管理和执法。