DM駕駛員疲勞監測系統

駕駛員檢測系統（Driver Monitoring），最早出現于飛機、高鐵等具有自動駕駛或高階級輔助駕駛的領域中（本文只討論汽車領域的DM系統），是一種基于人體生理反應特征的駕駛員疲勞監測預警系統。目前從整體架構來講分為直接檢測和間接檢測兩類。

首先，DM系統中的直接檢測是基于圖像識別和觸控傳感技術展開的。該檢測系統通過方向盤內集成的傳感器將駕駛員的面部細節以及心臟、腦電等部位的數據進行收集，再根據這些部位數據變化判斷駕駛員是否處于疲勞狀態。往往這個過程相對繁瑣，需要對駕駛員進行多方面的數據收集。而間接檢測是針對駕駛員駕車行為分析，即通過記錄和解析駕駛員轉動方向盤、踩剎車等行為特征，判別駕駛員是否疲勞。

下圖為DM系統判定駕駛員駕駛狀態的認知維度表，分別從任職工作負荷（Cognitive workload）、駕駛習慣（Driving style）、物理位置（Physical position）、身體狀況（Medical condition）四個維度判斷。

現階段主流車系的應用方案

目前豐田的DM方案是由豐田旗下的Denso提供的，主要應用在雷克薩斯以及豐田商用車上。該方案采用一臺NIR的紅外傳感器與一體化ECU組成，裝配在駕駛員位置。通過攝像頭對駕駛員面部狀態以及眼睛的開合頻率進行數據采集，從而判斷車輛的行駛狀態。此方案具有相當高的識別率，但是裝配成本相對較高。

而現階段德系車型的DM方案都是基于方向盤轉向角速度的單向變化率來進行判斷的。同時通過車內硬件配置的使用情況將車速、行程、發動機狀態、轉向角、橫向加速度、偏轉率、車門的情況、安全帶的情況、時間信號等操作進行綜合運算之后，得到一個駕駛員的情況。但是由于系統僅對汽車內部情況進行分析，缺少其他維度的支持，得到的數據存在一定的偏差。

相較于德系的方案，福特的技術就更加討巧。該方案為了進一步提高整個算法的準確性，將車輛行駛軌跡、駕駛員行為、周圍環境以及生物監測信息四個維度進行檢測。數據的豐富性使得福特的DM系統的準確性大幅度提升，但是對于系統本身硬件來說，數據的運算能力需要一個單獨的模塊進行整合。

通過比較可以發現，市場上的DM系統很難將測量準確性和裝配成本這兩者之間進行平衡，所以現階段基于圖像技術的DM系統是最優的選擇。

疲勞檢測電路

人體疲勞測試器的電路如圖所示，它實質上是一個由555時基集成電路A為核心元器件而構成的，是頻率可調式無穩態自激多諧振蕩器。A所輸出的振蕩信號直接驅動發光二極管VD產生同步閃光，通過觀察閃光來自我測試身體。尤其是眼睛是否疲勞。

眾所周知，人的眼睛有一個重要的被稱為“視覺暫留特性”（也稱“視覺惰性”）的現象。即人們所看到的物體消失后，其圖像在眼睛中并不會隨之立即消失，而是仍將留下0．1～0.2秒的短暫視覺印象。正是由于人眼有這個特性，所以人們看電影、看電視和在普通熒光燈下工作時，雖然上述這三樣東西都存在著一定的閃動頻率，但人眼所看到的畫面或運動物體等卻是連續的，而不是閃動或斷續的。實踐證明：當頻率連續可調節的閃光作用于人眼時，人眼對斷續閃光剛剛產生連續融合感覺的頻率（稱“臨界閃爍頻率”），與人的疲勞程度和飲酒量等有關。當人疲勞、尤其是用眼過度時，人眼的視覺暫留時間會延長，所感覺到的臨界閃爍頻率將會顯著下降，人體疲勞測試器正就是利用這一參數變化來測試人的疲勞程度的。

電路工作過程：閉合電源開關SA，由555時基集成電路A及其外圍阻容元器件構成的自激多諧振蕩器通電工作。剛接通電源時，電容器C兩端電壓為0V，A的輸出端第3腳為高電平，發光二極管VD（LED）點亮。隨著電池G通過電阻器R1、電位器RP和電阻器R2對C的不斷充電，C兩端電壓不斷上升。當C兩端充電電壓達到2／3VCC（Vcc表示A的工作電壓）時，A內部電路翻轉，其第3腳輸出變為低電平，VD熄滅；同時，A的第7腳內部所接放電三極管導通，C通過R2、RP和A的第7腳放電。當C兩端電壓放電至1／3Vcc時，A內部電路再次翻轉，A的輸出端第3腳又一次變為高電平，VD再次點亮。如此周而復始，形成無穩態振蕩，并使VD發出同步閃爍光來。調節RP可改變電路的振蕩頻率，從而使VD閃爍頻率在一定范圍內連續可調。R3是VD的限流電阻器，它的阻值大小決定了VD發光時的亮度。

對于VD發出的按一定頻率閃爍的亮光，不疲勞的人可以準確地看出亮光在閃爍。而疲勞的人由于視覺暫留時間延長，便不能夠看出亮光在閃爍。通過改變VD發光的閃爍頻率，讓被測者判斷亮光是否閃爍，即可測試出被測試者是否疲勞以及疲勞的程度等。由于大多數人在正常情況下所能感測到的臨界閃爍頻率為30～40Hz，所以我們將RP的頻率調整范圍設計在20～60Hz之間。

A選用NE555或μ A555、LM555、5G1555等型555時基集成電路，它是一種模擬、數字混合集成電路，其引腳功能如圖所示。555時基集成電路具有定時精確、驅動能力強、電源電壓范圍寬、外圍電路簡單及用途廣泛等特點。非常適合電子愛好者制作時使用。

VD用普通φ5mm紅色發光二極管。如BT-204型等。這里采用發光二極管VD做發光源，和小白熾燈泡比較而言，具有發光惰性小、工作頻率高、耗電省及壽命長等特點。

R1～R3均用RTx-1／8W型碳膜電阻器。RP用WS5—1型小型有機實芯電位器，亦可用WH9—1型合成膜電位器等oC用C14D型獨石電容器oSA用CKB-1型撥動開關。G用6F22—9V型疊層干電池。

如上圖所示為該測試器的印制電路板接線圖，印制電路板實際尺寸約為40mm×25mm。

焊接好的電路板按照下圖所示，裝入體積合適的絕緣密閉小盒（如塑料香皂盒等）內。盒面板開孔固定電源撥動開關SA，并分別開孔引出發光二極管VD的發光帽、伸出電位器RP的軸柄。在RP的軸柄上安裝一只合適的旋鈕，并在面板上刻出旋鈕調節擋位。電池G通過帶引線的電池扣板與電路板接通。電池扣板可從廢舊疊層干電池上拆取，并焊上引線即行。由于電池扣板與疊層干電池之間的接觸扣是凹凸相扣，所以在電池扣板上，應是凹扣接電路正極引線，凸扣接電路負極引線。

制作成的人體疲勞測試器，只要元器件質量保證，接線無誤，不須任何調試便可滿意工作。由于采用發光二極管VD做光源，所以不論在白天或夜晚均可使用。

使用時，一般可采取對比測試法。讓被測試者觀察圖4所示發光二極管VD的閃光，并順時針方向緩慢旋轉電位器RP的旋鈕（指示刻度由0至10），閃光頻率隨之不斷提高。當被測試者觀察不出VD的間斷閃爍時，這時如果別人（已知是不疲勞者）仍能看出 VD的間斷閃爍，說明被測試者已疲勞；如果別人也同樣看不出間斷閃爍。則說明被測試者不疲勞。

也可采取自我測試法。在已知自己不疲勞時（可在休息良好、身體恢復得最為徹底的星期天早晨醒來時進行），順時針方向緩慢轉動電位器RP旋鈕（指示刻度由O至10），在疲勞測試器上找出剛剛不能看出VD間斷閃爍的一點（即“臨界閃爍頻率”點），并做好記號，將刻度劃分成為左邊的“閃爍區”和右邊的“非閃爍區（指眼睛分辨不出間斷閃爍）”兩部分。以后自我測試時，如果在“閃爍區”內的刻度處就看不出明快的間斷閃爍光，并感覺眼前直冒火星時，說明自己已經疲勞了；并且指示刻度的數字越小，說明越疲勞。