[发明专利]一种客车驾驶员工作状态检测与疲劳警示系统及方法

权利要求书

1.一种客车驾驶员工作状态检测与疲劳警示方法，其特征在于，所述方法基于一种客车驾驶员工作状态检测与疲劳警示系统实现，该系统包括工作状态检测模块(1)、警示音存储播放模块(2)、微控制器(3)、扬声器阵列装置(4)、GPS模块(10)和驻车制动检测传感器(11)，工作状态检测模块(1)、警示音存储播放模块(2)、GPS模块(10)和驻车制动检测传感器(11)通过线束与微控制器(3)的数据端口相连接，警示音存储播放模块(2)的音频接口通过线束与扬声器阵列装置(4)中的扬声器阵列(14)相连接；所述的工作状态检测模块(1)包括第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第三压力传感器(7)、第四压力传感器(8)和红外位移传感器(9)，上述四个压力传感器各自的数据端口以及红外位移传感器(9)的数据端口分别通过线束与微控制器(3)的数据端口相连接，其中，第一压力传感器(5)布置在客车的转向盘外缘上的驾驶员持握处，第二压力传感器(6)布置在客车的加速踏板板面中心位置处，第三压力传感器(7)布置在客车的制动踏板板面中心位置处，第四压力传感器(8)布置在客车的离合器踏板板面中心位置处，红外位移传感器(9)布置在客车的驾驶员座椅靠背表面上的竖直方向对称线上且距驾驶员座椅靠背上表面50mm位置处，所述的驻车制动检测传感器(11)也选用红外位移传感器，布置在客车未处于驻车制动状态即处于行车状态时驾驶室驻车制动操纵杆头部正下方；

所述的扬声器阵列装置(4)包括固定底板(12)、轨道组(13)、扬声器阵列(14)与两个薄盖板(15)，所述的固定底板(12)为abs塑料材质的矩形平板；所述的固定底板(12)布置在客车驾驶员座椅头枕内部，其整体长度及宽度尺寸小于座椅头枕尺寸以保证完全位于头枕之内；所述的固定底板(12)下端左右对称地设置有两个结构相同的底板螺栓孔，两个结构相同的底板螺栓孔与座椅头枕内部两根立柱上端左右对称地设置的两个结构相同的立柱螺栓孔对正，固定底板(12)采用螺栓与头枕内部两根立柱上端固定连接；

所述的轨道组(13)由对称布置在固定底板(12)左右两侧的两个圆弧形轨道即1号圆弧形轨道(16)、2号圆弧形轨道(17)组成；所述的1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)结构相同且对称相等，皆为与固定底板(12)相同材质的弧形部件，且1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)均为槽口朝向弧形圆心的槽型件，1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)的两端面采用端面盖板粘接封闭，1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)的槽口处粘接有薄盖板(15)；所述的薄盖板(15)与固定底板(12)材质相同且均匀地设置有结构相同的方形孔，以起到减小对扬声器声场影响及装饰作用；

所述的轨道组(13)与固定底板(12)的两侧端面通过粘接连接为一个整体且从头枕两侧伸出于头枕之外；其中，1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)分别与固定底板(12)的左、右两侧端面的中部粘接，水平布置在固定底板(12)的两侧；所述的1号圆弧形轨道(16)的圆心在空间上位于驾驶员乘坐于座椅上时的右耳位置处，所述的2号圆弧形轨道(17)的圆心在空间上位于驾驶员乘坐于座椅上时的左耳位置处，通过这样的位置布置方式使播放的警示音聚焦于驾驶员双耳，构成相对独立的声场环境，提高警示音对驾驶员的警示效果，同时减少对乘客的影响；

所述的扬声器阵列(14)包括夹持在1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)的槽内的各三个扬声器，同一圆弧形轨道内的三个扬声器分别夹持在该圆弧形轨道所对应的圆弧段两端点及中点位置，所述的扬声器阵列(14)播放警示音存储播放模块(2)内的相应内容，所述的扬声器阵列(14)所用扬声器选用索尼公司生产的型号为SRS-X11的扬声器；

所述的1号圆弧形轨道(16)与2号圆弧形轨道(17)所对应的圆弧段的确定均在驾驶员座椅靠背为铅垂位置时进行，所述的1号圆弧形轨道(16)和2号圆弧形轨道(17)所对应的圆弧段的具体确定过程为：

已知成年驾驶员正常坐在座椅上时，两耳之间的距离为2c，两耳连线中点与同一高度座椅头枕内固定底板(12)水平截面中心的距离为d，根据汽车座椅头枕尺寸已选定固定底板(12)与1号圆弧形轨道(16)、2号圆弧形轨道(17)相接点距离为2n；

以驾驶员右耳O₁作为圆的中心，以O₁为坐标原点，两耳连线所在直线为x轴，在水平面内建立平面直角坐标系，在所建坐标系内，可设圆O₁方程为：x²+y²＝R²，由上述的已知条件可知点D₁(c-n，d)在圆O₁上，将点D₁的坐标代入圆O₁的方程中，可解出即得到圆O₁方程，在所得到的圆O₁中，截取圆弧段A₁D₁即为1号圆弧形轨道(16)所对应的圆弧段；2号圆弧形轨道(17)与1号圆弧形轨道(16)结构相同且对称相等；

所述的方法具体步骤如下：

步骤1：在行车过程中，由驻车制动检测传感器(11)实时检测客车驻车制动操纵杆头部位置，并将检测信息输入微控制器(3)，由微控制器(3)判断车辆是否处于驻车制动状态，当客车未处于驻车制动状态即处于行车状态时，驻车制动检测传感器(11)位于驻车制动操纵杆头部正下方，驻车制动检测传感器(11)检测到的距离数据为其与驻车制动操纵杆头部之间的距离，当客车需要处于驻车制动状态时，驾驶员操纵驻车制动操纵杆头部使其移动至驻车制动位置，此时驻车制动操纵杆头部不再位于驻车制动检测传感器(11)正上方，驻车制动检测传感器(11)检测到的距离数据为其与客车车内位于驻车制动检测传感器(11)正上方且距离驻车制动检测传感器(11)最近的物体之间的距离，微控制器(3)根据驻车制动检测传感器(11)检测到的距离数据判断客车是否处于驻车制动状态，若处于驻车制动状态，则不进行下面步骤，若未处于驻车制动状态，则正常进行下面步骤；

步骤2：若车辆未处于驻车制动状态，在客车驾驶员驾驶过程中，由工作状态检测模块(1)中的各个传感器实时检测驾驶员驾驶过程中的各个测定参数的值，各个测定参数的值定义为测定参数值，由GPS模块(10)实时检测客车在此次营运过程中从营运起点出发后的累计行驶路程，并将检测到的各个测定参数的测定参数值及车辆累计行驶路程输入微控制器(3)；

所述的各个测定参数包括：由第一压力传感器(5)检测的驾驶员施加于转向盘的握力F₁，由第二压力传感器(6)检测的驾驶员踩踏加速踏板的踏板力F₂及每次踩踏持续时间T₁，由第三压力传感器(7)检测的驾驶员踩踏制动踏板的踏板力F₃及每次踩踏持续时间T₂，由第四压力传感器(8)检测的驾驶员踩踏离合器踏板的踏板力F₄及每次踩踏持续时间T₃，由红外位移传感器(9)检测的驾驶员脊背与红外位移传感器(9)之间的相对距离s，所述的各个测定参数的值定义为测定参数值；

步骤3：微控制器(3)实时接收由第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第三压力传感器(7)、第四压力传感器(8)及红外位移传感器(9)输入的各个测定参数的测定参数值以及GPS模块(10)输入的客车在此次营运过程中从营运起点出发后的累计行驶路程，并计算当前状态下的驾驶员疲劳程度打分值f；

步骤4：根据步骤3计算得到的驾驶员疲劳程度打分值f，微控制器(3)判断驾驶员所处的疲劳等级并控制警示音存储播放模块(2)通过扬声器阵列(14)播放针对不同疲劳程度的警示音，以在减小对驾驶员正常驾驶影响的前提下提高警示效果；

所述的疲劳等级划分如下：当0.6≤f0.75时，判定驾驶员为轻度疲劳；当0.75≤f0.85时，判定驾驶员为中度疲劳；当0.85≤f1时，判定驾驶员为重度疲劳；当0f0.6时，判定驾驶员处于正常驾驶状态；

所述的针对不同疲劳程度的警示音在客车驾驶员开始驾车前，依据自身情况通过警示音存储播放模块(2)进行设置，由于将疲劳等级划分为三级，故警示音也为三级，且驾驶员进行设置时应保证随着疲劳程度的提高，所设置的该级别警示音对驾驶员的警示效果增强；

步骤5：播放警示音过程中，工作状态检测模块(1)继续实时检测驾驶员的驾驶状态信息，若微控制器(3)判断驾驶员处于正常驾驶状态达到5s时，微控制器(3)控制警示音存储播放模块(2)停止播放警示音，并将所有驾驶员疲劳程度打分值清零，由工作状态检测模块(1)中的各个传感器继续实时检测驾驶员的驾驶状态信息；若微控制器(3)判断驾驶员未处于正常驾驶状态时，则每间隔1s时间自动提高警示音存储播放模块(2)所播放警示音的音量一次，每次所播放的警示音音量提高值均为5dB，以加强对驾驶员的警示效果；

所述的步骤3中驾驶员疲劳程度打分值f的具体计算步骤如下：

(1)测定参数值归一化处理

微控制器(3)将接收到的步骤2中所述的工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测到的各个测定参数值按照式(1)进行归一化处理，归一化处理的方法为将各个测定参数值与该测定参数在相应客车营运时段和行驶路段内的设定标准值作差后除以二者中的较大值，将所得结果取绝对值得到归一化处理结果，即：

式(1)中，x为工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测到的测定参数值；x_sd为工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测的测定参数在相应客车营运时段和行驶路段内的设定标准值；max(x，x_sd)为x和x_sd中的较大值；x_归一为工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测到的测定参数值的归一化处理结果；

所述工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测的各个测定参数在相应客车营运时段和行驶路段内的设定标准值x_sd通过测试得到，具体步骤如下：

1)原始数据采集

由驾驶员驾驶客车在设定的高峰时段及正常时段分别完成从测试路段起点至终点的行驶，在驾驶过程中，由工作状态检测模块(1)中的每个传感器实时检测该传感器检测的测定参数的测定参数值x并输入微控制器(3)，由GPS模块(10)实时检测客车从测试起点出发后的累计行驶路程p并输入微控制器(3)，完成测试路段行驶后，对于每个测定参数，均可得到在该次测试中客车从测试起点出发后的不同累计行驶路程p时的多个测定参数值x，即每个测定参数的测定参数值x在该次测试中随客车从测试起点出发后的累计行驶路程p的变化关系x(p)；所述的高峰时段选为早7:30～9:30，正常时段选为下午13:30～15:30，驾驶员可在高峰时段内的任意时间完成高峰时段的测试数据采集，在正常时段内的任意时间完成正常时段的测试数据采集；所述的测试路段选为该客车营运路线起点至终点；为减小测试过程中随机误差的影响，每个时段的测试连续在十天重复进行共十次，最终可采集到十组高峰时段内每个测定参数的测定参数值x随客车从测试起点出发后的累计行驶路程p的变化关系以及十组正常时段内每个测定参数的测定参数值x随客车从测试起点出发后的累计行驶路程p的变化关系；

2)测试路程分段及计算测定参数值的获取

在十天内完成步骤1)所述的高峰时段及正常时段的各十次测试后，将客车营运路线起点至终点的路程进行分段，分段数m取为：

式(2)中，L为客车营运路线起点至终点总路程，单位取为米；为不超过的最大整数；

将客车营运路线起点至终点的路程分段后的每一路段依次记为：

路段1、路段2、路段3、…、路段(m-1)以及路段m，每一路段内的起点至终点的路程为

以高峰时段路段1为例说明在高峰时段及正常时段内工作状态检测模块(1)中的单个传感器检测的测定参数的计算测定参数值在所划分的m个路段内的获取方法，其他所有路段在高峰时段及正常时段内工作状态检测模块(1)中的单个传感器检测的测定参数的计算测定参数值在所划分的m个路段内的获取方法相同：

在连续十天高峰时段内所进行的十次测试的第一次测试中，路段1高峰时段内工作状态检测模块(1)中的单个传感器检测的测定参数的计算测定参数值求解公式如下：

式(3)中，x_js1为第一次测试中路段1高峰时段内工作状态检测模块(1)中的该传感器检测的测定参数的计算测定参数值；x₁(p)为第一次测试中路段1高峰时段内工作状态检测模块(1)中的该传感器检测的测定参数值x随行驶距离p变化的函数关系；为对表达式x₁(p)在区间内求定积分；为路段1的起点至终点的路程；

由于分别在十天对高峰时段进行了十次测试数据采集工作，故工作状态检测模块(1)中的该传感器检测的测定参数在路段1内可获得高峰时段内的十个计算测定参数值，记为：x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10；

依据该方法，最终可获得工作状态检测模块(1)中的单个传感器检测的测定参数在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m高峰时段内的各十个计算测定参数值以及正常时段内的各十个计算测定参数值；

按照上述方式，可获得工作状态检测模块(1)中的每个传感器检测的测定参数在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m高峰时段内的各十个计算测定参数值以及正常时段内的各十个计算测定参数值；

3)剔除异常数据

以路段1高峰时段内工作状态检测模块(1)中的单个传感器检测的测定参数的十个计算测定参数值数据x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10为例说明应用拉依达准则辨别及剔除异常数据，以及单个测定参数在路段1高峰时段内的设定标准值的求解过程：

对单个传感器检测的测定参数的十个计算测定参数值数据x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10应用拉伊达准则的步骤如下:

a.计算x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10的算术平均值：

b.计算x_js1、x_js2、x_js3、x_js4、x_js5、x_js6、x_js7、x_js8、x_js9和x_js10的标准差估计：

c.如果存在计算测定参数值x_jsi使得：

则认为该x_jsi为异常数据，应该剔除，剔除异常数据后对剩余未被剔除的计算测定参数值数据重新应用拉伊达准则，直至没有异常数据为止；

应用拉伊达准则剔除异常数据后，取最终剩余未被剔除的计算测定参数值的算术平均值作为该测定参数在路段1高峰时段内的设定标准值，即：

式(6)中，x_sd为该测定参数在路段1高峰时段内的设定标准值；x_jsm为最终剩余未被剔除的计算测定参数值数据；n为最终剩余未被剔除的计算测定参数值数据个数；

根据以上过程可得到第一压力传感器(5)检测的驾驶员施加于转向盘的握力F₁在路段1高峰时段内的设定标准值为F_1sd，第二压力传感器(6)检测的驾驶员踩踏加速踏板的踏板力F₂及每次踩踏持续时间T₁在路段1高峰时段内的设定标准值分别为F_2sd及T_1sd，第三压力传感器(7)检测的驾驶员踩踏制动踏板的踏板力F₃及每次踩踏持续时间T₂在路段1高峰时段内的设定标准值分别为F_3sd及T_2sd，第四压力传感器(8)检测的驾驶员踩踏离合器踏板的踏板力F₄及每次踩踏持续时间T₃在路段1高峰时段内的设定标准值分别为F_4sd及T_3sd，红外位移传感器(9)检测的驾驶员脊背与红外位移传感器(9)之间的相对距离s在路段1高峰时段内的设定标准值为s_sd；

依据上述方法，最终高峰时段内每个测定参数在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m中的每个路段内均可获得一个该测定参数的设定标准值，正常时段内每个测定参数在路段1、路段2、路段3…、路段(m-1)以及路段m中的每个路段内均可获得一个该测定参数的设定标准值；

(2)根据各个测定参数值的归一化处理结果以及各个测定参数所占权重计算驾驶员疲劳程度打分值f；

所述的工作状态检测模块(1)中的各个传感器检测的测定参数所占权重的设定如下：

第一压力传感器(5)检测的测定参数F₁的权重为0.2；第二压力传感器(6)检测的测定参数F₂及T₁的权重均为0.1；第三压力传感器(7)检测的测定参数F₃及T₂的权重均为0.1；第四压力传感器(8)检测的测定参数F₄及T₃的权重均为0.1；红外位移传感器(9)检测的测定参数s的权重为0.2；

所述的驾驶员疲劳程度打分值f为所有测定参数值按照式(1)进行归一化处理后的数值与其对应权重乘积之和，即：