汽車設(shè)計(jì)論文

1、汽車設(shè)計(jì)課程論文 題目 車輛防疲勞駕駛智能轉(zhuǎn)向盤及其監(jiān)控 學(xué) 院 工程技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 222009322210041 姓 名 李銳 成 績 2012 年 5 月 30 日目錄摘要：2緒論21技術(shù)原理21.1 模式識(shí)別技術(shù)31.2 轉(zhuǎn)向盤航向修正與疲勞駕駛的關(guān)系31.3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波的模式識(shí)別42 原型機(jī)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)42.1 原型機(jī)設(shè)計(jì)42.2智能轉(zhuǎn)向盤疲勞駕駛預(yù)警技術(shù)實(shí)現(xiàn)63 智能轉(zhuǎn)向盤疲勞駕駛監(jiān)控與預(yù)警數(shù)據(jù)流程和算法64 結(jié)語8參考文獻(xiàn)：8車輛防疲勞駕駛智能轉(zhuǎn)向盤及其監(jiān)控摘要：該轉(zhuǎn)向盤以嵌入式系統(tǒng)為核心,利用GPS數(shù)據(jù)變化判定車輛駐、行狀態(tài)， 以控制持

2、續(xù)駕駛時(shí)間的計(jì)算周期，利用變壓器式角位移傳感器采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓變化， 采用電壓波模式識(shí)別判斷疲勞狀態(tài)， 并結(jié)合持續(xù)駕駛時(shí)間參量對(duì)疲勞駕駛進(jìn)行預(yù)警。關(guān)鍵詞：智能交通；汽車電子；疲勞駕駛；轉(zhuǎn)向盤；模式識(shí)別緒論 國外對(duì)于防疲勞駕駛技術(shù)正在研究中，并開發(fā)出了一些產(chǎn)品，但需要改裝車輛或重新設(shè)計(jì)，且價(jià)格高昂，目前已經(jīng)有部分高級(jí)轎車在應(yīng)用。如美國Attention Technologles公司推出的Driver Fatigue Monitor(DD850)通過紅外攝像頭采集駕駛員眼部信息，用PERCLOS作為疲勞報(bào)警指標(biāo)，可直接安裝在儀表盤上，但只有晚上才有效，且眼部信息采集誤差極大，對(duì)于眼睛很小的人或戴

3、墨鏡的駕駛員幾乎不起作用；美國Digital Installations開發(fā)的S.A.M.疲勞報(bào)警裝置利用置于轉(zhuǎn)向盤下方的磁性條檢測(cè)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角，如果一段時(shí)間內(nèi)駕駛員沒有對(duì)轉(zhuǎn)向盤進(jìn)行任何修正操作，則系統(tǒng)推斷駕駛員進(jìn)入疲勞狀態(tài)，并觸發(fā)報(bào)警。但如果在蛇形路、連續(xù)彎道、盤山路、環(huán)形路中誤報(bào)，則非常嚴(yán)重。國內(nèi)對(duì)駕駛員疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究起步較晚，相關(guān)研究主要在大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行。相關(guān)領(lǐng)域的研究主要集中在基于視頻信號(hào)的駕駛員眼部生理特征的研究方面， 且目前各種算法在識(shí)別精度、可靠性、實(shí)時(shí)性等基礎(chǔ)性能方面尚存在問題。本文利用轉(zhuǎn)向盤航向修正與疲勞駕駛的密切關(guān)系，設(shè)計(jì)了一款基于轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別的車輛防

4、疲勞駕駛智能轉(zhuǎn)向盤。1 技術(shù)原理1.1 模式識(shí)別技術(shù)計(jì)算機(jī)模式識(shí)別在20世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展并成為一門新學(xué)科，它是一種從大量信息和數(shù)據(jù)出發(fā)，在專家經(jīng)驗(yàn)和已有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)和數(shù)學(xué)推理的方法，對(duì)形狀、模式、曲線、數(shù)字、字符格式和圖形自動(dòng)完成識(shí)別的過程。模式識(shí)別包括相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)階段， 即學(xué)習(xí)階段和實(shí)現(xiàn)階段，前者是對(duì)樣本進(jìn)行特征選擇，尋找分類的規(guī)律，后者是根據(jù)分類規(guī)律對(duì)未知樣本集進(jìn)行分類和識(shí)別。廣義的模式識(shí)別屬計(jì)算機(jī)科學(xué)中智能模擬的研究范疇，內(nèi)容非常廣泛，包括聲波和語言識(shí)別、文字識(shí)別、指紋識(shí)別、聲納信號(hào)和地震信號(hào)分析、照片圖片分析、化學(xué)模式識(shí)別、腦電波及心電圖等波形識(shí)別等。計(jì)算機(jī)模式識(shí)別

5、實(shí)現(xiàn)了部分腦力勞動(dòng)自動(dòng)化。本設(shè)計(jì)運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別， 用于駕駛員疲勞駕駛檢測(cè)，是防疲勞駕駛功能的核心技術(shù)，也是儀器智能性的最高體現(xiàn)。1.2 轉(zhuǎn)向盤航向修正與疲勞駕駛的關(guān)系發(fā)生疲勞駕駛時(shí)，駕駛員進(jìn)入大腦缺氧的瞌睡狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)向盤的操作會(huì)出現(xiàn)符合一定規(guī)律的忽左忽右的現(xiàn)象。正常直線駕駛角度變化值小，左右變化頻率快，轉(zhuǎn)彎或環(huán)行時(shí)單向角度變化。當(dāng)疲勞駕駛時(shí)， 角度變化增大，左右變化頻率減慢，呈規(guī)律性。駕駛實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室研究均證明轉(zhuǎn)向盤航向修正特征與疲勞駕駛有非常好的相關(guān)性，本設(shè)計(jì)即采用了轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角特征和疲勞駕駛的相關(guān)性。系統(tǒng)利用內(nèi)置變壓器式角位移傳感器采集航向修正時(shí)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角產(chǎn)生的

6、電壓變化，運(yùn)用模式識(shí)別技術(shù)建立電壓變化波形特征庫，當(dāng)疲勞駕駛時(shí)，電壓波將不同于平常，變得遲鈍而突兀，經(jīng)與正常駕駛特征比對(duì)可判定疲勞駕駛的產(chǎn)生。圖1是同一測(cè)試者在正常駕駛和疲勞駕駛時(shí)的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波形對(duì)比。轉(zhuǎn)向盤相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的電壓波動(dòng)幅度是指車輛運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)向盤的靜止不是絕對(duì)靜止，也有極小的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，正常直線駕駛時(shí)，駕駛員及時(shí)反復(fù)修正航向，輸出電壓較規(guī)律，電壓波形為類似正弦波；駕駛員疲勞駕駛時(shí)，對(duì)航向修正不及時(shí)，轉(zhuǎn)向盤時(shí)而處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，時(shí)而被操縱修正航向，出現(xiàn)不規(guī)律且突兀的波形。1.3 轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波的模式識(shí)別轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別包括以下3個(gè)步驟。第1步：提取轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓

7、波形特征。首先需要從識(shí)別對(duì)象中提取與轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波有關(guān)的特征，并度量這些特征。設(shè)X1，X2，Xn分別為每個(gè)特征的度量值，于是每個(gè)識(shí)別對(duì)象x就對(duì)應(yīng)一個(gè)向量（X1，X2，Xn)，這一步是識(shí)別的關(guān)鍵，特征提取不合理，會(huì)影響識(shí)別效果。第2步：建立標(biāo)準(zhǔn)類型的隸屬函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)類型通常是正常轉(zhuǎn)向盤操作狀態(tài)，U=（X1，X2，Xn)的模糊集，Xi是識(shí)別對(duì)象的第i個(gè)特征。第3步：建立識(shí)別判決準(zhǔn)則，確定某些歸屬原則，以判定識(shí)別對(duì)象屬于哪一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)類型。本設(shè)計(jì)判決準(zhǔn)則為擇近原則，即所有可擇近歸屬的電壓波形均為正常駕駛，無法歸屬的例外屬于疲勞駕駛或非正常駕駛。本設(shè)計(jì)處理模型如下。正常駕駛按平面行駛軌跡可分為4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)類型

8、：直線駕駛（A1）、環(huán)形路駕駛（A2）、蛇形路駕駛(A3)、獨(dú)立轉(zhuǎn)彎（A4）。轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別函數(shù)為F(X)，A1、A2、A3、A4F(X), BF(X)為待識(shí)別對(duì)象，N為F(X)上的貼近度，若N(Ai,B)=maxN(Ak,B)|k=1,2,3,4,則認(rèn)為B與Ai最貼近，判定B屬于Ai一類。2 原型機(jī)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)2.1 原型機(jī)設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的車輛防疲勞駕駛智能轉(zhuǎn)向盤組成包括嵌入式系統(tǒng)、GPS模塊、存儲(chǔ)器、蜂鳴報(bào)警器（含繼電器）、變壓器式角位移傳感器、供電系統(tǒng)（電力來自車載蓄電池）、轉(zhuǎn)向盤殼體、報(bào)警器中斷按鍵（位于殼體上）、轉(zhuǎn)向盤骨架、集成電路板。圖2是防疲勞駕駛智能轉(zhuǎn)向盤原型機(jī)原理圖。嵌入

9、式系統(tǒng)以嵌入式微處理器為核心，應(yīng)用程序和相關(guān)算法固化在內(nèi)存芯片中，通過集成電路與GPS模塊、蜂鳴報(bào)警器、變壓器式角位移傳感器、供電系統(tǒng)、報(bào)警器中斷按鍵連接，接收GPS、變壓器式角位移傳感器、報(bào)警器中斷按鍵的信息，并發(fā)送控制信號(hào)給蜂鳴報(bào)警器。存儲(chǔ)器為嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存， 是數(shù)據(jù)儲(chǔ)存中心，用以存放應(yīng)用程序、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，在需要時(shí)進(jìn)程與數(shù)據(jù)將被調(diào)入嵌入式微處理器CACHE。GPS模塊通過集成電路與嵌入式微處理器和供電系統(tǒng)連接， 接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)并將格式數(shù)據(jù)（含經(jīng)度、緯度、日期、時(shí)間、速度、方位角等）不斷傳送給嵌入式微處理器。蜂鳴報(bào)警器（含繼電器）通過集成電路與嵌入式微處理器和供電系統(tǒng)連接，接收嵌入式系

10、統(tǒng)的控制指令發(fā)出報(bào)警鳴叫。變壓器式角位移傳感器通過連接電路與集成電路板之嵌入式微處理器、供電系統(tǒng)連接，將采集到的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角輸出電壓信號(hào)和變化波形傳送給嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)利用模式識(shí)別技術(shù)和算法進(jìn)行信息處理和信號(hào)檢測(cè)，判定駕駛員疲勞狀態(tài)，當(dāng)達(dá)到設(shè)定值則向蜂鳴報(bào)警器發(fā)出報(bào)警控制信號(hào)。供電系統(tǒng)通過輸電電路與集成電路板連接，通過集成電路板與嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、GPS模塊、蜂鳴警報(bào)器、變壓器式角位移傳感器連接起來，提供所需電力。轉(zhuǎn)向盤殼體為智能轉(zhuǎn)向盤外殼，報(bào)警器中斷按鍵位于外殼上，通過連接電路和集成電路板上的嵌入式微處理器、供電系統(tǒng)連接。按壓報(bào)警器中斷按鍵則繼電器斷開，蜂鳴報(bào)警器停止鳴叫。集成電路

11、板承載嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器、GPS模塊、變壓器式角位移傳感器、蜂鳴報(bào)警器和其它輔助電氣元件，通過印刷電路與各部件連為一體，嵌入到轉(zhuǎn)向盤內(nèi)部。2.2 智能轉(zhuǎn)向盤疲勞駕駛預(yù)警技術(shù)實(shí)現(xiàn)當(dāng)車輛起動(dòng)，轉(zhuǎn)向盤上電，防疲勞駕駛警示程序啟動(dòng)。變壓器式角位移傳感器采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓變化，將此信息傳送給嵌入式微處理器。嵌入式微處理器利用模式識(shí)別技術(shù)，通過相應(yīng)算法對(duì)電壓變化數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、分類并登記特征在庫。從變壓器式角位移傳感器獲得的電壓變化數(shù)據(jù)不斷寫入處理器內(nèi)存，經(jīng)相應(yīng)的算法處理與歷史數(shù)據(jù)庫中的特征庫標(biāo)準(zhǔn)類型特征進(jìn)行比對(duì)，并將處理結(jié)果存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。從GPS模塊獲得的坐標(biāo)、速度信息不斷寫入處理器內(nèi)存，存入實(shí)

12、時(shí)數(shù)據(jù)庫。如果連續(xù)一定時(shí)間坐標(biāo)無變化或速度為零，則嵌入式系統(tǒng)判定車輛處于停泊狀態(tài)，當(dāng)停泊狀態(tài)被打破，則嵌入式微處理器開始計(jì)時(shí)，記錄連續(xù)駕駛時(shí)間，并將計(jì)時(shí)信息不斷寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。當(dāng)轉(zhuǎn)向盤監(jiān)控轉(zhuǎn)角電壓波特征比對(duì)不能歸屬于標(biāo)準(zhǔn)類型特征函數(shù)，且被記錄的連續(xù)駕駛時(shí)間達(dá)到或超過設(shè)定值，則系統(tǒng)判定駕駛員疲勞駕駛，處理器控制繼電器接通蜂鳴報(bào)警器電路，報(bào)警器鳴叫。駕駛員可人工按下報(bào)警器中斷按鈕，停止鳴叫并停車休息。若停止鳴叫后駕駛員不停車休息，只要轉(zhuǎn)向盤監(jiān)控轉(zhuǎn)角電壓波特征比對(duì)不能歸屬于標(biāo)準(zhǔn)類型特征函數(shù)，則系統(tǒng)判定駕駛員疲勞駕駛，處理器再次控制繼電器接通蜂鳴報(bào)警器電路，報(bào)警器鳴叫。駕駛員停車休息后系統(tǒng)進(jìn)入新一輪防

13、疲勞駕駛程序。3 智能轉(zhuǎn)向盤疲勞駕駛監(jiān)控與預(yù)警數(shù)據(jù)流程和算法根據(jù)駕駛員對(duì)轉(zhuǎn)向盤操作情況，轉(zhuǎn)向盤產(chǎn)生轉(zhuǎn)角輸出，變壓器式角位移傳感器采集到轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波變化狀態(tài)模擬數(shù)據(jù)，經(jīng)降噪、濾波、放大等信號(hào)處理后，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字格式，通過與嵌入式系統(tǒng)的輸入輸出接口傳送給嵌入式微處理器，處理器調(diào)用防疲勞駕駛程序，對(duì)捕獲的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓變化進(jìn)行時(shí)間窗電壓波的分離與檢測(cè)，即模式識(shí)別。程序調(diào)用模式識(shí)別算法對(duì)獲得的轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值計(jì)算并提取特征值，提取的特征登記到駕駛特征庫并進(jìn)行分類。每次提取的分類特征與特征庫中的設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等待決策。GPS不斷從衛(wèi)星獲得坐標(biāo)、速度數(shù)據(jù)

14、，并輸入嵌入式系統(tǒng)，處理器根據(jù)相應(yīng)的算法記錄連續(xù)駕駛時(shí)間并寫入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等待決策。圖3是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別并結(jié)合持續(xù)駕駛時(shí)間參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)流程圖，圖4是智能轉(zhuǎn)向盤疲勞駕駛預(yù)警算法設(shè)計(jì)要點(diǎn)。4 結(jié)語本文設(shè)計(jì)思想來源于人工智能對(duì)于疲勞駕駛監(jiān)測(cè)復(fù)雜程度的有效性，目前為國內(nèi)外第一款基于模式識(shí)別的智能化車輛防疲勞駕駛轉(zhuǎn)向盤設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用轉(zhuǎn)向盤作為載體，使之成為車輛的一個(gè)部件， 在不添加任何額外設(shè)施的情況下具備疲勞駕駛主動(dòng)安全監(jiān)控功能，突破了國內(nèi)基于視頻信號(hào)的駕駛員眼部生理特征的研究范疇?；谵D(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角電壓波模式識(shí)別并結(jié)合持續(xù)駕駛時(shí)間參數(shù)檢測(cè)的防疲勞駕駛技術(shù)， 填補(bǔ)了國內(nèi)外防疲勞駕駛技術(shù)空白參考文獻(xiàn)：1 黎亞平，周杰，黃磊. 國內(nèi)外駕駛疲勞狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展Z. 南京：中國單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室南京研發(fā)中心，2009.2 Yoshihiro Takei， Yoshimi Furukawa. Estimate of DriversFatigue Through Steering MotionZ. 2005 IEEE InternationalConference on Systems ， Man and Cyberneti