基于人因工程的行车安全助手设计资料

1、编号:陕西省匚业工程改善创意大赛团队申报表作 品名称 基于近红外光的行车安全助手队长及联系电话陈刚团队成员陈刚 樊彤 李晓晨 曹向阳2014年4月22日作品名称参赛人员联系人基于近红外光的行车安全助手陈刚、樊彤、李晓晨、曹向阳所属院系机电工程学院陈刚联系人电E-在世界各国交通事故的法医学调查中，酒后和疲劳驾驶是导致交通事 故发生的重要原因，其检测与预防问题越来越受到世界各国的重视。对于 酒驾来说，目前较为成熟的酒精检测方式为呼气式酒精检测和抽血检验 对于疲劳驾驶，目前主要是对驾驶员驾车行为进行分析，而近红

2、外光谱法 作为一种快速、准确、无损的检测方式，与现有的技术相比，有不可替代的优势。近红外光谱法己经被广泛的用来检测人体内的物质，如葡萄糖、血 氧等含量的检测，可以说该技术已经进入到了成熟发展阶段。摘要针对目前国内外酒驾与疲劳驾驶控制装置无法快速有效识别的现状, 本方案采用近红外检测技术，应用基于模式识别与聚类分析算法的近红外 光谱分析方法，并根据近红外光谱特性，运用最小二乘法最终建立一个数 学模型，利用该模型来准确测算驾驶人员血液中的酒精浓度，同时设计计 时器控制系统有效追踪开车时长，从而提出集成于汽车方向盘上并与发动 机控制部件联动，有效控制驾驶人员醉酒驾驶行为与疲劳驾驶行为的解决方案。主要

3、解决1、预防酒驾和疲劳驾驶的行为;的问题2、改善酒驾行为的管理问题。1、以无创伤近红外光检测人体酒精含量和对驾驶人员进行识别，确保被 测人员的唯一性与不可替换性;项目主要2、将目前外置式的酒精与疲劳驾驶检测装置相结合，集成到机动车方向创新点盘上;3、运用人因工程中的人机系统等相关知识提高驾驶的安全性与舒适性。详细内容描述一、研究主要问题或主要解决的问题由于经济与交通的飞速发展所带来的机动车 “出行热”，越来越多的人有了自己的 私家车，同时行车安全也作为一个重要的话题进入到人们视线中，但是每年的交通事 故所带来的人员伤害与经济损失依然触目惊心， 以下分别是近5年来交通事故所带来的 伤害数统计。（

4、见图1）在世界各国交通事故法医学调查中，酒后驾驶和疲劳驾驶是导致交通事故发生的重要原因，我国交通部统计数目表明（如图 2所示）：酒驾和疲劳驾驶发生道路伤害的 危险性是非酒驾和疲劳驾驶的4.13倍，酒后驾车和疲劳驾驶造成机动车严重损害的危 险性是非酒驾和疲劳驾驶的3.01倍。交通事故起因统计图25. 6%015. 49J 7%25.6%20. 5%操作不当 H酒后驾驶 疲劳驾驶 口新手上路 超速驾驶 其它图2.交通事故起因统计图面对这些庞大的数据统计与调查分析，可以看出交通事故已经是现代社会生活中 一个棘手并且迫在眉睫需要解决的社会难题。本方案主要研究解决的是引起交通事故 的司机酒驾与疲劳驾驶问

5、题改善。根据我们近一个月的市场调查得出目前市场上所存在的且使用较多的防酒驾与疲 劳驾驶装置主要存在的弊端与问题:现有酒精检测装置和防疲劳驾驶装置都是分开的，且酒精检测装置主要分为两大 类：一是交警用的呼气酒精检测仪；二是医用血液采集酒精检测装置，这两者在一定 程度上都存在弊端，前者主要是靠气敏传感器，其比较明显的弊端有：1. 酒精测试仪呼气测量的结果和抽血检验的结果有差异，有时差异比较大;2. 使用不同品牌酒精测试仪对同一个人同时检测，结果存在差异； 3.使用同一台酒精测试仪对同一个人多次检测，结果存在差异;后者主要是医用血样检测，饮酒后，酒精先由胃壁粘膜吸收、再进入肠壁，经肠壁吸收，溶解于血

6、液中，根据我们查阅相关资料，一般人饮酒后5分钟便可在血液中发 现酒精，经过约两个半小时，所饮酒中的酒精便被人体全部吸收，尽管血样采集检测 就酒精的可靠性与精度都比较高一些，但对人体饮酒时间有一定的限制；一般与呼气 式酒精检测装置联合使用。防疲劳驾驶的装置主要有可分为以下几个:1挂耳朵式疲劳预警器。功能非常简单，低头就报警，然而考虑到打瞌睡不一定 就低头，且瞌睡导致的低头特征出现的比较晚，驾驶员也不喜欢在开车时佩戴一个附 加物，所以该类产品实用性较差；2、手表式和眼镜式。手表式利用脉搏的跳动来估测人是否疲劳，没有权威的科学 依据，且不能解决突然睡着的问题，眼镜式则是强迫带一幅厚重的眼镜来判断眨眼

7、频 率，基本上许多人都不适应，其实眨眼频率和疲劳没有直接关系;3、方向盘触摸式。利用在方向盘上安装一些传感器来感知驾驶员是否握住方向 盘，这和疲劳其实也没有直接关系，有些人睡着了还难从他手里取下东西，等人松弛 了才报警没有太多的事实根据，实在有些牵强附会，并且有安装传感器会使方向盘操 作不方便;4、图像识别式。利用图像传感器捕捉驾驶员面部， 通过面部特征识别，判断驾驶 员疲劳程度。综上所述，目前市场上存在的防酒驾与疲劳驾驶的装置中还存在诸多问题:例如这些装置普遍存在的测量不准确、使用携带不方便、不安全以及使用环境条件的 限制等问题。研究的方法或解决问题的方法针对现阶段市场上的防酒驾与疲劳驾驶装

8、置检测系统存在的问题，本组所研究的 有效方法就是使用人体近红外光酒精检测装置进行检测，并且有效添加计时器控制电 路防疲劳驾驶装置，来达到集酒驾与疲劳驾驶双重防效的效果。但目前市场上还没有 成熟的人体红外酒精检测装置，所以现在要把红外酒精检测应用在防酒后驾车上，首 先要完成人体红外酒精检测的技术攻关，然后应用在汽车上，联动传感和启动装置, 最终达到实现识别、检测和制动的目的。近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，近红外光谱区的波长范围为7802526nm而近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能 级跃迁时产生的记录的主要是含氢基团X-H(X=C N, O)振动的倍频和合

9、频吸收。不 同基团(如甲基、亚甲基、苯环等)或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长 与强度都有明显差别，近红外光光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢 有机物质的组成与性质的测量，因此利用这个原理，本方案的红外线酒精传感器根据 反射光谱法来实施对驾驶员手部血液内酒精浓度的测试。红外酒精传感器的近红外光谱定性分析采用模式识别与聚类的一些算法，以用于鉴定酒精浓度。在进行模式识别运算时需要有一组提供给计算机“学习”的样品集， 通过诸如主成分分析之类的具体算法的运算，得出学习样品在数学空间的范围，对未 知样品运算后，若也在此范围内，则该样品属于学习样品集类型，反之则否定。聚类 运算则通过待

10、分析样品的光谱特征，根据光谱近似程度进行分类，通过两者的有机结 合，可以快速、准确地得出酒精浓度。1、建立数学模型:本方案以红外无创伤测试为试验方法，对人体内血液酒精含量进行测试分析，约有300人次参与试验测试，并通过红外检测结果与传统血液抽检方式结果的对比，根 据近红外光谱特性，运用最小二乘法，最终建立一个数学模型，并利用该模型，根据 检测样品的光谱来准确预测酒驾者血液中的酒精浓度；数字模型建立后，将专用红外 检验酒精设备集成到驾驶座方向盘内的模式，利用驾驶员进入车辆后手握方向盘的短 暂时间，在点火启动瞬间自动展开对驾驶员手部血液酒精含量的无创伤测试技术。数学模型中的变量设计，如下表:心0)

11、在时刻冑里的酒精童然0在时刻体液中的酒II含量尸】（0酒精在身体内的吸收速率（0酒精的输出（消除）速率酒精从体液向外排出的谨率系数曲）在F时刻被身体吸收的酒稽量通过把驾驶员饮酒的方式进行区分，包括连续均匀饮酒方式、单次饮酒方式、间歇饮酒方式，得出如下：酒精在人体内的变化速率，即动力学方程为:討gw因为酉誤除速率正比于胃內的酒精含SMf化于是有臥 r)-gr)f-HD-肚 ar用表示r时刻被血液吸收的酒精量式(1)可变为模型求解:假设啤酒的酒精浓度为5%规格为600ml,密度为0.9g/ml,可计算得一瓶啤酒的酒精含量 m=5%*600ml*0.9g/ml=27g,那么两瓶啤酒的酒精含量 D为5

12、4g。一个体重约70kg的某人在短时间内喝下2瓶啤酒后，隔一定时间测量的血液中酒精含量参考数据,假设取初始值k=0, k1=1,FD/V=110，将这些值根据非线性拟合的最小二乘法，使用Matlab软件可以求得:k=0.1949，k1=1.8887.FD/V=107.6807，并得出建立数据的拟合曲线：(见图3)so-+ -4-4-70605040302010-4T +10 121416图3.数学模型的拟合曲线（见图4）应用近红外光检测得到如下图的人体血液酒精近红外光吸收光谱:图4.人体血液酒精近红外光吸收光谱2、方案控制系统与控制电路的设计:本方案防酒驾与疲劳驾驶控制系统组成主要为：红外酒精

13、检测传感器、信号调理电路、中央控制单元（ECU、继电器、电机、控制器、电位器、报警装置等。具体的硬件结构（见图5）。普图5.方案控制系统硬件结构红外检测防酒驾控制电路图：（见图6）tLLD稳压模块4电源模块4a-汽车熄火控制开关报警提蟹装置*L. flpILLJ红外检测信号处理中枢（ECU） A1fm 3L#h!叩:11-JII1 1hj-IIb1CMi pjrfUI图6.红外检测防酒驾控制电路图如图所示：电源模块提供电源经稳压模块向红外信号处理中枢提供稳压电源，如 果检测酒精超标中央控制单元（ECU发出高电位给熄火控制开关，开关闭和，继电器KA得电开始工作，常闭触点断开，点火装置断电，汽车熄

14、火。防疲劳驾驶的计时电路图：（见图7）r-jf 电位控fflff 匣疲芳报警提尹字严醉电路斗科位计时电路嘏1 - B * 11一 - - JZZII IIII ISllp届直1 9 eVt QI -U 4UI 如|U.10S1n包IM It 丄 W1WTI斗 Li II Pl电 Ari 41 -4-i T卫口 Hdlri *a -1fli；i=4 ifinertow时位计时 电跖roIII分位计阿电路*控制器*/图7.防疲劳驾驶的计时电路如图所示：脉冲电路提供每秒一个脉冲，两个74LS290构成60进制秒位计时电路, 每60个脉冲之后向分位进1；同理每60分向时位进1,当达到4小时，时位计时器

15、给 电位控制开关一个高电位，开关闭和，报警装置工作休息计时电路图：（见图8）如图所示：脉冲电路提供每秒一个脉冲，两个74LS290构成60进制秒位计时电路,每60个脉冲之后向分位进1,当达到10分钟时，计时器给控制器1 一个高电位，控 制器工作，计时器所有清零端加高电位，计时器清零，并且关闭报警装置。3、工作流程:本方案将红外线酒精传感器安装在驾驶室内，通过人体无创伤红外检测的方法,先是来主动、快速识别车辆驾驶者这一唯一检测对象身体血液酒精含量是否超标，并 以此来控制车辆的正常行驶，从根本上避免了气体源识别问题，达到快速流畅检测, 避免了同类防酒后驾车装置因无法“有效识别”而导致的“误事、误时

16、”等问题；该 系统通过手握方向盘，与安装在方向盘的红外线酒精传感器接触，测试手部血管内血 液的酒精含量，传感器内部电路判断酒精含量是否超标，其结果为传感器输出的电信 号，而此电信号经过信号调理电路的滤波以及放大、模数转换后输入到中央控制单元（ECU中，如果含量超标，汽车中央控制单元根据此信号发出指来控制继电器动作,进而控制汽车启动电机的动作，切断汽车启动装置，达到防止酒驾车的目的，同时, 超标结果还可以同步通过语音系统进行报警提示，而检测结果也以通过显示设备给出 具体数值，或者根据产品需要给出更多的分析结果。检测是否酒驾之后防疲劳驾驶装置才启动，防疲劳驾驶装置采用设计控制计时电路，当汽车发动时

17、，通过控制器使计时器的计时时间自动清零，驾驶员手放到方向盘 上，有了红外感应再通过控制器使计时器开始计时，第一种情况是当计时器计时超过 四小时时，此时电位控制器促使提醒装置发出警报；第二种情况是在驾驶员驾车途中 有换驾驶员或者停车休息，如果是换驾驶员，可直接经安装在方向盘上的红外检测装 置，通过控制系统使计时器自动清零并重新开始计时；如果是停车休息，可通过休息计时器，设休息计时器的系统默认时间为15分钟，15分钟到了之后，此时控制器对所有时间清零并重新开始计时。近红外光检测装置的安装三维图：（见图9）10.红外检测装置工作流程图方案分析:方案可行性的分析:1、将目前采用外置式的独立的酒精测试装

18、置和防疲劳驾驶装置集成到机动车方 向盘这一特殊位置并与发动机控制部件联动，设计控制计时器有效实现防酒驾与疲劳 驾驶的双效结合从而确保机动车自动实施酒精检测和驾驶员驾车时，与传统装置相 比保证其测试对象的唯一性和不可替换性；2、红外无创伤检测人体酒精含量，避免了传统装置中酒驾人员因饮酒过量失去自 我控制能力，无法主动进行机动车启动时自动酒精检测装置的问题，确保了对驾驶者 是否存在酒驾嫌疑进行安全、准确判断；3、将红外装置集成到机动车方向盘后，不仅具有使用寿命长、不影响机动车正常 使用和内装美观、应用范围广泛等特点，更重要的是可随时随地、准确进行对机动车 实际驾驶者的酒精浓度监测和疲劳驾驶的实时追

19、踪；4、采用高折射率材料进行测试装置的封装，在改善了传统装置测量精确度的前提 下，全面考虑装置自动检测、主动控制的设计要求和实际应用中驾驶人员对驾乘感受、 实际操作便利性以及未来产品市场实施推广可能性等多方因素，体现人们对生活品质 与行车安全的时代追求。方案经济性分析:方案所需的装置仪器，主要包括红外检测装置、中央控制单元、控制计时器、报 警装置等几大模块，其成本大约是3000元；如果借助本方案所提供设想，把防酒驾与 疲劳驾驶装置集成到方向盘上，可大大节省交警执勤查酒驾所耗费的人力、财力、物 力及时间，也省去了再去单独添加防疲劳驾驶装置的花费，同时对行车安全也有了可 靠性保障。而传统的防酒驾与疲劳驾驶装置中，酒精检测仪的成本大约是300元，但需要交 通部门耗费时间、精力、经济支出等来进行排查和判断，在一定意义上造成了成本损 耗；防疲劳驾驶比较有效的手段是借助仪器对于人脸及眼的识别，再通过数据传送与处理最终做出判断或报警，其所需成品大约2500元，但结果也并不是太好。通过比较，可以得出:1在直接成本上本方案比传统设备少;2、从长远发展的角度来看，本方案所提供设想更加经济、实惠；3、本方案精确度更高，节省了大量时间，更能保证驾驶员驾驶安全。结论醉酒驾驶和疲劳驾驶是交通安全的一大隐患，也是导致交通事故的一个主要原因， 每年的交通事故所造成的人员伤害和经济损失都是触