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司机疲劳驾驶检测系统设计
摘要：随着社会经济的发展，商用长途运输车越来越多，司机为了追求经济效益，经常罔顾交通法的规定疲劳驾驶，而一些私家车也因为各种各样的原因经常铤而走险疲劳驾驶，酿成很多人间惨剧。为了减少减轻司机的精神压力并对疲劳及时提示预警，本论文以计算机视觉技术为主体，设计实用操作简单的疲劳驾驶检测系统，辅助驾驶员安全驾驶。
司机疲劳驾驶实时检测系统在实际应用中有很重要的意义。设计了一个利用图像分析的方法，通过测量PERCLOS指标值来进行疲劳判断的该类系统。系统首先对图像进行预处理，然后采用基于YCbCr颜色空间肤色模型进行人脸粗定位，根据人脸特征，逐次进行人眼区域缩小；最后通过对边缘信息进行先验知识结合积分投影的方法进行人眼定位和闭合度测量。考虑到视频图像序列帧与帧之间的相关性，采用线性运动预测的方法对人眼进行跟踪，减少了系统的运算量。实验结果表明系统能实时、准确地反映司机的疲劳状态。 关键词：疲劳驾驶 人脸检测 肤色检测交通安全 疲劳判断
总结
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目录
摘要 Abstract
1.疲劳驾驶检测系统研究背景与意义 2.疲劳驾驶检测系统研究与实现
2.1国内外疲劳驾驶检测系统研究现状 2.1.1国外疲劳驾驶检测系统的研究成果 2.1.2国内疲劳驾驶检测系统的研究现状 2.2疲劳驾驶检测系统浅析
2.3驾驶员疲劳检测系统的研究 2.3.1人脸检测 2.3.2人眼定位
2.3.3疲劳程度的综合判定
3.基于人脸特征的列车司机疲劳驾驶检测与识别系统研究 3.1研究内容及目标
3.1.1基于人脸特征的疲劳驾驶检测与识别算法开发 3.1.2疲劳驾驶检测与识别算法OSP移植 3.2基于Adaboost算法的人脸检测 3.2.1人脸检测技术概述
3.2.2Adaboost人脸检测算法
3.3基于Adaboost算法的人脸检测软件实现 3.3.1.样本训练过程 3.3.2人脸检测程序
3.4人眼检测与人眼状态分析算法 3.4.1基于Adaboost的人眼检测算法 3.4.2人眼级联分类器效果分析 3.4.3人眼状态分析算法
4.基于贝叶斯网络的驾驶疲劳程度识别模型 4.1基于贝叶斯网络模型的驾驶疲劳程度识别 4.2驾驶疲劳程度识别模型 4.2.1驾驶疲劳贝叶斯网络结构 4.2.2贝叶斯网络条件概率表的确定 4.2.3驾驶疲劳程度贝叶斯网络识别模型 4.3模型有效性验证
5.基于FPGA的疲劳驾驶检测系统设计 5.1疲劳驾驶检测系统总体设计方案 5.1.1系统红外光源原理 5.1.2系统总体设计
5.2系统硬件设计与实现 5.2.1系统硬件总体架构 5.2.2图像采集电路设计
总结
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5.2.3主控板设计 5.2.4辅助电路设计
5.2.5系统硬件电路的物理测试
6.基于 NiosII 多核驾驶疲劳检测系统设计 6.1系统介绍
6.2系统关键模块设计 6.2.1图像采集模块设计 6.2.2图像处理算法
6.2.3图像处理算法硬件加速的实现 6.2.4数据存储模块设计
7.疲劳驾驶预警系统的研究进展 7.1预警系统的组成及工作原理 7.2典型的疲劳驾驶预警系统 7.3疲劳驾驶预警系统比较 7.4发展趋势
8.新型多功能驾驶员状态监测系统设计 8.1无线脑电信号采集和分析 8.1.1情绪预警 8.1.2疲劳监测 8.1.3突发疾病监测 8.2酒精监测
9.多源信息融合在驾驶疲劳检测中的应用 9.1驾驶疲劳特征
9.1.1PERCLOS值的计算
9.1.2行驶方向改变与驾驶员反应不一致情况 9.1.3方向盘动作状态 9.1.4连续驾驶时间 9.1.5实际时间参数
9.2模糊神经网络疲劳识别 9.2.1疲劳度量化
9.3智能控制技术在汽车疲劳驾驶监控中的应用研究 9.3.1硬件描述 结束语 参考文献
总结
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1.研究背景与意义
驾驶疲劳川是指驾驶员由于睡眠不足或长时间持续驾驶造成的反应能力下降，这种下降表现在驾驶员困倦、打磕睡、驾驶操作失误或完全丧失驾驶能力。美国印第安那大学对交通事故原因的调查研究发现85%的事故与驾驶员有关，车辆和环境因素只占15%。驾驶员在事故发生前一瞬间的行为和故障直接导致了事故的发生，这些行为包括知觉的延迟、对环境的决策错误、对危险情况的处理不当等。在所有的驾驶员错误中，最常见的是知觉延迟和决策错误，这些错误会产生注意力不集中、反映迟钝、操作不当等，产生这些错误的根本原因就是驾驶疲劳。
随着我国生活水平的提高，人们的衣食住行等方面有了很大的改善，在交通方面更是有了质的飞跃。四通八达的道路、便捷的交通工具大大地缩短了人与人的距离，其中汽车保有量更是与日俱增，一个家庭拥有两辆以上的小车已经不是什么新鲜的事情。但是，汽车在带给人们方便的同时，随之而来的交通事故也源源不断。据统计，我国交通事故死亡人数己连续10多年居世界第一。我国在滚滚车轮下丧生的人数，短短十几年间己从每年5万多人增长到10多万人，是交通事故死亡人数居世界第二位国家的两倍。其中，驾驶员疲劳造成交通事故的占总数的20%左右，占特大交通事故的40%以上。同样，在国外情况也不容乐观。 据美国国家公路交通安全委员会的估计，在美国大约发生56000次与睡眠有关的交通事故，其中约40000人次受伤和1550人死亡。1965年美国俄克拉荷马州收费公路局发表了1953年至1964年2128名机动车驾驶员发生车辆碰撞事故的调查结果:22%的驾驶员打吨驾驶，48%的交通事故归结于疲劳驾驶疲劳。
由此可以知道，疲劳驾驶正逐渐成为交通事故的主要原因之一，成为马路上的“第一杀手”，如果我们能积极开展疲劳检测的工作，提醒驾驶者，很大程度上就能预防和减少交通事故的发生，使得公民的出行更加安全。因此，研究出一套疲劳检测的系统对社会和民众都有不可估量的社会意义和经济价值。
一套好的检测系统必须要有成熟而完善的算法。本文对疲劳检测系统的实现方法进行研究，以期提高疲劳检测的速度和准确度。如果能将好的算法应用于疲劳检测系统之中，无疑能更有效的预防驾驶员疲劳驾驶而引起不必要的人员伤亡和经济损失。
2. 疲劳驾驶检测系统研究与实现
2.1国内外疲劳驾驶检测系统研究现状
对疲劳驾驶的研究在国外最早可以追溯到20世纪30年代，但实际上，投入真正研究的却还是从上世纪RO年代美国国会通过的汽车驾驶状态与交通安全之间的关系研究开始的。进入上世纪90年代，疲劳驾驶的科研工作得到了人们更大的重视，取得了一系列卓有成效的成果。
2.1.1国外疲劳驾驶检测系统的研究成果
早期的疲劳驾驶测评主要是从医用角度出发，借助医疗器件进行生理特征测量的。疲劳驾驶的实质性的研究工作是从20世纪80年代由美国国会批准交通部研究交通安全和机动车驾驶的关系，并健全汽车安全管理条例开始的。由此把疲劳驾驶的研究提高到了立法高度，保证了开展疲劳驾驶研究的有效性、合法性和持续性。其研究工作大概可以分为两大类:一是研究疲劳磕睡产生的原因和其他诱发因素，寻找能够降低这种危险的方法:二是研制智能报警系统，防止驾驶员磕睡状态下驾驶。20世纪90年代，美国对疲劳驾驶电子装置的研发
总结
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工作发展的较快。在各国研制的装置中具有代表性的成果有:
(1)美国研制的打磕睡驾驶员侦探系统DDDS(The Drowsy Driver DetectionSystem)。采用多普勒雷达和信号处理方法，可获取驾驶员烦躁不安的情绪活动、眨眼频率和持续时间等疲劳数据，用以判断驾驶员是否打磕睡或睡着。该系统可制成体积较小的仪器，安装在驾驶室内驾驶员头顶上方，完全不影响正常的驾驶活动。
(2)美国华盛顿大学通过自行开发的专用照相机、脑电图仪和其他仪器来精确测量头部运动瞳孔直径变化和眨眼频率，用以研究驾驶行为问题。一般情况下入们眼睛闭合的时间在0. 2-0. 3 s之间，驾驶时若眼睛闭合时间达到0. 5秒就很容易发生交通事故。 (3)卡内基梅隆研究所的Copilot装置。研究所的Grace等人采用特制的红外LED装置，根据人的视网膜对不同波长红外光的反射量不同所表现出生理特征，使用850nm和950nm波长的红外光源，在同一时间内得到两幅眼部具有微小差别的图像，然后将这两幅图像进行差分相减，就可以提取出眼部瞳孔的位置和大小。再用PERCLOS法则计算眼睛的闭合程度来判断疲劳的程度。使用此装置能比较准确地定位出人眼然后进行疲劳判断。
(4)2000年1月明尼苏达大学计算机科学与工程系的Nikolaos P.Papanikolopoulos教授成功开发了一套驾驶员眼睛的追踪和定位系统，通过安置在车内的一个CCD摄像头监视驾驶员的脸部，用快速简单的算法确定驾驶员眼睛在脸部图像中的确切位置，追踪多幅图像来监控驾驶员是否驾驶疲劳。同年3月，他对上述系统进行了改进，改用红外线彩色摄像头并加滤波器滤除图像的噪声和非脸部的图像，使搜索脸部图像的次数减少，加快了处理图像的速度。
(5)日本成功研制了电子“清醒带”，固定在驾驶员头部，将其一端的插头插入车内点烟器的插座，装在带子里的半导体温差电偶使平展在前额部位的铝片变凉，使驾驶员睡意消除，精神振作。
(6)日本先锋公司最近开发出防止驾驶员开车打磕睡的系统。它可通过心跳感应器每隔巧秒检测司机的心跳速度，监测司机驾驶员是否打磕睡，在睡意来临巧分钟前提醒司机注意，防止发生事故。先锋公司还研究了通过测量眨眼频率和车体摇晃频率监测司机是否磕睡的系统。
(7)西班牙的防磕睡系统(Anti-Drowsiness System)，测量驾驶时手对方向盘的握力，一旦检测到疲劳发生，利用汽车的灯不停的闪烁，提醒周围的交通车辆。
(8)澳大利亚的头部位置测量跟踪系统与沃尔沃合作，通过测量头部位置、闭眼和眨眼评估疲劳驾驶，但是它要求在司机的脸上作一些标记，给司机带来极大的不便。
(9) 2005年，澳大利亚的研究人员们推出了一款眼镜，它可以检测出司机是否已经处于疲劳状态，并及时提出警告。原理是通过红外线传感器监测司机的眼睑活动和眨眼频率，据此判断司机是否己经处于疲劳状态。
(10)转向盘监视系统S. A. M(Steering Attention Monitor)，一种监测方向盘非正常运动的传感器系统，当方向盘正常运动时传感器系统不报警，若转向盘4s不运动就会发出报警声直到转向盘继续正常运止。该系统固定在车内录音机旁，转向盘下面的杆上装有一条磁性带，用以监测转向盘的运动。
(11)头部位置测量仪(ASCI Advanced Safety Concepts Inc研制)。传感器设计安装在司机座位上方，每个传感器都能输出司机头部距离传感器的位置，利用三角代数算法就可以计算出头在X, Y, Z三维空间中的位置，也能够实时跟踪头部的位置，同时利用各个时间段头部位置的变化特征，可以表现出司机处于清醒还是磕睡状态。该传感器物理特点基于传感器电极屏蔽之间的电容，通过人这个高导体可以改变电极之间的电容，通过测量电压计算头部与传感器之间的距离。当人进入电容区域时，临近的电容改变同距离之间的关系是，利用3 个传感器，就可利用三角代数计算出头的X, Y, Z的坐标。并对司机的头部位置进行实时跟
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司机疲劳驾驶检测系统设计
