韓嵩

當(dāng)代智能汽車安全系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

韓嵩

（吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130012）

隨著人工智能與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的逐步滲透，其安全性仍然是現(xiàn)代汽車最重要的特征之一，因此，安全性也引起了汽車設(shè)計領(lǐng)域眾多研究者和開發(fā)者的關(guān)注。近年來，由于駕駛時打瞌睡和不系安全帶而導(dǎo)致的車禍死亡人數(shù)顯著增加。在這種情況下，人們試圖設(shè)計一種汽車安全系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，除非司機系好安全帶，否則汽車不會行駛，如果發(fā)現(xiàn)瞌睡，司機將保持警惕。在該系統(tǒng)中，利用NeuroSky腦電波耳機采集不同的腦電圖（EEG）。此外，在安全帶和點火系統(tǒng)之間設(shè)計了一個限位開關(guān)電路，用于控制發(fā)動機的起動。最后，利用Arduino單片機及其軟件作為信號處理單元，對車內(nèi)的安全系統(tǒng)進行控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地提高駕駛員的安全性能。

智能汽車；安全功能；腦電圖；安全帶；系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

現(xiàn)代汽車具有許多安全特性，在減少交通傷害和死亡方面發(fā)揮著重要作用。造成車禍死亡的兩個原因是不系安全帶和駕駛時昏昏欲睡。安全帶是現(xiàn)代汽車中最安全的部件之一，它可以在汽車碰撞和其他事故中保護乘客?，F(xiàn)在，許多國家要求乘客在駕駛時使用安全帶；有些國家對不系安全帶的乘客處以罰款，但許多人在旅行時仍然不系安全帶。昏睡駕駛已成為世界各國普遍關(guān)注的問題，也是世界范圍內(nèi)造成交通事故死亡的主要原因之一。據(jù)報道，30%的交通事故是由司機瞌睡引起的。已經(jīng)有幾種方法被用來開發(fā)睡意檢測系統(tǒng)。開發(fā)該系統(tǒng)的一些方法是利用驅(qū)動程序測量生理的變化，如心率變異性（HRV）和腦電圖（EEG）。與其他方法相比，腦電圖方法具有更大的優(yōu)越性，因為它能直接反映出大腦的活動狀態(tài)以及當(dāng)前正確的狀態(tài)決策。因此，本研究的目的是設(shè)計一個增強的汽車安全系統(tǒng)，以減少車禍的死亡人數(shù)，因為該系統(tǒng)由兩部分組成：連接安全帶與點火系統(tǒng)和睡意駕駛檢測系統(tǒng)。

2 腦機接口（BCI）的理論基礎(chǔ)

腦與計算機或任何其他設(shè)備之間的通信可以通過腦機接口（BCI）來實現(xiàn)。因此，BCI允許人類通過大腦活動與環(huán)境和外部設(shè)備進行交流。這種技術(shù)幫助了許多殘疾人，如患有閉鎖綜合癥、癱瘓、脊髓疾病的人，以滿足他們的需要。一般來說，BCI通信可以通過三種方式實現(xiàn)：侵入性、部分侵入性和非侵入性技術(shù)。侵入性腦梗死和部分侵入性腦梗死使用的電極要么直接植入大腦，要么植入顱骨內(nèi)，但分別位于腦外。該方法的優(yōu)點是信號強度較非侵入性強。另一方面，當(dāng)外科手術(shù)將金屬絲和金屬針植入腦時，侵入性系統(tǒng)可能并不完全可靠。此外，該技術(shù)可能會被證明為倫理爭議。另一方面，無創(chuàng)BCI被認(rèn)為是非常安全的，盡管它有較低的信號清晰度。為人機交互開發(fā)了許多個人界面，如EPOC、mindball、神經(jīng)沖動執(zhí)行器和mindset[11]。在我們的學(xué)習(xí)心態(tài)系統(tǒng)中使用。

3 系統(tǒng)描述

所設(shè)計的系統(tǒng)構(gòu)建如圖所示1。

圖1 安全系統(tǒng)構(gòu)建示意圖

系統(tǒng)有兩個輸入（安全帶限位開關(guān)，NeuroSky耳機），三個輸出（汽車發(fā)動機，報警和照明設(shè)備），數(shù)據(jù)處理單元（Arduino）。首先，汽車的引擎不會打開，除非司機系好安全帶，這可以通過限位開關(guān)檢測到。其次，使用NeuroSky耳機檢測駕駛員的困倦駕駛狀態(tài)，激活報警和汽車燈光，提醒駕駛員和其他車輛駕駛員避免事故。Arduino單片機作為數(shù)據(jù)處理單元，處理來自安全帶限位開關(guān)和NeuroSky耳機的輸入，激活汽車點火系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。最后，BlueSMiRF是單片機的一個附加外設(shè)，支持與NeuroSky耳機進行藍牙通信。

3.1 安全帶限位開關(guān)

本工程中使用的常開（NO）限位開關(guān)嵌入安全帶中。在電池和點火系統(tǒng)之間串聯(lián)的限位開關(guān)。無限位開關(guān)的工作原理如下：當(dāng)安全帶系緊時，按下活塞，導(dǎo)致電路關(guān)閉，電池連接到汽車點火系統(tǒng)。另一方面，如果沒有壓住柱塞，電路就會打開，也不會有電流將汽車點火系統(tǒng)與電池隔離開來。在這種情況下，司機將無法駕駛汽車。

3.2 Arduino UNO

Arduino Uno是一個開源軟件。是一款非常適合單片機入門的開發(fā)板，采用AVR單片機ATmega328P作為主控制器，集成開發(fā)環(huán)境為Arduino IDE，可以幫助初學(xué)者快速掌握單片機技術(shù)?；贏Tmega328的單片機板。它通過從不同的開關(guān)和傳感器獲取輸入，控制不同的設(shè)備，如光、電機和其他輸出設(shè)備，與周圍環(huán)境進行交互。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳，16mhz陶瓷諧振器，一個USB連接，一個電源插口，一個ICSP頭和一個復(fù)位按鈕。在本項目中使用它，是因為它還提供了UART TTL（5V）串行通信，可以在數(shù)字引腳0（RX）和1（TX）以及藍牙通信上使用。Arduino IDE軟件用于編寫單片機語言程序。Arduino IDE是一個運行在Windows、Mac OS X和Linux上的開源軟件。Arduino語言只是一組C/ c++函數(shù)。

3.3 BlueSMiRF

BlueSMiRF是由SparkFun Electronics替換的藍牙無線串行電纜，它作為串行（RX/TX）管道工作。從9600到115200bps的任何串行流都可以從您的計算機/微型計算機無縫地傳遞到您的目標(biāo)。它是單片機的一個附加外設(shè)，用于支持藍牙通信。藍牙調(diào)制解調(diào)器（BlueSMiRF）的波特率與單片機不同。BlueSMiRF的默認(rèn)波特率是115200，而Arduino板的波特率是57600。因此，在我們的項目中，將BlueSMiRF配置為與Arduino板具有相同的波特率。

3.4 腦波技術(shù)和NeuroSky腦波耳機

大腦由數(shù)十億相互連接的神經(jīng)元組成，它們之間的交流語言是電的形式。每一種大腦狀態(tài)都有一種獨特的相互作用模式，這種模式會產(chǎn)生一種獨特的放電，在正常的成年人腦內(nèi)，這種放電的范圍通常在1到100紫外線之間。腦電圖（EEG）是一種記錄神經(jīng)細胞協(xié)同作用產(chǎn)生的電信號的技術(shù)。NeuroSky耳機是一種工具，用來接收大腦的電子活動，然后根據(jù)頻率分成不同類型的l波，從而推斷出大腦的狀態(tài)。該設(shè)備的功能包括腦電圖腦監(jiān)測技術(shù)和無線藍牙連接。該裝置由耳機、耳夾和干式傳感器（單電極）組成。傳感器放置在前額區(qū)域。利用耳夾電極，從FPI中提取腦電圖數(shù)據(jù)利用ThinkGear ASIC芯片對采集到的信號進行放大和濾波。該芯片是由NeuroSky公司開發(fā)的數(shù)字信號處理器（DSP）。

3.5 報警裝置

本項目使用的蜂鳴器作為機電音頻信號裝置，產(chǎn)生響亮的聲音來提醒駕駛員。它的運行在3-24V之間，最小聲音輸出在95分貝。

4 系統(tǒng)效果與優(yōu)勢

除非司機系好安全帶，否則汽車不會發(fā)動?？劬o安全帶連接限位開關(guān)，使駕駛員能夠點燃發(fā)動機。然后啟動安全駕駛檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由Mind wave耳機、BlueSMiRF和單片機組成。它檢測司機的狀態(tài)是否清醒。耳機感知到信號，并通過BlueSMiRF將其發(fā)送到單片機。單片機根據(jù)編寫的程序?qū)π盘栠M行分析，如果司機沒有醒著，單片機就會啟動報警和燈光。

項目實施在構(gòu)建系統(tǒng)之前，對每個設(shè)備的功能分別進行了測試。該程序是由Arduino IDE軟件使用Windows 8編寫的，代碼在安裝到汽車之前在白板上進行了測試。首先，該系統(tǒng)在原型車上進行了測試，在電池和電機之間串聯(lián)了帶限位開關(guān)的安全帶。當(dāng)安全帶系緊時，限位開關(guān)關(guān)閉電路，讓電流從電池流向點火系統(tǒng)，使汽車準(zhǔn)備好運行。其次，駕駛員佩戴NeuroSky耳機，模擬睡眠和清醒狀態(tài)。NeuroSky耳機用于檢測腦電波信號的變化，并在此基礎(chǔ)上立即激活報警系統(tǒng)（報警和信號照明系統(tǒng)）。

該系統(tǒng)在2名年齡在22歲至25歲之間的男性受試者中進行了測試。在安全帶安全系統(tǒng)測試中，兩名司機都被迫系好安全帶才能啟動引擎。司機沒系好安全帶，引擎就發(fā)動不起來了。為驗證安全駕駛檢測系統(tǒng)的功能，進行了初步測試。每個受試者表演5個預(yù)告片。如果系統(tǒng)檢測到瞌睡駕駛并激活汽車報警/照明系統(tǒng)，則每個試驗結(jié)果的準(zhǔn)確率為100%。每個受試者的5個測試的平均準(zhǔn)確度為90%。

汽車安全系統(tǒng)設(shè)計成功，精度達到90%。預(yù)計這一系統(tǒng)將大大減少交通傷害和死亡。該系統(tǒng)還確保司機遵守安全規(guī)則，如系好安全帶，以及在駕駛時保持清醒。雖然許多系統(tǒng)都是為了檢測困倦駕駛而設(shè)計的，但該系統(tǒng)的優(yōu)點是：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可以安裝在任何車輛上。價格便宜，整個系統(tǒng)不會超過1000元。精度更高，因為該系統(tǒng)依賴于腦電波信號，而不是頭部或眼睛的運動。更安全，系統(tǒng)將提醒困倦的司機和周圍的司機。該系統(tǒng)是簡單的，只由幾個組件組成，易于故障排除。

5 結(jié)論

綜上，本文提出的智能汽車安全系統(tǒng)可以有效的保證準(zhǔn)確率，在未來，計劃是設(shè)計一款更小尺寸的耳機，讓駕駛者感覺更舒適穿的。預(yù)計不戴耳機汽車將無法啟動。另一個功能可以包括連接安全帶系統(tǒng)到齒輪箱，如果司機不扣上安全帶，將限制車速。

[1] 呂穎.智能駕駛汽車的預(yù)期功能安全[J].汽車文摘,2019(09):1-7.

[2] 李國軍.汽車安全駕駛及應(yīng)急處置技術(shù)分析[J].時代汽車,2019(12): 32-33.

[3] 周德明.汽車駕駛中存在的安全隱患及其防范對策分析[J].科技風(fēng),2019(24):207.

The Design and Implementation of the Modern Intelligent Vehicle Safety System

Han Song

（Jilin Communications Vocational and Technical College, Jilin Changchun 130012）

With the gradual penetration of artificial intelligence and Internet technology in the field of automobile, its safety is still one of the most important characteristics of modern automobile, so safety has also attracted the attention of many researchers and developers in the field of automobile design. In recent years, there has been a significant increase in the number of car accident deaths due to sleeping while driving and not wearing seat belts. In this case, people try to design a car safety system, in which the car will not drive unless the driver fastens his seat belt, and the driver will be vigilant if he finds a doze. In this system, different EEGs are collected by using NeuroSky EEG headset. Figure (EEG). In addition, a limit switch circuit is designed between the seat belt and the ignition system for controlling the starting of the engine. Finally, using the Arduino single chip and its software as the signal processing unit, the safety system in the vehicle is controlled. The experimental results show that the system can improve the safety performance of the driver.

Intelligent vehicle; Safety function; Electroencephalogram; Seat belt; System design

V323

B

1671-7988(2019)24-41-03

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.013

韓嵩（1987.07-）吉林長春人，男，初級，碩士，就職于吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院。