疲劳检测器电路

　　DM驾驶员疲劳监测系统

　　驾驶员检测系统（Driver Monitoring），最早出现于飞机、高铁等具有自动驾驶或高阶级辅助驾驶的领域中（本文只讨论汽车领域的DM系统），是一种基于人体生理反应特征的驾驶员疲劳监测预警系统。目前从整体架构来讲分为直接检测和间接检测两类。

　　首先，DM系统中的直接检测是基于图像识别和触控传感技术展开的。该检测系统通过方向盘内集成的传感器将驾驶员的面部细节以及心脏、脑电等部位的数据进行收集，再根据这些部位数据变化判断驾驶员是否处于疲劳状态。往往这个过程相对繁琐，需要对驾驶员进行多方面的数据收集。而间接检测是针对驾驶员驾车行为分析，即通过记录和解析驾驶员转动方向盘、踩刹车等行为特征，判别驾驶员是否疲劳。

　　下图为DM系统判定驾驶员驾驶状态的认知维度表，分别从任职工作负荷（Cognitive workload）、驾驶习惯（Driving style）、物理位置（Physical position）、身体状况（Medical condition）四个维度判断。

　　现阶段主流车系的应用方案

　　目前丰田的DM方案是由丰田旗下的Denso提供的，主要应用在雷克萨斯以及丰田商用车上。该方案采用一台NIR的红外传感器与一体化ECU组成，装配在驾驶员位置。通过摄像头对驾驶员面部状态以及眼睛的开合频率进行数据采集，从而判断车辆的行驶状态。此方案具有相当高的识别率，但是装配成本相对较高。

　　而现阶段德系车型的DM方案都是基于方向盘转向角速度的单向变化率来进行判断的。同时通过车内硬件配置的使用情况将车速、行程、发动机状态、转向角、横向加速度、偏转率、车门的情况、安全带的情况、时间信号等操作进行综合运算之后，得到一个驾驶员的情况。但是由于系统仅对汽车内部情况进行分析，缺少其他维度的支持，得到的数据存在一定的偏差。

　　相较于德系的方案，福特的技术就更加讨巧。该方案为了进一步提高整个算法的准确性，将车辆行驶轨迹、驾驶员行为、周围环境以及生物监测信息四个维度进行检测。数据的丰富性使得福特的DM系统的准确性大幅度提升，但是对于系统本身硬件来说，数据的运算能力需要一个单独的模块进行整合。

　　通过比较可以发现，市场上的DM系统很难将测量准确性和装配成本这两者之间进行平衡，所以现阶段基于图像技术的DM系统是最优的选择。

　　疲劳检测电路

　　人体疲劳测试器的电路如图所示，它实质上是一个由555时基集成电路A为核心元器件而构成的，是频率可调式无稳态自激多谐振荡器。A所输出的振荡信号直接驱动发光二极管VD产生同步闪光，通过观察闪光来自我测试身体。尤其是眼睛是否疲劳。

　　众所周知，人的眼睛有一个重要的被称为“视觉暂留特性”（也称“视觉惰性”）的现象。即人们所看到的物体消失后，其图像在眼睛中并不会随之立即消失，而是仍将留下0．1～0.2秒的短暂视觉印象。正是由于人眼有这个特性，所以人们看电影、看电视和在普通荧光灯下工作时，虽然上述这三样东西都存在着一定的闪动频率，但人眼所看到的画面或运动物体等却是连续的，而不是闪动或断续的。实践证明：当频率连续可调节的闪光作用于人眼时，人眼对断续闪光刚刚产生连续融合感觉的频率（称“临界闪烁频率”），与人的疲劳程度和饮酒量等有关。当人疲劳、尤其是用眼过度时，人眼的视觉暂留时间会延长，所感觉到的临界闪烁频率将会显著下降，人体疲劳测试器正就是利用这一参数变化来测试人的疲劳程度的。

　　电路工作过程：闭合电源开关SA，由555时基集成电路A及其外围阻容元器件构成的自激多谐振荡器通电工作。刚接通电源时，电容器C两端电压为0V，A的输出端第3脚为高电平，发光二极管VD（LED）点亮。随着电池G通过电阻器R1、电位器RP和电阻器R2对C的不断充电，C两端电压不断上升。当C两端充电电压达到2／3VCC（Vcc表示A的工作电压）时，A内部电路翻转，其第3脚输出变为低电平，VD熄灭；同时，A的第7脚内部所接放电三极管导通，C通过R2、RP和A的第7脚放电。当C两端电压放电至1／3Vcc时，A内部电路再次翻转，A的输出端第3脚又一次变为高电平，VD再次点亮。如此周而复始，形成无稳态振荡，并使VD发出同步闪烁光来。调节RP可改变电路的振荡频率，从而使VD闪烁频率在一定范围内连续可调。R3是VD的限流电阻器，它的阻值大小决定了VD发光时的亮度。

　　对于VD发出的按一定频率闪烁的亮光，不疲劳的人可以准确地看出亮光在闪烁。而疲劳的人由于视觉暂留时间延长，便不能够看出亮光在闪烁。通过改变VD发光的闪烁频率，让被测者判断亮光是否闪烁，即可测试出被测试者是否疲劳以及疲劳的程度等。由于大多数人在正常情况下所能感测到的临界闪烁频率为30～40Hz，所以我们将RP的频率调整范围设计在20～60Hz之间。

　　A选用NE555或μ A555、LM555、5G1555等型555时基集成电路，它是一种模拟、数字混合集成电路，其引脚功能如图所示。555时基集成电路具有定时精确、驱动能力强、电源电压范围宽、外围电路简单及用途广泛等特点。非常适合电子爱好者制作时使用。

　　VD用普通φ5mm红色发光二极管。如BT-204型等。这里采用发光二极管VD做发光源，和小白炽灯泡比较而言，具有发光惰性小、工作频率高、耗电省及寿命长等特点。

　　R1～R3均用RTx-1／8W型碳膜电阻器。RP用WS5—1型小型有机实芯电位器，亦可用WH9—1型合成膜电位器等oC用C14D型独石电容器oSA用CKB-1型拨动开关。G用6F22—9V型叠层干电池。

　　如上图所示为该测试器的印制电路板接线图，印制电路板实际尺寸约为40mm×25mm。

　　焊接好的电路板按照下图所示，装入体积合适的绝缘密闭小盒（如塑料香皂盒等）内。盒面板开孔固定电源拨动开关SA，并分别开孔引出发光二极管VD的发光帽、伸出电位器RP的轴柄。在RP的轴柄上安装一只合适的旋钮，并在面板上刻出旋钮调节挡位。电池G通过带引线的电池扣板与电路板接通。电池扣板可从废旧叠层干电池上拆取，并焊上引线即行。由于电池扣板与叠层干电池之间的接触扣是凹凸相扣，所以在电池扣板上，应是凹扣接电路正极引线，凸扣接电路负极引线。

　　制作成的人体疲劳测试器，只要元器件质量保证，接线无误，不须任何调试便可满意工作。由于采用发光二极管VD做光源，所以不论在白天或夜晚均可使用。

　　使用时，一般可采取对比测试法。让被测试者观察图4所示发光二极管VD的闪光，并顺时针方向缓慢旋转电位器RP的旋钮（指示刻度由0至10），闪光频率随之不断提高。当被测试者观察不出VD的间断闪烁时，这时如果别人（已知是不疲劳者）仍能看出 VD的间断闪烁，说明被测试者已疲劳；如果别人也同样看不出间断闪烁。则说明被测试者不疲劳。

　　也可采取自我测试法。在已知自己不疲劳时（可在休息良好、身体恢复得最为彻底的星期天早晨醒来时进行），顺时针方向缓慢转动电位器RP旋钮（指示刻度由O至10），在疲劳测试器上找出刚刚不能看出VD间断闪烁的一点（即“临界闪烁频率”点），并做好记号，将刻度划分成为左边的“闪烁区”和右边的“非闪烁区（指眼睛分辨不出间断闪烁）”两部分。以后自我测试时，如果在“闪烁区”内的刻度处就看不出明快的间断闪烁光，并感觉眼前直冒火星时，说明自己已经疲劳了；并且指示刻度的数字越小，说明越疲劳。