一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法技术

本发明专利技术涉及一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，包括以下步骤，在驾驶员座椅靠背上安装柔性压力传感器阵列，监测驾驶员紧贴靠背时各压力传感器监测点的压力分布；根据压力分布情况，通过极限学习机算法识别驾驶员坐姿，进而监测驾驶员坐姿的变化频度；通过坐姿舒适度判别和坐姿变化频度统计，评价生理疲劳状态；并且，通过监测的压力传感器信号降噪提取心冲击信号；通过心冲击信号熵值大小判定心理疲劳状态。本发明专利技术区分了驾驶疲劳类型，从而为针对性的提出疲劳驾驶干预控制措施提供了指导。

A method of monitoring physical and mental fatigue in driving at the same time

【技术实现步骤摘要】
一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法
本专利技术属于疲劳驾驶监测预警领域，尤其是涉及一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法。
技术介绍
交通事故被认为是危害世界多数国家人民生命安全的主要原因之一，根据交通部门事故统计数据，我国每年因交通事故所造成死亡人数已不少于50万，每年由疲劳驾驶所引起的交通事故至少占20％，由此造成的直接经济损失多达数百万。驾驶过程中的疲劳主要分为两类：(1)肌肉静力做功及睡眠不足引起的生理性疲劳；(2)神经中枢高强度工作引起的心理疲劳。针对上述两种疲劳产生原因，驾驶疲劳通常是一种生理和心理疲劳共同作用的混合型疲劳，鉴于驾驶疲劳的产生机制复杂，目前的驾驶疲劳监测鲜有区分疲劳类型的成果，尽管各类疲劳均会导致驾驶违规倾向增加和驾驶能力降低，但对于驾驶的影响程度和驾驶能力降低的差异未能明确的区分。本专利技术涉及了一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法。本专利技术可区分驾驶疲劳类型，从而为针对性的提出疲劳驾驶干预控制措施提供指导。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，其仅通过使用柔性压力传感器阵列，针对驾驶员在长期不舒适坐姿下驾驶并发生生理疲劳后，驾驶坐姿不断调整以恢复舒适驾驶坐姿的现象为依据，判定生理疲劳。针对驾驶员神经中枢高强度工作并心理疲劳后，心冲击信号的非线性复杂度降低为依据，判断心理疲劳。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，包括以下步骤：S10：在驾驶员座椅靠背上安装柔性压力传感器阵列，监测驾驶员紧贴靠背时各压力传感器监测点的压力分布数据；S20：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶生理疲劳，具体步骤包括S201-S203：S201：建立驾驶坐姿姿态角模型并通过舒适度建模获得舒适坐姿分类；S202：根据压力分布情况，通过极限学习机算法识别驾驶员坐姿，并判别驾驶员坐姿是否为舒适坐姿；S203：通过坐姿舒适度判别和坐姿变化频度统计，评价生理疲劳状态；S30：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶心理疲劳，具体步骤包括S301-S302：S301：通过监测的压力传感器信号的频域滤波降噪，提取心冲击信号；S302：通过心冲击信号K2熵值降低判定心理疲劳状态。在上述技术方案中，步骤S201中，以颈椎屈曲角度A1、肘关节角度A2、髋关节角度A3和膝关节角度A4作为相关变量评估坐姿姿势，根据主观问卷，获得舒适的坐姿角度。在上述技术方案中，步骤S202中，还包括以下三个步骤：1)特征提取前的图像处理(1)采用灰度变换处理压力分布图像；(2)采用中值滤波法进行降噪；(3)通过适当的阈值将灰度图像转换为二值图像，另外，二值图像检测到边缘；(4)提取最小包围矩形；2)特征参数选择与计算从压力分布图像中提取了三类19个特征参数，包括：(4)由最小包围矩形计算的几何特征，包括周长、面积、圆度和不变矩hu(1)–hu(7)；(5)灰度共生矩阵计算出的纹理特征，包括能量平均值、能量标准差、熵平均值、熵标准差、惯性矩平均值和惯性矩标准差；(6)颜色特征，包括红、绿和蓝色；3)在获得19个特征参数后，使用下面公式执行归一化过程：Qi*＝Qi/max|Qi|Qi代表上述19个特征参数，Qi*是归一化特征值；通过极限学习机算法，将符合舒适坐姿特征的图像归类为舒适坐姿，不符合的为不舒适坐姿。在上述技术方案中，步骤S203中，在确保舒适坐姿的情况下，选取压力传感器上压力值最大点进行驾驶过程中体动信号的提取，选取一定时间进行分段，计算坐姿变化体动次数，从而得到坐姿变化频度信息，坐姿变化频度越大，生理疲劳越严重。相对于现有技术，本专利技术所述的一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法具有以下优势：采用了柔性压力传感器阵列作为监测设备，可以根据驾驶员的坐姿发生形变，更好的与驾驶员后背贴合，同时传感器阵列的面积大，提高了监测的准确性和监测的范围；该方法可以通过一种传感器监测两种不同产生原因的驾驶疲劳，避免了因布置多种类传感器而增加硬件成本的问题，同时避免了数据融合算法计算量大的问题。附图说明图1为本专利技术实施例所述的一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法示意图；图2为本专利技术实施例所述柔性压力传感器阵列安装示意图；图3为本专利技术实施例所述柔性压力传感器阵列压力传感器布局图；图4为本专利技术实施例所述的柔性压力传感器阵列采集的压力分布图；图5为本专利技术实施例中压力随时间变化曲线；图6为本专利技术实施例所述的驾驶坐姿姿态角模型；图7-10是本专利技术实施例中四种典型坐姿下的压力传感器矩阵获得的图像；图11为本专利技术实施例中的坐姿变化体动次数统计图；图12为本专利技术实施例所述的SD主观评价与生理疲劳指标量的变化趋势；图13为本专利技术实施例所述的柔性压力传感器阵列采集提取的心冲击信号；图14为本专利技术实施例所述的SD主观评价与心理疲劳指标量的变化趋势。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。参见附图2，在汽车座椅靠背上布设柔性压力传感器阵列，柔性压力传感器阵列的大小以能完全覆盖驾驶员背部为准，本实施例使用了图3所示的16×16阵列布局。在驾驶员背部紧靠驾驶座椅时，开始信号采集并传输至上位机。此时上位机获得如图4所示的压力分布图，获得256组如图5所示的压力随时间变化曲线。一、根据获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶员的生理疲劳，方法如下：(1)建立驾驶坐姿姿态角模型并通过舒适度建模获得舒适坐姿分类。建立的驾驶坐姿姿态角模型如图6所示，以颈椎屈曲角度A1、肘关节角度A2、髋关节角度A3和膝关节角度A4作为相关变量评估实验坐姿姿势，根据主观问卷，获得舒适的坐姿角度为：颈椎屈曲角度130°–160°，肘关节角度92°–153°，髋关节角度99°–115°，膝关节角度112°–139°。选取颈椎屈曲角度作为分类变量，将调查问卷获得的前四类最舒适坐姿示于表1。表1舒适度范围和典型的姿势角度姿势将四种典型坐姿下的压力传感器矩阵获得的图像在图7～图10中表示。(2)通过极限学习机ELM对驾驶坐姿进行识别并判别其舒适度。将表2中的四类驾驶坐姿模型分类输入极限学习机进行学习，设有N种训练样本，(xi,ti)i＝1,...,N.xi∈Rn，n代表输入数据的维数，ti∈{1,...,m}，m为标签数据的维数，ELM的隐藏节点设置为输出函数为G(ai,bi,x)。因此，ELM模型可以描述为：其中输入权重和偏差是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS10：在驾驶员座椅靠背上安装柔性压力传感器阵列，监测驾驶员紧贴靠背时各压力传感器监测点的压力分布数据；/nS20：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶生理疲劳，具体步骤包括S201-S203：/nS201：建立驾驶坐姿姿态角模型并通过舒适度建模获得舒适坐姿分类；/nS202：根据压力分布情况，通过极限学习机算法识别驾驶员坐姿，并判别驾驶员坐姿是否为舒适坐姿；/nS203：通过坐姿舒适度判别和坐姿变化频度统计，评价生理疲劳状态；/nS30：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶心理疲劳，具体步骤包括S301-S302：/nS301：通过监测的压力传感器信号的频域滤波降噪，提取心冲击信号；/nS302：通过心冲击信号K2熵值降低判定心理疲劳状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S10：在驾驶员座椅靠背上安装柔性压力传感器阵列，监测驾驶员紧贴靠背时各压力传感器监测点的压力分布数据；
S20：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶生理疲劳，具体步骤包括S201-S203：
S201：建立驾驶坐姿姿态角模型并通过舒适度建模获得舒适坐姿分类；
S202：根据压力分布情况，通过极限学习机算法识别驾驶员坐姿，并判别驾驶员坐姿是否为舒适坐姿；
S203：通过坐姿舒适度判别和坐姿变化频度统计，评价生理疲劳状态；
S30：以步骤S10获得的靠背压力分布为数据依据，识别驾驶心理疲劳，具体步骤包括S301-S302：
S301：通过监测的压力传感器信号的频域滤波降噪，提取心冲击信号；
S302：通过心冲击信号K2熵值降低判定心理疲劳状态。


2.根据权利要求1所述的一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，其特征在于：步骤S201中，以颈椎屈曲角度A1、肘关节角度A2、髋关节角度A3和膝关节角度A4作为相关变量评估坐姿姿势，根据主观问卷，获得舒适的坐姿角度。


3.根据权利要求1所述的一种同时监测驾驶中生理和心理疲劳的方法，其特征在于：步骤S202中...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永翔，孙宏昌，邓三鹏，刘朝华，祁宇明，王鹏，段景乐，王彤，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12