基于FPGA的疲劳驾驶检测系统

驾驶员疲劳驾驶是造成交通死亡事故的重要原因之一。目前检测疲劳驾驶主要有检测驾驶员生理变化指标、驾驶员外部特征变化或者驾驶员行为及其引起的车辆运动特征的变化等几种方法。本项目利用加速度传感器检测疲劳驾驶，以FPGA作为嵌入式控制核心，控制加速度传感器采集车辆行驶时的转向加速度与驾驶员头部运动状态等信号，经过相关算法对数据进行处理后得出驾驶员疲劳值，通过TFT显示屏显示相应的信息，在疲劳值超出预设值时将进行语音提示，用户可以通过触摸屏输入进行操作。系统具有准确、便捷、成本低的特点，具有极大的社会价值和商业价值。

1项目背景

1.1研究背景

1.1.1疲劳驾驶的社会危害

驾驶疲劳，是指驾驶人在长时间连续行车后，产生生理机能和心理机能的失调，而在客观上出现驾驶技能下降的现象。驾驶人睡眠质量差或不足，长时间驾驶车辆，容易出现疲劳。驾驶疲劳会影响到驾驶人的注意、感觉、知觉、思维、判断、意志、决定和运动等诸方面。疲劳后继续驾驶车辆，会感到困倦瞌睡，四肢无力，注意力不集中，判断能力下降，甚至出现精神恍惚或瞬间记忆消失，出现动作迟误或过早，操作停顿或修正时间不当等不安全因素，极易发生道路交通事故。

交通事故统计分析表明，驾驶员疲劳驾驶是造成交通死亡事故的重要原因之一。日本的事故统计揭示，因疲劳产生的事故约占1~1.5%。法国国家警察总署事故报告表明，因疲劳瞌睡而发生车祸的，占人身伤害事故的14.9%，占死亡事故的20.6%。而在高速公路上，通过对2010年1月至12月因疲劳驾驶而发生交通事故致人死亡的案例分析，90%以上是由货运司机疲劳驾驶造成的。

因此，检测疲劳驾驶，对预防交通事故的发生有重要意义。

1.1.2基于加速度传感器疲劳驾驶检测的优越性

目前检测疲劳驾驶的方法主要有以下几种：

利用生理传感器检测驾驶员的生理变化指标，如脑电、心电、心率、呼吸等；

检测疲劳驾驶时驾驶员的外部特征变化，如眨眼、点头；

检测驾驶员行为及其引起的车辆运动特征的变化，如换挡，油门以及车辆加速度、车载车道中的位置等。

利用加速传感器的疲劳驾驶检测方法隶属于第三种。现有的产品中，第一种会使用到带有侵入性的生理传感器，让驾驶员十分不舒服，因而使用范围十分有限；第二种主要是利用机器视觉检测眨眼或者瞳孔大小变化，它的优点是检测精度高，但是受光线等外界环境影响比较大。第三种是属于车载传感器，因而使用起来十分方便，完全可以集成到车辆中，具有广泛的应用前景。

1.1.3应用拓展

当产品足够成熟时，它将得到广泛的应用。

如果实现联网，当出现异常车辆运动状态，判定为交通事故，可以实现报警，并且通知其他车辆，避免出现交通拥堵；

如果能将司机的疲劳驾驶行为记录在案，传送给交通部门，可以作为驾驶员的信用记录，便于交通部门管理和执法。

1.2项目意义

在“以车代步”、物流快速发展的今天，检测疲劳驾驶，预防交通事故，为每一个家庭护航，有利于维护社会稳定，具有重要意义。通过检测车辆运动特征的疲劳驾驶检测方法具有准确、便捷、成本低的特点，但是目前，世界上还没有通过检测车辆运动特征的疲劳驾驶检测系统，基于加速度传感器的疲劳驾驶检测仪的出现填补了这方面的空白，研究具有极大的社会价值和商业价值。

2项目方案

2.1系统概述

2.1.1产品模型图

如图 2-1所示是产品TFT显示屏面板示意图。

图 2-1  系统TFT显示屏面板

本检测仪LCD面板由四个部分组成：

疲劳曲线绘制区：本区间占面板绝大部分，形象的再现驾驶员驾车过程中的精神状态，有利于分析疲劳程度的趋势，做出有效预测。

信息提示区：本区分为三个部分，疲劳进度条可以更加直观的反应当前时刻的疲劳程度；状态指示灯指示是否到达疲劳警戒线，当到达警戒线时它会变成红色；文字提示疲劳程度。

功能按钮区：功能按钮区有三个键，暂停键是在特殊情况是暂停记录，历史记录按钮可以点出客户想看的疲劳驾驶曲线，设置键主要设置时间。

时间和电量显示区：显示当前时间和剩余电量。

2.1.2产品功能概述

基于加速度传感器的疲劳驾驶检测仪主要有以下几项功能

实时监测车辆运动参数，识别驾驶员是否处于疲劳驾驶状态；

语音报警功能；

记录驾驶状态历史，便于驾驶员分析规律，养成良好驾驶习惯。

2.1.3系统框图

系统以FPGA作为嵌入式控制的核心，FPGA芯片选择Xilinx Spartan-6 XC6LX16-CS324。疲劳检测系统主要由嵌入式控制单元、存储单元、传感器电路、电源电路、语音电路、外围接口电路等部分组成。

图 2-2  系统结构框图

系统利用加速度传感器采集车辆行驶时的转向加速度与驾驶员头部的运动状态等信号，传输到CPU，通过算法加速模块计算出当前的疲劳值后，将结果以疲劳曲线的形式绘制在TFT显示屏上。一定时间后将疲劳值信息存储到SD卡中，方便后续的查看。用户可以通过电阻式触摸屏实现人机交互，如查看历史记录。

各部分功能如下：

控制单元：负责管理硬件资源和软件任务间的通信和调度，实现界面显示和用户交互，采集加速度传感器的信息，通过算法计算出疲劳值，控制电池的充放电以及语音报警提示。

存储单元：存储Bootloader、Linux内核镜像以及用户应用程序，以实现嵌入式系统的正常运行。在用户存储空间保存用户的疲劳信息，以便查看。

外围接口模块：实现系统与外围设备的通信。如UART、I2C、SPI、VGA等接口。有些特殊器件通过设计相应的接口IP实现通信。