行车安全综合预警.docx

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行车安全综合预警

作品论文报告

作品名称：

行车安全综合预警装置

学校全称：

滁州学院

申报者姓名

（集体名称）：

郭旭、陈晓宝、王涛、李梅

类别：

□自然科学类学术论文

□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文

科技发明制作A类

□科技发明制作B类

目录

1、引言3

1.1研究背景3

1.2研究现状4

1.3行车安全综合预警系统设计5

2、行车安全综合预警装置总体功能6

2.1醉酒驾驶预警系统6

2.2疲劳驾驶预警系统6

2.3行车实时监控系统7

3、醉酒驾驶预警系统设计8

3.1设计背景8

3.2设计内容8

3.3实际应用10

4、疲劳驾驶预警系统12

4.1设计背景13

4.2系统介绍14

4.2.1脸部识别模块15

4.2.2声波识别模块16

4.3预警模块18

5、行车实时监控系统20

5.1背景20

5.2设计内容20

5.3实际运用21

6、总结23

6.1遇到的问题23

6.2小组成员23

1、引言

1.1研究背景

世界卫生组织的数据显示，全球范围内每年由于交通事故导致死亡人数超过100万，约合每25秒就有一个人因交通事故遇难。

欧洲的统计结果表明驾驶员疲劳驾驶导致发生灾难事故的比率超过10%，特别是经常进行24小时任意时间工作的货车，疲劳驾驶引起的灾难事故可以达到60%。

美国CMU的研究人员利用汽车驾驶模拟器来研究交通事故与疲劳驾驶的关系,研究得出结论：

所有机动车重大事故引起因素中疲劳驾驶的比例约为9.1%，在夜晚的比例更是高达19.9%。

在我国还存在着性质更为恶劣的饮酒驾车，2009年1月21日，河南灵宝市司机王卫斌醉驾宝马车连撞多人，造成6死6伤的惨剧；5月22日，上海司机庆某酒后驾车肇事，连撞4人，2人死亡；7月16日，郑州傅某无证醉酒驾车连撞11人，致3死8伤重大事故，再到备受社会关注的成都孙伟铭醉酒并无证驾驶造成4死1伤、南京张明宝醉酒驾驶造成5死4伤等恶性案件。

据了解，自2009年8月15日公安部在全国开展酒后驾驶违法行为专项整治行动以来，截至12月31日，全国共查处酒后驾驶违法行为30.4万起，其中醉酒驾驶4.1万起，占查处总量的13.6％。

专项整治行动共罚款处罚30.4万人次，暂扣驾驶证27.3万本，行政拘留3.7万人次。

1993年，我国因超速行驶造成的交通事故为9000起，随着机动车数量的大幅增长，这个数据也大幅提升。

2004年，我国因超速引起的交通事故一度达到64489次，造成的死亡人数也一度多达到18407人。

2009年，我国超速行驶造成的交通事故达到23990起，尽管只占2004年的37.2%，但仍造成9504人死亡，相当于每5起因超速行驶造成的交通事故发生，便有2个人死亡。

表1“十一五”期间全国交通事故统计

年份

事故次数

死亡人数

直接经济损失（万元）

2010

219521

65225

93000

2009

238351

67759

91000

2008

265204

73484

10100

2007

327209

91649

12000

2006

378710

89445

14895

以上可以得知汽车行驶安全问题主要分为醉酒驾驶、疲劳驾驶、超速行驶三大方面，本作品针对以上三个方面的问题，分别的设计了酒驾检测装置、疲劳检测系统和激光测速测距装置三大模块对汽车行驶的安全性能进行改造，使汽车行驶更为安全可靠。

图1-1高速公路事故主要成因

1.2研究现状

疲劳驾驶是引发道路安全事故的一个重要因素。

现有的疲劳驾驶检测大多是针对驾驶员异常行为的检测，结合预设系统做出判断，由于此类方法的疲劳驾驶检测需要采集大量数据，且不同的驾驶员各种驾驶习惯各有不同，因此此类型的设计在实时、准确上存在着不足。

如何快速、准确的检测到驾驶员的疲劳状况，给予提醒，在严重的时候采取强制措施降低车速并向外发出警示，对减少因疲劳驾驶而产生的事故有重大的意义。

本系统采用人脸识别技术采集驾驶人员的脸部特征和声波定位驾驶员头部位置，判断疲劳度。

在国内外有很多此种类型的设计和产品，大多数都存在着技术上或者设计上的缺陷。

酒精测试仪，驾驶员可以躲避测试或者让同车人来吹气；疲劳检测器，由于设计问题可能妨碍驾驶员视线，也由于技术问题并不能准确的检测到驾驶员的疲劳程度；激光测速测距装置可能会出现检测误差等等。

1.3行车安全综合预警系统设计

针对以上提到的问题，本小组依据已有的设计或产品进行优化，更是在此之上进行了创新。

在酒精测试方面添加了驾驶过程中酒精浓度的检测，避免了驾驶员躲避检测或者同车人代为检测的问题；在疲劳驾驶方面我们综合两个检测手段，增大了检测的容错率，降低了误检误报的概率；创新的设计了激光测速测距装置，方便了驾驶员在驾驶时对路况的判断，提供了一个更为安全的驾驶环境。

2、行车安全综合预警装置总体功能

随着经济飞速的发展，拥有汽车的人也越来越多。

虽然给我们的生活带来了便利但是车祸也在不断的增加。

我们这个行车安全综合预警装置可以有效车祸的发生，使我们在享受到汽车给我们生活打来的便利时也不用担心安全隐患。

行车安全综合预警装置是一套集合多种检测系统的综合预警装置。

2.1醉酒驾驶预警系统

这种醉酒驾驶预警系统装置，其特征在于，包括三个型号相同的压力传感器和四个酒精传感器以及无线收发装置，其中的三个压力传感器分别安装在方向盘下方、油门踏板下方和离合器踏板下方，四个酒精传感器采用结构相同的半导体传感器，依此安装于方向盘中央，副驾驶座右上方，左后座的左上方和右后座的右上方，三个压力传感器和和四个酒精传感器均连接于单片机的输入端，单片机的输出端上还连接有蜂鸣器及自动制动装置。

2.2疲劳驾驶预警系统

系统包括顺序连接的采集单元、处理单元和报警单元，采集单元设置：

获取驾驶员脸部实时图像信息的红外摄像头和声波采集设备；处理单元设置：

对图像信息进行增强处理的图像增强处理模块;对图像信息进行搜索得到驾驶员脸部虹膜区域图像信息和鼻孔区域图像信息的搜索模块；计算得到驾驶脸部当前虹膜面积和视线方向的计算，声波检测模块。

本系统可以对驾驶员疲劳、分心、走神进行实时监测及时报警，减少行车安全事故，并且处理速度快，报警精确，生产成本较低。

2.3行车实时监控系统

本系统利用激光雷达，特别是一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，它是联合利用伪随机码调制技术、光子计数技术、相当于探测技术和脉冲压缩技术的系统，可以高精度获取目标的速度和距离信息。

可将车子安全距离以内其他车的速度和距离提供给驾驶者，并对驾驶者进行提示。

上述三个系统采用的单片机均为单片机MC9S12XS128，它是16位单片机，由16位中央处理单元（CPU12X）、128KB程序Flash（P-lash）、8KBRAM、8KB数据Flash（D-lash）组成片内存储器。

图2-1总体结构设计

3、醉酒驾驶预警系统设计

3.1设计背景

随着经济和社会的发展进步，拥有汽车的人越来越多，醉酒驾驶以成为影响交通安全最大的隐患。

醉酒驾驶不仅带来严重的社会危害，给自身和他人的人生财产安全带来严重的威胁。

目前，我国醉酒驾驶的现象普遍存在，仅仅依靠罚款拘留不能从根本上限制醉酒驾驶，但是，目前针对醉酒驾驶没有合理有效的制止措施，致使有些车主无视法律规定，铤而走险醉酒驾驶，最终酿成车毁人亡的悲惨结局。

因此，很有必要对醉酒驾驶进行预防与限制，从而对自己，他人和社会都有益。

3.2设计内容

这种醉酒驾驶预警系统装置，其特征在于，包括三个型号相同的压力传感器和四个酒精传感器以及无线收发装置，其中的三个压力传感器分别安装在方向盘下方、油门踏板下方和离合器踏板下方，四个酒精传感器采用结构相同的半导体传感器，依此安装于方向盘中央，副驾驶座右上方，左后座的左上方和右后座的右上方，三个压力传感器和和四个酒精传感器均连接于单片机的输入端，单片机的输出端上还连接有蜂鸣器及强制熄火装置。

图3.2压力传感器和酒精传感器的位置

本装置中压力传感器采用HK-610G压力传感器，酒精传感器选择MQ-3乙醇传感器，单片机采用MC9S12XS128单片机，单片机上还连接有存储器。

本醉酒驾驶预警系统装置，包括用于采集车内不同位置酒精含量信息的第一酒精传感器、第二酒精传感器、第三酒精传感器、第四酒精传感器，用于接收和分析判断酒精含量信息在方的酒精传感器，同时第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器对驾驶员手握方向盘的力，油门踏板力，离合器踏板力进行实时检测，将每一段时间所采集到的数据直接送入主控单元，在单片机内，将所采集到的数据与单片机内所存储的驾驶员正常驾驶时的数据进行比较，进而可以判断该驾驶员是否醉酒驾驶。

若醉酒驾驶，则通过单片机控制蜂鸣器发出报警声，提醒驾驶员立刻停车，同时自动熄火装置自动熄火，通过无线设备向交警发出信息。

单片机上增加的存储器，将醉酒驾驶时的数据信息记录下来，为以后醉酒驾驶事故责任界定、划分提供有力的数据支持。

这样，可以有效的遏制醉酒驾驶。

3.3实际应用

如图一，此醉酒驾驶预警系统装置的具体电路框图，包括三个压力传感器和四个酒精传感器以及无线收发设备，其中第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器依此安装在方向盘下方、油门踏板下方和离合器踏板下方，第一酒精传感器、第二酒精传感器、第三酒精传感器、第四酒精传感器依此安装于方向盘中央，副驾驶座右上方，左后座的左上方和右后座的右上方，三个压力传感器和四个酒精传感器均连接于单片机的输入端，单片机的输出端上还连接有蜂鸣器及自动制动装置。

此醉酒驾驶预警系统装置中，压力传感器选择HK-610压力传感器，酒精传感器选择MQ-3乙醇传感器，单片机采用MC9S12XS128单片机，单片机上还连接有存储器。

此醉酒驾驶预警系统装置的主要原理是，当车辆发动机启动后本装置随之开始工作，通过安装于车内的四个酒精传感器检测空气中的酒精浓度信息，该信息被传送给单片机，单片机将四个信号进行比较分析。

如果第一酒精传感器的信号最大，且大于预先设定的酒精含量标准值，则判定醉酒人员为驾驶人，反之不然，同时用三个HK-610G压力传感器安装在方向盘下方、离合器踏板下方和油门踏板下面，对驾驶员作用在方向盘，离合器踏板，油门踏板上的力进行测量和统计。

只要驾驶员接通点火开关，就会接通MQ-3乙醇传感器与HK-610G压力传感器电路，MQ-3乙醇传感器和HK-610G压力传感器工作，断开点火开关，此时，MQ-3乙醇传感器与HK-610G压力传感器电路断开并停止工作。

驾驶员接通点火开关，开始车辆行驶，HK-610G压力传感器就会记录下驾驶人员作用在方向盘，离合器踏板，油门踏板上的力，同时MQ-3乙醇传感器对车内人员呼出气体中的酒精量进行实时检测分析。

本装置采用三个型号相同的压力传感器，分别设置在方向盘，离合器踏板，油门踏板下方，设置时隔为1.2s，对固定时隔大小内的数据进行相关性分析，根据心理生理学知识易知，驾驶员醉酒时大脑中枢神经麻痹，反映慢，且大脑指挥功能降低，具体表现在数据的波动性大小上，因此，对固定时窗内的方向盘的握力、制动踏板力以及油门踏板力进行相关性分析，两两取协方差，将所得到的数据与驾驶员正常驾驶时的数据相比较，如果大于阈值δ0，同时MQ-3乙醇传感器对驾驶员呼出气体中的酒精量进行实时检测，当确认是驾驶员呼出气体中酒精含量超出所设置数值时，则单片机控制蜂鸣器发出报警声，同时自动熄火装置启动，无线收发装置向交警发出信息。

单片机上增加的存储器，将醉酒驾驶时的数据信息记录下来，为以后醉酒驾驶事故责任界定、划分提供有力的数据支持。

这样，可以有效的遏制醉酒驾驶。

汽车自动制动装置：

是在汽车盘式制动器的基础上在制动盘上增加了一套盘式制动器。

这里称作副制动器。

副制动器有两条油路控制：

一条为由储油室经电动泵到蓄能器到副制动器转换电磁阀到副制动分泵对汽车实施制动；另一条有储油室到副制动器转换电磁阀到副制动分泵，次油路为制动器回油油路。

两条油路由副制动器转换电磁阀控制。

副制动器转换电磁阀由制动器控制ECU控制。

障碍物探测装置向制动器控制ECU输送信号，制动器控制ECU再根据输入信号向副制动器转换电磁阀发出指令，副制动器转换电磁阀工作，实现自动刹车。

图3.3醉酒驾驶预警系统

4、疲劳驾驶预警系统

4.1设计背景

国内外大部分研究驾驶疲劳的机构都采用PERCLOS80（眼皮盖过瞳孔面积的80%时所用时间跟与特定时间的百分比）作为生理疲劳程度的测量指标。

一般情况下人们眼睛由睁开到闭合的时间在0.05~0.1秒之间，如超过0.2秒则在驾驶时很容易发生交通事故。

现有市场上的非接触式疲劳驾驶报警系统一般是在汽车司机座前方安装一个红外线摄像头，主要对准司机的眼睛，监测驾驶员的眨眼活动。

如果驾驶员打瞌睡，眼皮的眨动会变慢，这时报警系统便会发出尖锐的警告声，将司机从瞌睡中惊醒。

由于市场上的疲劳检测技术的实现方法很复杂导致计算量很大，每秒只能处理20帧左右的人脸画面，眨眼时在正常情况下只有1到2帧的时间，在疲劳情况下只有3到4帧的时间，很难准确检测到眨眼过程，从而可能发生误判或漏判。

并且目前面世的疲劳驾驶监测预警装置由于成本高而难以推广普及。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

4.2系统介绍

图4-1系统流程

系统包括顺序连接的采集单元、处理单元和报警单元，采集单元设置：

获取驾驶员脸部实时图像信息的红外摄像头和声波采集设备；处理单元设置：

对图像信息进行增强处理的图像增强处理模块;对图像信息进行搜索得到驾驶员脸部虹膜区域图像信息和鼻孔区域图像信息的搜索模块；计算得到驾驶脸部当前虹膜面积和视线方向的计算，声波检测模块。

本系统可以对驾驶员疲劳、分心、走神进行实时监测及时报警，减少行车安全事故，并且处理速度快，报警精确，生产成本较低。

图4-2红外检测装置

4.2.1脸部识别模块

A：

获取驾驶员脸部的首帧图像信息和至少一次帧图像信息；B：

对所述首帧图像信息进行搜索，确认是否得到虹膜区域图像信息和鼻孔区域图像信息，是则执行C1，否则执行C2；C1：

搜索各次帧图像信息，得到所述虹膜区域图像信息和所述鼻孔区域图像信息，并增强处理各搜索到的所述虹膜区域图像信息和所述鼻孔区域图像信息；C2：

增强处理各次帧图像信息后，搜索得到所述虹膜区域图像信息和所述鼻孔区域图像信息；D:

根据所述虹膜区域图像信息和所述鼻孔区域图像信息，计算眼角位置，得到所述驾驶员脸部当前虹膜面积和视线方向；E：

根据计算得到的所述虹膜面积和所述视线方向，按照预设方式生成信号。

图4-3流程图

4.2.2声波识别模块

在驾驶员前方位置上，超声波发射头和接受头对准驾驶员面部，当驾驶员处于正常状态时，超声波发射不到驾驶员的面部，因而不系统不会做出反应，当驾驶员因疲劳面部向前低下时，超声波接受头接受到从驾驶员面部返射回来的超声波，经运算放大器放大后，使三极管导通并对电容充电，当电容电压充到2/3电源电压时与非门反转，立即向主系统发出提示信号。

此装置由一个超生波发射电路1，一个超生波接受电路2，一个报警延时电路3组成，其特征是：

在报警延时电路3中含有一个用于充电的三极管17，一个同样用于充电的电容18及一个放电的电阻16，一个限流电阻15，二极管17和电容18及二个电阻15、16接成一个延时电路，所述的延时电路是这样连接的，限流电阻15串接在运算放大器6的输出端和三极管17的基极之间，而三极管17的集电极接电源21，三极管17的发射极分别与电容18的正极、电阻16的一端连接，而电容18的负极、电阻16的另一端接地。

图4-4装置电路图

系统运行过程：

在上图中示出了超声波发射电路1，超声波接受电路2，报警延时电路3，超声波接受头4，超声波发射头9，电阻5、7、8、12、14、15、16，运算放大器6，非门10、13，电容11、18，三极管17，与非门19，有源蜂鸣器20，电源21的连接关系。

一种疲劳驾驶警示仪由一个超生波发射电路1，一个超生波接受电路2，一个报警延时电路3组成，在超生波发射电路1中含有一个超生波发射头9，二个非门10、13，和二个电阻12、14及一个电容11，二个非门10、13和二个电阻12、14及一个电容11接成一个振荡电路，所述的振荡电路是这样连接的：

非门13的输入端与电阻14的一端连接，电阻14的另一端经电阻12和非门13的输出端连接、同时经电容11和非门10的输出端连接，非门13的输出端和非门10的输入端连接，非门10的输出端是振荡电路的输出端，所述的输出端和超生波发射头9的一端连接，而超声波发射头9的另一端接地，所述的振荡电路的振荡频率通过超声波发射头9向空中发射出去，其发射方向对准驾驶员面部。

在超声波接受电路2中含有一个超声波接受头4，一个运算放大器6，和三个电阻5、7、8，运算放大器6和三个电阻5、7、8接成一个同相比例放大器，所述同相比例放大器是这样连接的：

电阻7作为反馈电阻被串接在运算放大器6的输出端和反相输入端之间，而电阻8串接在运算放大器6的反相输入端和地之间，电阻5的一端和运算放大器6的同相输入端连接，另一端和超声波接受头4的一端连接，而超声波接受头4的另一端接地，超声波接受电路2的作用是把超声波接受头4接受到的超声波进行放大，并把放大的信号送到报警延时电路3中，超声波接受头4与超声波发射头9放置在同一个位置上且接受面和发射面处于同一个方向。

4.3预警模块

在预警模块中分别接收了来自两个子系统的判断信号，若是其中一个子系统的信号为疲劳，则由主控制芯片控制车内语音提示驾驶员；若是两组子信号都发出疲劳信号，则由主芯片控制车辆减速并发开车辆警示灯，以提示其他过往车辆。

采用两个子系统分别检测驾驶员的疲劳度，可以增强系统的容错率。

图4-5系统预警

5、行车实时监控系统

5.1背景

针对在不禁意间超速行驶的汽车，通过高精度测速测距激光雷达将汽车前后方的物体成像在汽车内的屏幕上，提示前后方的车距，出现危险时，汽车制动系统会作出反应，准备停车。

5.2设计内容

本系统利用激光雷达，特别是一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，它是联合利用伪随机码调制技术、光子计数技术、相当于探测技术和脉冲压缩技术的系统，可以高精度获取目标的速度和距离信息。

可将车子安全距离以内其他车的速度和距离提供给驾驶者，并对驾驶者进行提示。

采用高精度测速测距方法的原因：

将激光经过线性啁啾调制和伪随机码调制，调制后的激光绝大部分作为出射激光，有望远镜发射出去；一小部分作为本振光用于相干探测；将激光回波信号分为两部分：

一部分通过和原始伪随机码做相关运算，得到距离信息；另一部分通过和本振光做相干探测，进行脉冲压缩，得到本振光和回波信号光的频率差，这个频率差同时包括距离信息和多普勒频移；通过数学运算得到多普勒频移，从而可以高精度获取目标的速度和距离信息。

采取高精度测速测距激光雷达的原因：

1、采用了高速伪随机码调制和光子计数技术，即使在低峰值功率回波信号下也能确保每次测量有足够的信噪比。

调制速率可达到1GHz，即伪随机码码元长度为1ns，这样距离分辨率可达到15cm。

2、采用相干探测和脉冲压缩机制。

采用相干探测，有效地放大了回波信号的功率，使得系统相干探测这部分可以工作在量子噪声限，比直接探测获得更高信噪比；脉冲压缩机制又将宽带信号的能量集中到了一个单频信号上，即在频域上实现了脉冲压缩。

相干探测机制和脉冲压缩机制同时使用可使速度分辨率达到1cm/s量级。

图5-1高精度测速测距激光雷达装置原理

5.3实际运用

将这种高精度测速测距激光雷达系统运用到汽车上，如图，在汽车的前后方添加激光发射器，通过高精度测速测距的方法获得前后方行驶中汽车的相对速度和距离，在获得这些信息后系统通过数据连接线将其传达到车载电脑里面，并对信息进行处理得出结论。

出现时异常电脑会直接语音提示前方或后方情况，如若判断结果为可能发生危险时，那么系统就会发出警报提示驾驶员做出减速行驶，汽车本身启动自动制动，以免在车祸即将发生时，驾驶者因处理不当发生事故。

图5-2高精度测速测距激光雷达位置

本系统先进性：

在高速行驶的驾驶员，大脑会出现盲目和冲动，此次作品就是帮助驾驶者在遇到危险时，理性的控制车辆，从而远离车祸的发生。

6、总结

6.1遇到的问题

本设计现处于试验阶段，各项功能设计还不够成熟，还需要不断地改进和优化。

由于压力传感器的采集到的数据波动可能是有其他原因造成，有可能会对结果造成影响，使该装置的无法正常使用。

防疲劳驾驶系统的功能还处于理论设计阶段，没有实际使用的经验。

两个检测系统没有经过试验可能出现相互干扰。

高精度测速测距激光雷达装置与汽车ECU电脑连接还不够畅通，需要后续调整接口信息传递。

整套系统还没有实车测试，不能保证实现预想设计的各项功能。

本团队将通过自己的努力，在今后的试验中不断的完善和改进该设计。

6.2小组成员

团队成员由四人组成，分工清晰明确，陈晓宝负责文字编辑和部分图片模型制作，王涛主要负责二维、三维图的构思和绘制，李梅负责比赛的答辩和讲解，组长郭旭负责作品的构思、总体的产品设计和改进。