测试系统设计-多功能驾驶疲劳测试系统设计.docx

驾驶环境下的脑负荷多元测试系统设计1介绍1.1设计背景提高道路交通的安全是交通科学研究的重要内容之一。引起交通事故的原因很复杂，如交通基础设施与配套设施建设相对落后、交通管理智力水平不高、机动车数量增长过快、行人、驾驶员等相关人员交通安全意识淡薄等等，总而言之主要有三类，分别为人、车、道路环境。在这三个因素中，人在交通系统中占有主体地位，是在这三者中最具有不确定性因素的对象，在我国，因驾驶人原因导致的交通事故占到 90%以上；国外的事故分析表明，有 90-95%的交通事故中与驾驶人因素有关。由人造成的事故中，大约有65%的事故主要由驾驶人的因素造成的，关于驾驶人的因素中，由于驾驶员分心驾驶造成的事故约占总事故数的 56%。其中，驾驶员的疲劳驾驶是导致的交通事故发生的最重要的因素。疲劳驾驶严重影响驾驶员的正常工作,同时也严重影响道路交通安全，因此，我想设计一种检测系统专门用于检测驾驶员是否处于疲劳状态，从而提出交通预警。脑负荷是研究复杂系统中用户表现的最重要的课题之一，被用来作为与体力负荷相对应的一个术语，用以形容人在工作中的信息处理能力。超负荷工作更可能导致大脑疲劳，出现操作错误，引起人机系统安全问题。从系统工程的角度，在驾驶系统设计的初级阶段进行脑负荷测量和是非常有效的。为实现脑负荷多元测试系统的设计，配合搭建了模拟驾驶实验台，位于交大科技园，并编制了模拟驾驶界面和外设操控功能。1.2设计原理及思路第一步，先是通过面部表情判断驾驶员是否疲劳根据眼睛闭合程度, 眨眼，点头, 打哈欠等面部表情，判断是否疲劳，试验验证要达到90%的可靠度。图1 图22）基于脑电信号原理得出脑负荷大小人体脑电信号是由不同频率、不同幅值和不同形态的脑电波所组成，不同时刻具有不同的频率成分。清醒安静、闭目、无任何外界刺激及药物影响时，正常人脑电图是由α波、β波、低波幅少量θ波及少量低波幅δ波组成，波形整齐。δ波，频带范围0.5～4HZ，当人在婴儿期或智力发育不成熟、成年人在极度疲劳和昏睡状态下，可出现这种波段。振幅为10一20uV，常在额部出现。当你完全进入深睡时，你的大脑就以0.5～4HZ运动，即δ波。你的呼吸深入、心跳慢、血压和体温下降。θ波，频带范围4一7Hz，振幅20一40uV，在颗叶、顶叶较明显，一般困倦时出现，是中枢神经系统抑制状态的表现。这个阶段的脑电波为人的睡眠的初期阶段。即当你开始感觉睡意朦胧时——介于全醒与全睡之间的过渡区域——你的脑电波就变成以4～8Hz的速度运动。α波，频带范围8一13Hz，是成人脑电中的基本节律。当你或我的大脑处于完全放松的精神状态下，或是在心神专注的时候出现的脑电波。α波的活动在大脑各区都有，不过以顶枕部最为显著。β波，频带范围14一30Hz，电压幅度低于5一30uV，以额、和中央较为显著，注意力集中或情绪紧张时出现较多。这几种波的频率边界，在学界还没有完全统一的标准。亦有学者认为δ波小于4Hz，θ波4～7Hz，α波8～12Hz，β波13～35Hz，并认为有大于35Hz的脑电波，并命名为γ波。长期处于该状态下的人会有生命危险。根据以上相关知识，考虑在模拟驾驶实验台上，通过传感器采集被试的脑电信号，并进行放大、去除伪迹等调理操作。在计算机平台上，基于Matlab软件定制开发专用处理工具包作为处理平台，利用功能插件，将脑电波滤波(0~30hz)后，分别对α波，β波，θ波频进行频谱分析和频域积分运算，得出θ波(对应疲劳状态)/( α波+β波)的能量比值，由该数值作为脑负荷大小的评价指标。图3 图42 测试环境要求主要是抗干扰设计：1、电力：需要真正的三相电，如果没有我们的设备的可以屏蔽50Hz的电干扰，但50Hz脑电信号也会被屏蔽掉了。被试间踢脚线以上留有2个三相电插座即可；主试间电源3－4个三相电源。2、被试间照明：直流电照明，灯泡用磨砂灯泡，不能用日光灯照明 3、实验室总面积30平米左右为宜，被试间用隔音材料隔断，尽量做到隔音；被试间6平米左右为宜，不可太大；被试间不能有窗户等外源强光；高度2米－2.4米之间，不可太高；被试间与主试间踢脚线位置需留有直径10－15CM的圆孔一个，走电线电缆；主被试之间如有单向玻璃更佳。4、防静电地板3 测试系统选择综合比较经典测试系统、基于计算机的测试系统、基于各种处理器的测控系统、基于各种专用仪器的测试系统、网上测控系统五种测试系统的特点后，根据本系统测试特点，选择基于计算机的测试系统。4 设计的具体环节具体步骤按以下六个基本环节设计4.1确定测试任务本系统主要是测试在模拟驾驶环境下时驾驶员执行操作任务时的疲劳状态和脑负荷大小。4.2根据任务要求选择测量方法脑电信号测量分无创测量，即常用的头皮测量以及在大脑皮