Cómo identificar el estado de fatiga del conductor en el sistema de identificación y alerta temprana de fatiga en la conducción de vehículos？

La fatiga al conducir se refiere a la disminución de la capacidad de reacción del conductor causada por la falta de sueño o la conducción continua durante mucho tiempo. Esta disminución se manifiesta en la somnolencia del conductor, adormecimiento, conducción incorrecta o pérdida total de la capacidad de conducción.
La fatiga al conducir se refleja tanto en aspectos fisiológicos como psicológicos, incluida la función del sistema nervioso, la sangre y los cambios oculares; La reacción psicológica incluye un tiempo de reacción prolongado, distracción y acción descoordinada. La investigación e Investigación sobre las causas de los accidentes de tránsito realizada por la Universidad de Indiana en Estados Unidos encontró que 85% de los accidentes están relacionados con los conductores, y solo 15% son factores vehiculares y ambientales.
Los comportamientos y faltas del conductor inmediatamente antes del accidente conducen directamente al accidente. Estos comportamientos incluyen retraso en la percepción, toma de decisiones equivocadas sobre el medio ambiente, manejo inadecuado de situaciones peligrosas, etc. Entre todos los errores del conductor, los más comunes son los retrasos en la percepción y los errores en la toma de decisiones. Estos errores provocarán falta de atención, reflexión lenta, funcionamiento incorrecto, etc. La causa fundamental de estos errores es la fatiga al conducir. Debido a la fatiga de los conductores al conducir, el nivel de vigilancia disminuye, lo que resulta en un aumento de los accidentes de tránsito, lo que se ha convertido en un foco de preocupación general en la sociedad.
Si el conductor conduce cansado, su capacidad de observación, reconocimiento y control del vehículo se verá notablemente reducida, lo que pondrá en grave peligro su propia seguridad y la vida de los demás. Con el desarrollo de la industria del transporte, los accidentes de tráfico se han convertido en un problema grave que enfrentan todos los países.
Principales métodos de seguimiento de la fatiga del conductor
La tecnología de seguimiento y alerta temprana de la fatiga y distracción del conductor ha sido muy valorada por varios países debido a sus perspectivas de desarrollo en la prevención de accidentes de tráfico. Los investigadores han realizado diversas investigaciones según las características fisiológicas y operativas de la fatiga del conductor. Algunos resultados de la investigación formaron productos y comenzaron a ingresar al mercado.
Los métodos de detección del estado de fatiga del conductor se pueden dividir aproximadamente en métodos de detección basados en la señal fisiológica del conductor, las características de respuesta fisiológica del conductor, el comportamiento de operación del conductor y la información del estado del vehículo.
1. Método de detección basado en la señal fisiológica del conductor.
La investigación sobre la fatiga comenzó en la fisiología. Investigaciones relevantes muestran que los índices fisiológicos de los conductores en estado de fatiga se desviarán de los índices del estado normal. Por lo tanto, si el conductor entra en estado de fatiga puede juzgarse por los índices fisiológicos del conductor. En la actualidad, los métodos de detección más maduros incluyen la medición de EEG y ECG de los conductores.
Los investigadores han descubierto desde hace tiempo que el EEG puede reflejar directamente la actividad del cerebro. Se ha descubierto que al entrar en el estado de fatiga, las actividades de las ondas delta y theta en el EEG aumentarán significativamente, mientras que las actividades de las ondas alfa aumentarán ligeramente. En otro estudio [6], las señales EEG se monitorearon en simuladores y vehículos reales. Los resultados de las pruebas muestran que el EEG es un método eficaz para controlar la fatiga del conductor. Los investigadores también descubrieron que las características de las señales EEG tienen grandes diferencias personales, como el género y la personalidad, y también están estrechamente relacionadas con las actividades psicológicas de las personas.
El ECG se utiliza principalmente en la medición fisiológica de la carga de conducción. Las investigaciones muestran que el ECG disminuirá de manera obvia y regular cuando los conductores están cansados, y existe una relación potencial entre la VFC (cambio de frecuencia cardíaca) y el cambio en el grado de fatiga durante la conducción.
El método de detección basado en la señal fisiológica del conductor tiene una alta precisión en el juicio de fatiga, pero la señal fisiológica debe medirse por contacto y depende en gran medida de las personas. Tiene muchas limitaciones cuando se utiliza realmente en el seguimiento de la fatiga del conductor. Por lo tanto, se utiliza principalmente en la etapa experimental como parámetro de control del experimento.
2. Método de detección basado en las características de respuesta fisiológica del conductor.
El método de detección basado en las características de respuesta fisiológica del conductor se refiere a inferir el estado de fatiga del conductor utilizando las características del movimiento ocular y del movimiento de la cabeza del conductor.
El movimiento ocular del conductor y la información sobre el parpadeo se consideran características importantes para reflejar la fatiga. La amplitud del parpadeo, la frecuencia del parpadeo y el tiempo promedio de cierre se pueden utilizar directamente para detectar la fatiga. En la actualidad, existen muchos algoritmos para estudiar la fatiga al conducir basados en el mecanismo de movimiento ocular. Entre los algoritmos más utilizados se encuentra PERCLOS, que toma como índice de medición de la fatiga fisiológica el porcentaje de tiempo de cierre del párpado en un periodo de tiempo.
Usando tecnología de reconocimiento facial para localizar las posiciones de los ojos, la punta de la nariz y la comisura de la boca, combinar las posiciones de los ojos, la punta de la nariz y la comisura de la boca, y luego, de acuerdo con el seguimiento de los ojos, podemos obtener la dirección de atención del conductor y juzgar si el conductor la atención se distrae.
El sensor de posición de la cabeza se utiliza para detectar el movimiento de cabeza del conductor. La posición de la cabeza del conductor desde cada sensor se emite a través de una matriz de sensores capacitivos, que puede rastrear la posición de la cabeza en tiempo real y determinar si el conductor tiene sueño de acuerdo con la ley de cambio de la posición de la cabeza. Este estudio encontró que existe una muy buena correlación entre asentir y somnolencia.
El método de detección basado en las características de respuesta fisiológica del conductor generalmente adopta una medición sin contacto, que tiene buena precisión y viabilidad de reconocimiento.
3. Método de detección basado en el comportamiento de operación del conductor.
La tecnología de reconocimiento del estado de fatiga del conductor basada en el comportamiento operativo del conductor se refiere a inferir el estado de fatiga del conductor a través del comportamiento operativo del conductor, como el manejo del volante.
Al procesar los datos de funcionamiento del volante del conductor monitoreados, los resultados de la investigación revelan, hasta cierto punto, la relación entre el funcionamiento del volante del conductor y la fatiga. Se señala que el manejo del volante es un medio eficaz para juzgar la fatiga al conducir.
En términos generales, existen pocos resultados de investigaciones en profundidad sobre la identificación de la fatiga utilizando el comportamiento operativo del conductor. Además del estado de fatiga, la operación del conductor también se ve afectada por los hábitos personales, la velocidad de conducción, el entorno de la carretera y las habilidades operativas. El estado de conducción del vehículo también está relacionado con muchos factores ambientales, como las características del vehículo y las carreteras. Por lo tanto, cómo mejorar la precisión de la predicción del estado del conductor es el problema clave de este tipo de tecnología de medición indirecta.
4. Método de detección basado en la trayectoria del vehículo.
El estado de fatiga de los conductores también se puede inferir utilizando información de conducción del vehículo, como el cambio de trayectoria del vehículo y la salida de carril. Al igual que la tecnología de reconocimiento del estado de fatiga basada en el comportamiento de operación del conductor, este método se basa en los dispositivos existentes del vehículo, no necesita agregar demasiados equipos de hardware y no interferirá con la conducción normal del conductor, por lo que tiene un alto nivel práctico. valor.
Sistema de reconocimiento de conducción fatigado basado en tecnología de vídeo
En abril de 1999, la Administración Federal de Carreteras propuso por primera vez PERCLOS como un método viable para predecir la fatiga al conducir de los conductores de vehículos de motor. Después de años de desarrollo, el método PERCLOS ha sido reconocido como el método de evaluación de la fatiga de conducción más eficaz, a bordo y en tiempo real. PERCLOS es la abreviatura de porcentaje de cierre de los ojos durante el tiempo de la pupila, lo que significa el porcentaje de tiempo de cierre de los ojos en unidad de tiempo.
El principio de PERCLOS es contar la proporción de tiempo que se cierran los ojos en un período de tiempo determinado. El estándar de evaluación adoptado por nuestro sistema es el perclos80, lo que significa que el ojo se considera cerrado cuando el área del párpado que cubre la pupila supera el 80%.
Principio de medición PERCLOS

El valor de PERCLOS se puede calcular midiendo T1-T4:

Donde f representa el porcentaje del tiempo de cierre de los ojos, es decir, el valor de PERCLOS.
Esquema del sistema y flujo de trabajo del sistema de reconocimiento de fatiga al conducir basado en tecnología de video.
El sistema de monitoreo de fatiga del conductor obtiene la imagen del conductor en tiempo real a través del equipo de adquisición de video, analiza automáticamente la postura de la cabeza del conductor, la ley de movimiento ocular y los rasgos faciales para determinar el estado mental del conductor y proporciona la alerta temprana correspondiente. La investigación muestra que, en comparación con la ley del movimiento de la cara o la cabeza, la ley de la actividad ocular, como la frecuencia del parpadeo, la velocidad del parpadeo, el rango de apertura de los ojos y la dirección de la mirada, pueden reflejar mejor el estado mental de los sujetos en el momento actual.
Por lo tanto, si se puede obtener el tamaño de los ojos, la información de posición y los cambios de movimiento en cada cuadro de la imagen, se puede contar la ley de actividad ocular del conductor durante un período de tiempo y se puede evaluar el estado de fatiga del conductor en combinación con el análisis del estado de fatiga. índice. El flujo del sistema se muestra en la siguiente figura:
Preprocesamiento de imágenes
En el entorno de conducción, la imagen recopilada a través de la transmisión de vídeo se verá afectada por muchos factores, incluida la información de ruido, como la resolución, el ruido del sistema, el fondo abrupto, etc., que interferirán con la siguiente operación de imagen. Por lo tanto, preprocesamos la imagen fuente mediante ecualización de histograma para eliminar el ruido, mejorar el contraste de la imagen, resaltar los detalles de la imagen y mejorar la calidad de la imagen.
Antes y después de la igualación
Histograma antes de la ecualización Histograma después de la ecualización
Detección de rostro
La detección de rostros es un paso importante antes de la localización de los ojos. El sistema adopta el algoritmo AdaBoost y utiliza los métodos de detección y entrenamiento de muestra proporcionados. En primer lugar, se recolectan muestras y se entrena un clasificador a partir de las muestras recolectadas. El clasificador puede distinguir bien rostros humanos y rostros no humanos; En el enlace de detección, cargue el marco de la imagen que se va a probar en el clasificador, escanee los píxeles de la imagen para encontrar la cara contenida en la imagen y calibre el área. Las operaciones posteriores se llevarán a cabo en el área frontal calibrada para reducir el área de cálculo y eliminar la interferencia de factores no frontales, lo que mejora en gran medida la tasa de operación del sistema.
Ubicación de los ojos
Este enlace incluye dos etapas: posicionamiento aproximado del ojo humano y posicionamiento preciso del ojo humano. En primer lugar, según el conocimiento previo de los tres patios y cinco ojos tradicionales chinos, debe haber un área aproximada de los ojos humanos en una posición aproximada. Esta área puede contener interferencias como cejas y ángulos del cabello al mismo tiempo, pero reduce aún más el área de cálculo; Luego, el área aproximada del ojo humano se convierte en una imagen binaria a través de un cierto umbral, y luego se realiza la proyección gris en dirección vertical para obtener el histograma. Debido a que existe una gran diferencia entre el gris del ojo humano y la piel circundante, las coordenadas Y de los bordes superior e inferior del ojo humano se pueden determinar a partir de los picos y valles del histograma, y luego los ojos se pueden observar con precisión. situado.
Juicio sobre el estado de los ojos
A través del método de máxima varianza entre clases (Otsu), el área precisa de los ojos humanos se binariza con diferentes umbrales bajo diferentes rayos de luz para obtener la mejor forma de los ojos cuando los ojos humanos están abiertos y cerrados. A través de la comparación de n fotogramas continuos, se puede juzgar que el controlador está actualmente en estado cerrado cuando el área del valor de píxel negro es el más pequeño y, en otros casos, está en estado abierto o semiabierto.
Análisis de fatiga
El sistema selecciona el índice de evaluación de fatiga de percols actualmente reconocido y efectivo, es decir, el estado de fatiga se analiza mediante la proporción de tiempo de fotogramas con los ojos cerrados en n fotogramas consecutivos. Los fotogramas con los ojos abiertos se registran como valor "1" y los fotogramas con los ojos cerrados se registran como valor "0". De esta manera, después de n fotogramas consecutivos, se puede obtener la secuencia escalonada de "1" y "0". El análisis del estado de fatiga se puede describir mediante la proporción del valor "0" en la secuencia. Cuando el porcentaje es superior a una determinada proporción experimental, se puede considerar que el conductor puede estar cansado.
A través de la operación y procesamiento de los cinco pasos anteriores, el sistema puede analizar si el conductor actual se encuentra en estado de fatiga y el grado de fatiga a partir del flujo de video obtenido por el equipo de adquisición, y dar diferentes grados de recordatorio y alarma, para lograr el objetivo del sistema.
Juicio integral del grado de fatiga.
La evaluación de la fatiga del conductor se verá afectada negativamente por la inspección de errores. Mediante el cálculo de PERCLOS, el tiempo de cierre de los ojos, la frecuencia de parpadeo de los ojos, el grado de apertura de la boca y el movimiento de la cabeza, se puede realizar una evaluación integral de la fatiga del conductor de manera precisa y efectiva.
PERCLOS
PERCLOS se refiere al porcentaje de tiempo de cierre de los ojos en un tiempo específico. El método PERCLOS tiene tres criterios: p70, p80 y em. La investigación muestra que p80 tiene la mejor correlación con el grado de fatiga.
apertura de la boca
Suele haber tres estados de la boca: cerrar, hablar y bostezar. En el estado de fatiga, las personas bostezan con frecuencia y encontrarán que hay una depresión en la curva de proyección gris horizontal de la mitad inferior del área, es decir, la posición entre los labios. Binarice la parte inferior de la cara y calcule el valor de píxel del área conectada (el área conectada puede evitar que las fosas nasales y los bigotes afecten el cálculo) desde los labios hacia arriba y hacia abajo para obtener el grado de apertura de la boca.
Compensación de la altura de los ojos y la altura de la boca.
Cuando la distancia vertical desde el párpado superior hasta el párpado inferior y la distancia vertical desde el labio superior hasta el labio inferior, debido a que la cabeza del conductor se mueve en relación con el equipo de detección, para realizar el cálculo preciso de la altura de los ojos y la boca del conductor altura, es necesario corregir los cambios provocados por los cambios relativos en la distancia entre los ojos, la boca y el equipo de detección.
tiempo de cierre de ojos
El tiempo de cierre de los ojos generalmente se expresa por el tiempo que transcurre desde que se cierran los ojos hasta que se abren. Cuando una persona está en un estado normal de vigilia, el tiempo de cierre de sus ojos es muy corto y los abrirá rápidamente. En caso de fatiga, el tiempo de cierre de los ojos será significativamente mayor, por lo que el tiempo de cierre de los ojos puede reflejar directamente el estado mental del conductor. Al calcular el número máximo de fotogramas desde que se cierran los ojos hasta que se abren, cuantos más fotogramas, mayor será el tiempo de cierre y más grave será la fatiga.
Los ojos parpadean con menos frecuencia. La proyección gris horizontal se realiza en la mitad inferior de la cara y se observan las curvas de proyección gris horizontal de diferentes imágenes de una sola persona.
Las personas parpadean con más frecuencia cuando están cansadas que cuando están despiertas. Este artículo también lo toma como parámetro como base para el juicio de fatiga. Parpadea una vez cuando los ojos estén cerrados para abrirlos. El número de parpadeos en un período de tiempo se acumula como parámetro para juzgar la fatiga.
Parámetros de fatiga del movimiento de la cabeza.
Cuando el conductor está cansado, asiente con frecuencia e inclina la cabeza hacia adelante. Las posiciones horizontales de la pupila del ojo y la comisura de la boca se obtienen mediante proyección integral gris horizontal. Supongamos que D1 es la distancia desde la posición horizontal de la pupila hasta el borde superior de la imagen recopilada, y D2 es la distancia desde la posición horizontal de la comisura de la boca hasta el borde inferior de la imagen recopilada. Cuando el conductor asiente debido a la fatiga, D1 aumenta y D2 disminuye. Cuando el conductor está cansado y la cabeza se inclina hacia adelante, aumenta D1 y aumenta D2. Asentir e inclinar la cabeza hacia adelante se puede utilizar como base importante para juzgar la fatiga.
Situación actual de la tecnología de seguimiento de la conducción por fatiga.
El monitor de fatiga del conductor lanzado por tecnologías de atención (dd850) es un producto de alerta temprana y monitoreo de la fatiga del conductor basado en las características de respuesta fisiológica del conductor. El producto recopila la información ocular del conductor a través de la cámara infrarroja y utiliza PERCLOS como indicador de alarma de fatiga. Se puede instalar directamente en el panel de instrumentos. Se pueden ajustar la sensibilidad y el sonido de la alarma. En la actualidad se ha popularizado y aplicado, pero sólo es efectivo por la noche.
El dispositivo de alarma de fatiga Sam desarrollado por instalaciones digitales en Estados Unidos utiliza una banda magnética colocada debajo del volante para detectar el ángulo del volante. Si el conductor no realiza ninguna corrección en el volante durante un período de tiempo, el sistema infiere que el conductor entra en un estado de fatiga y activa una alarma.
Safetrac, una empresa de tecnología de asistencia de Estados Unidos, utiliza el cabezal de vídeo frontal para identificar la línea del carril y emitir una alarma cuando el vehículo comienza a desviarse del carril. El producto también puede juzgar el estado de fatiga del conductor combinando el estado de mantenimiento del carril con las características operativas del volante del conductor.
El dispositivo Astid del Reino Unido considera exhaustivamente varios factores, como la información sobre el sueño del conductor, la duración y el tipo de conducción realizada y el funcionamiento del volante para juzgar el estado de fatiga del conductor. Antes de que el dispositivo funcione, el conductor debe ingresar la información de su sueño en las últimas 24 horas. Cuando la alarma visual alcance un cierto nivel, se activará la alarma audible y se le recomendará al conductor que se detenga y descanse. Después de un período de descanso, el despertador incorporado despertará al conductor y restablecerá el tiempo de conducción.
Además de estos productos, también existen pulseras con alarma de fatiga que detectan la fatiga mediante el movimiento de la muñeca y pulseras que se pueden colgar en ojos y piernas.

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