1 引言

行车时，长时间驾驶容易疲劳。驾驶员疲劳会影响驾驶员的感觉、感知、判断、决策和其他方面，从而增加驾驶风险系数。由此可见疲劳驾驶容易导致驾驶员注意力分散，从而可能引发交通事故的发生。本论文研究的是一款智能座椅，在传感器收集驾驶员疲劳状态信息的基础上，将信号分析、输出到智能座椅，利用智能座椅唤醒驾驶员。利用智能座椅唤醒驾驶员，这种方式既不会使驾驶员产生不便，亦不会过于生硬或刺激，将感知直接传递到身体，更直接有效。通过智能座椅防疲劳驾驶功能，提醒驾驶员，减少道路交通事故的发生，保障人们日常出行的安全。

2 疲劳驾驶系统的辨识及工作条件

2.1 基于车辆行驶状态的检测

当驾驶员疲劳时，其控制汽车的能力会下降，方向盘角度会左右摆动，方向盘操纵的频率也会降低。通过对方向盘角度的时域和频域分析，可以将方向盘角度方差或平方差作为疲劳驾驶的评价指标。此外，当驾驶员疲劳时，其对方向盘的抓力会逐渐降低。再辅以车速，时间，转向灯状态来识别情景。目前，该项技术成熟，且结果可信度高。

2.2 基于驾驶员面部信息特征的方法

基于驾驶员面部特征的方法由于非侵入性、成本节约、效果出众，越来越得到市场的信赖。该方法通过摄像头非侵入式地获取驾驶员的脸部图像，利用计算机视觉分析技术分析驾驶员的眼睛嘴巴头部等信息来判断是否疲劳[1]。如表1所示。

2.3 疲劳驾驶的判定

疲劳驾驶系统的判定由不同的身体体征表现，计算权值总排序，根据权值的大小将驾驶疲劳特征统计结果按照降序排列，如表2所示。反应迟钝和驾驶员心率呼吸是权重值排在前两位的疲劳症状。本文采用反应时间来量化驾驶员的反应迟钝特性，采用方向盘转动角度来量化驾驶员的方向盘操作失误。

根据不同疲劳现象极其权重值可分析出驾驶员的疲劳程度，并且可计算出驾驶员的具体疲劳值，当疲劳值在36或者以下时系统将会判定驾驶员为清醒状态，系统持续收集疲劳现象信息，当疲劳值达到36以上时，驾驶员会被判定为疲劳状态，并且将驾驶员为疲劳状态的信息传出[2]。

2.4 疲劳驾驶系统的工作条件

当车辆以60km/h至180km/h车速行驶时系统方能通过以上监测方法评估驾驶员的疲劳程度。

在下列情况会复位疲劳驾驶系统：

(1)关闭点火开关。

(2)驾驶员解开安全带和打开驾驶员侧车门。

(3)车辆原地停留时间超过20分钟。

如果车辆长时间低速行驶(车速低于60km/h)，疲劳驾驶系统将自动复位。当车速增加时，如果车速高于上述速度，系统将重新评估驾驶。

3 智能座椅的系统[b]

3.1 智能座椅的控制系统

智能座椅控制系统作为核心，它用来判断当收集到驾驶员的体征信息和疲劳信号时，决定是否触发机构，并在条件满足时给出触发信号，使驱动机构启动。即收到体征信息时调整座椅至舒适位置；收集到疲劳信号时，座椅采取振动功能，对驾驶员起到提醒作用。

3.1.1 智能座椅控制系统的要求

(1)动态过程平稳(稳定性)：智能座椅在控制过程中是平稳的，在各个传感器的信号传递到ECU，ECU在接收到来自各个传感器的信号时，会及时向智能座椅发出控制信号，智能座椅会迅速做出相应的指令操作，我们采用一个基于大数据分析处理的布线装置[3]，在这种布线装置的作用下可以有效地缓解信号指令的错误和延迟。

(2)精确性：作为预防疲劳驾驶的核心，智能座椅需要准确的时间内做出对应的措施来预防驾驶人的危险驾驶，在采集数据之后，在数据分析领域，收集数据、分析数据特点、设计数据处理[4]等每一步都要经过准确的计算，我们采用经过实践检验的有效研究方法来对其中数据处理算法的设计[5]，并通过一系列的调节分析对应的损失精度。

(3)快速性：在驾驶途中，如果是疲劳驾驶就更容易发生事故，智能座椅就是为了防止人们疲劳驾驶而引起的危险驾驶，进而发生交通事故，所以智能座椅在调节过程中需要起到快速响应和迅速完成唤醒功能的操作。

3.1.2 智能座椅控制系统的组成

智能座椅的控制系统包括监测传感器、执行器和控制单元。智能座椅控制系统由大数据模块化网络的布线装置[3]、体征疲劳传感器、DSP芯片处理器[5]以及智能网联控制系统组成。如图1所示：

3.1.3 自动调节适合驾驶人坐姿的控制原理

智能座椅会分为每个活动的部分用电机控制，所以就需要多个电机控制而电机的运行情况由一个DSP芯片进行统一的管理[5]，移动的数据来源于每个传感器的收集的数据经过总车ECU整合，ECU整理和整合的信息传递给DSP芯片处理器由DSP芯片处理器发出指令对各个部分的电机进行控制从而对座椅位置进行调节。

3.2 车内座椅振动系统

座椅振动系统是智能座椅警示驾驶员的重要系统之一，座椅振动系统借助附加助动机构--座椅振动装置。此装置主要是由动力源、电磁阀组成。动力源是利用汽车的制动气源，根据HYGE试验装置原理的基础上[6]，座椅振动系统可在极短时间内快速震动，驱动座椅振动以警示驾驶员使其退出疲劳状态。其预警工作状态如图2所示。

车内座椅振动系统正常情况下处于预警工作状态，如图2所示，此时单刀双掷开关位于a点处，中央处理器ECU、电源、常闭电磁阀形成回路。P2为储气罐中压缩的空气，压缩空气将依次经过常开电磁阀与调压阀输入到右气室中去，而右气室通过端盖上的透气小孔与外界空气相连，气压与大气压相同为P0。调节弹簧受力平衡。

当疲劳驾驶系统ECU传来疲劳信息，座椅振动系统ECU将会判断此信息是否会触发振动，若不触发振动，ECU将会截止信息，若ECU判断会触发振动，则此时振动装置将会处于触发工作状态，常闭电磁阀将会得电，储气罐内的压缩空气P2进入活塞与右端盖之间的小腔，此时活塞将会向左移动，承受气压P2的面积将会增大。而此时活塞右端受到的力将会远大于左端，因此活塞缸会被迅速发射出去。

当活塞运动到最终状态时，智能座椅振动系统ECU将会自动识别并将振动系统开启到回位状态，此时单刀双掷开关掷于b点，此时常开电磁阀得电，常闭电磁阀失电，使得右气室也与大气压P0相连，并且利用活塞运动到达最终状态是所获得的弹力F，使得活塞回位。

在振动系统ECU的控制下，振动装置不断在触发工作状态与回位状态切换，通过活塞的来回推动使座椅达到震动的作用。

4 智能座椅的调节与控制

4.1 主驾驶智能座椅预防疲劳驾驶功能

智能座椅通过基于司机生理指标的方法，通过外在的电子设备侵入式地获取司机的生理信号，主要有脑电图信号、心电图信号、眼电图信号和肌电图信号。疲劳传感器会收集到驾驶人的疲劳程度，向总车ECU传递驾驶人疲劳程度，ECU经过分析处理对智能座椅发出指令。随着疲劳传感器信号的发出，车辆也会通过智能网联对车辆速度进行控制，并对开启巡航系统的车辆，进行强制关闭由驾驶人接管车辆，降低因驾驶疲劳而导致事故的可能性。

4.1.1 智能座椅首次接受信号输入

当疲劳驾驶感知系统将驾驶员判定为疲劳驾驶后，智能座椅将会收到首次信息输入，座椅中的震动系统将会开始工作，在符合驾驶安全的范围内振动座椅以起到警示驾驶员的作用，同时智能座椅的压力传感系统将会感知驾驶员的状态，并将此状态反馈给疲劳驾驶感知系统。图3给出了首次信号输入过程：

4.1.2 智能座椅第二次或以上次接受信号输入

当第二次驾驶员疲劳信号显示驾驶员疲劳值降低时，座椅振动幅度将缓缓降振动。其过程如图4所示。

当第二次驾驶员疲劳信号显示驾驶员疲劳值并未降低甚至升高时，座椅的振动将会加强，并且智能座椅将会传出信息给汽车中控和智能驾驶辅助系统，提高智能驾驶辅助系统的优先级，以减少可能因为驾驶员疲劳而导致的车祸，并且中控传出警示音警示驾驶员。当驾驶员疲劳值降低至安全线以下时，座椅震动及中控警示音将会自动关闭。若驾驶员认为自己已重新清醒，但座椅振动及中控警示音并未关闭，可从中控台进行手动关闭。但智能座椅在接收到手动关闭振动信号时会传递信号给疲劳驾驶感知系统，当一定时间内驾驶员疲劳值再次上升一定值时，座椅将会再次震动，警示驾驶员。该过程如图5所示。

5 总结

本文主要研究一款智能座椅，通过智能座椅的调节与控制，完成对驾驶员疲劳驾驶的干预，改善驾驶疲劳的问题。智能座椅将会和疲劳驾驶检测系统系统相互联系传递信息来不断确定驾驶员的驾驶状态，而在驾驶员疲劳时智能座椅将会以振动形式对驾驶员进行警示，而在疲劳值继续上升时智能座椅将会联动中控与智能辅助系统，来进一步警示驾驶员和保证车辆行驶时的安全。

作者：李少烨，凌峰，童云涛，潘淑佩(广东理工学院)