本發(fā)明涉及一種車載駕駛輔助安全系統(tǒng)，具體涉及一種考慮生理信息與操控信息的駕駛員路怒狀態(tài)車載識別與交互系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

汽車數(shù)量的增加在給人們帶來便利的同時,也使得交通擁堵情況日益嚴重。在眾多交通事故中，近年來由于“路怒”引起的道路交通事故與日俱增。

由于駕駛過程中道路擁堵、交通沖突、車輛狀態(tài)異常等客觀事件的發(fā)生，駕駛員感知到這些應激變化時會很快改變?nèi)梭w有機體的激活水平，致使駕駛?cè)说男穆省⒀獕?、肌肉緊張發(fā)生顯著變化，從而引起情緒的高度應激化與行動的應激化。由于受到情緒的影響，自制力顯著降低，容易產(chǎn)生不理性的決策，進而導致異常駕駛行為甚至事故發(fā)生。因此，有效的檢測與識別出駕駛?cè)说膽嵟楦袪顟B(tài)，進而通過人機交互手段及時的進行必要的干預和調(diào)節(jié)，對于減少不必要的駕駛操作失誤，避免不恰當?shù)鸟{駛行為，保證安全、舒適的行車狀態(tài)具有重要的作用。

以往對于駕駛員憤怒情緒的研究主要集中在駕駛員憤怒情緒產(chǎn)生機理、駕駛員憤怒時的表現(xiàn)或行為、駕駛員憤怒情緒對交通安全的影響等方面，對于路怒狀態(tài)的識別以及相應的交互、緩解方法研究相對較少。目前的車載情緒識別系統(tǒng)一般是通過攝像頭采集駕駛員面部特征的方式來識別駕駛員情緒。盡管這種方式能夠識別駕駛員的情緒狀態(tài)，但還是存在一些問題，比如：其受光線、個體容貌、佩戴墨鏡等因素的影響較大，無法準確地識別各種環(huán)境下的駕駛員情緒；很多駕駛員在駕駛汽車時情緒并不一定體現(xiàn)在面部表情；駕駛員的面部表情還可能受到周圍環(huán)境、時間等因素的影響。這些諸多因素使準確率下降。同時還有研究是通過駕駛?cè)说男袨樘卣髯鳛閼嵟瓲顟B(tài)的監(jiān)測和識別指標。例如，公告號為cn106114516a的中國發(fā)明專利，公開了“一種自適應駕駛?cè)颂匦缘膽嵟{駛行為監(jiān)測及干預裝置”，其通過對車輛鳴笛、方向盤操作等行為特征對駕駛?cè)诉M行憤怒監(jiān)測。

在識別出駕駛員的憤怒狀態(tài)后，需要進行進一步的響應緩釋駕駛員的憤怒情緒。目前運用在車輛上的情緒調(diào)節(jié)方式主要是人工語音提示，但是自動語音死板機械的音質(zhì)緩釋效果不理想；而且現(xiàn)今的研究中缺少可以提醒周圍鄰車駕駛員以及行人的交互方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決在駕駛過程中路怒情緒識別準確率不高，普適性較差，使用單一識別指標檢測精度較低，不能對周圍交通參與成員進行交互提醒等問題，本發(fā)明搭建一套基于駕駛員生理和操控信息的路怒狀態(tài)車載識別與交互系統(tǒng)，在駕駛過程中可以實時檢測駕駛?cè)说那榫w狀態(tài)，并適時的做出預警響應，在一定程度上緩解駕駛員憤怒情緒并提醒周圍司機。

本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是：

一種考慮生理與操控信息的駕駛員路怒狀態(tài)車載識別交互系統(tǒng)，包括生理信息監(jiān)測模塊、側(cè)向操作監(jiān)測模塊、縱向操作監(jiān)測模塊、路怒狀態(tài)識別模塊、預警交互模塊，所述生理信息監(jiān)測模塊、側(cè)向操作監(jiān)測模塊、縱向操作監(jiān)測模塊分別與路怒狀態(tài)識別模塊通訊連接，路怒狀態(tài)識別模塊與預警交互模塊通訊連接；

所述駕駛員生理信息監(jiān)測模塊包括安裝在方向盤上的光學心率傳感器，駕駛員生理信息監(jiān)測模塊通過光學心率傳感器的led可見光源感應，結(jié)合光電容積脈搏波描記法獲得駕駛員生理信號的動態(tài)數(shù)據(jù)；

所述側(cè)向操作監(jiān)測模塊用于實時監(jiān)測用于表征駕駛員憤怒情緒下的側(cè)向操作指標特征，其所需指標的數(shù)據(jù)由can總線提取并發(fā)送至車載控制單元進行處理；

所述縱向操作監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測用于表征駕駛員憤怒情緒下的縱向操作指標，其所需指標的數(shù)據(jù)由can總線提取并發(fā)送至車載控制單元進行處理；

所述路怒狀態(tài)識別模塊，采用支持向量機機器學習方法構(gòu)建駕駛員憤怒情緒的離線訓練與在線識別模型，并將在線識別模型嵌入車載控制單元進行駕駛員憤怒情緒的在線識別；

所述預警交互模塊根據(jù)駕駛員路怒識別模塊的判斷結(jié)果進行工作。

進一步地，所述駕駛員生理信息監(jiān)測模塊獲得的駕駛員生理信號的動態(tài)數(shù)據(jù)包括駕駛員心率、血氧飽和度。

進一步地，所述側(cè)向操作監(jiān)測模塊監(jiān)測的用于表征駕駛員憤怒情緒下的側(cè)向操作指標特征包括方向盤轉(zhuǎn)角絕對值均值、方向盤轉(zhuǎn)角標準差、方向盤轉(zhuǎn)角熵值、方向盤轉(zhuǎn)角速度、方向盤轉(zhuǎn)角加速度。

進一步地，所述縱向操作監(jiān)測模塊的監(jiān)測的用于表征駕駛員憤怒情緒下的縱向操作指標包括車輛的縱向速度、加速踏板信號、制動踏板信號、縱向加速度、縱向加速度變化率，同時統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的急加速次數(shù)、急剎車次數(shù)。

進一步地，所述路怒狀態(tài)識別模塊采用支持向量機機器學習方法構(gòu)建駕駛員憤怒情緒的離線訓練與在線識別模型包括：

將所述駕駛員生理信號的動態(tài)數(shù)據(jù)、側(cè)向操作指標數(shù)據(jù)、縱向操作指標數(shù)據(jù)作為識別特征，統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的各個特征值的均值，同時統(tǒng)計該時間間隔內(nèi)車輛的急加速次數(shù)、急剎車次數(shù)，以此構(gòu)建識別模型的樣本特征向量x＝{x1,x2,……xn}；

離線采集駕駛員自然駕駛狀態(tài)下的生理信號的動態(tài)數(shù)據(jù)、側(cè)向操作指標數(shù)據(jù)、縱向操作指標數(shù)據(jù)，抽取憤怒情緒下與非憤怒情緒下的指標數(shù)據(jù)構(gòu)建訓練樣本庫；

訓練樣本庫包含正樣本集合與負樣本集合：憤怒情緒下采集提取的駕駛員生理與行為特征向量構(gòu)建正樣本集合，正常狀態(tài)下采集提取的駕駛員生理與行為特征向量構(gòu)建負樣本集合；

設計基于svm的憤怒情緒在線識別模型并進行離線測試優(yōu)化模型參數(shù)。

進一步地，所述預警交互模塊包括音樂播放器、鐳射燈光投射裝置，當駕駛員處于憤怒狀態(tài)，音樂播放器自動啟動，播放駕駛員提前定制的個性化音樂曲目；鐳射燈光投射裝置運用3d鐳射燈光投影技術(shù)在車輛四周投射燈光及光譜，警示周圍交通參與者。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明駕駛員路怒狀態(tài)車載識別交互系統(tǒng)使用的生理指標采集傳感器直接安裝在汽車轉(zhuǎn)向盤上，在不影響駕駛員的駕駛安全的同時，保持所采集數(shù)據(jù)的準確性；相關操作指標從can總線上提取，保證數(shù)據(jù)的可靠性、實時性和靈活性；根據(jù)生理指標和操作行為指標這兩方面數(shù)據(jù)的綜合對比，可以在很大程度上提高對路怒情緒識別的準確率；指標采集裝置和交互裝置的安裝方法和安裝位置對原有汽車結(jié)構(gòu)的改動不大，適用性廣；采用鐳射燈光投影進行預警，技術(shù)成熟度高，能夠有效的警示周圍交通參與者。

附圖說明

圖1為本發(fā)明考慮生理與操控信息的駕駛員路怒狀態(tài)車載識別交互系統(tǒng)的組成示意圖。

圖2為心電示意圖。

圖3為光學心率傳感器在方向盤上的布設位置示意圖。

圖4為本發(fā)明的整體工作流程圖。

圖5為鐳射燈光投射裝置示意圖。

圖中：1.生理信息監(jiān)測模塊2.側(cè)向操作監(jiān)測模塊3.縱向操作監(jiān)測模塊4.路怒狀態(tài)識別模塊5.預警交互模塊

具體實施方案

以下結(jié)合附圖，詳細介紹本發(fā)明的技術(shù)方案：

如圖1所示，本發(fā)明一種考慮生理與操控信息的駕駛員路怒狀態(tài)車載識別交互系統(tǒng)，包括生理信息監(jiān)測模塊1、側(cè)向操作監(jiān)測模塊2、縱向操作監(jiān)測模塊3、路怒狀態(tài)識別模塊4、預警交互模塊5。

其輸入部分包括分別與路怒狀態(tài)識別模塊4通訊連接的生理信息監(jiān)測模塊1、側(cè)向操作監(jiān)測模塊2、縱向操作監(jiān)測模塊3；數(shù)據(jù)處理部分主要是路怒狀態(tài)識別模塊4；輸出部分主要是預警交互模塊5，其與路怒狀態(tài)識別模塊4通訊連接，根據(jù)路怒狀態(tài)識別模塊4的判斷結(jié)果進行工作。

所述的駕駛員生理信息監(jiān)測模塊，是由安裝在方向盤上的光學心率傳感器主要構(gòu)成，該傳感器紐扣般大小，能夠較為方便的嵌入在方向盤上，便于駕駛員手握方向盤操作過程通過手指按壓進行信號檢測。如圖3所示，采用三副方向盤，光電傳感器安置在方向盤橫軸小圓圈處。具體位置經(jīng)過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，選取駕駛員握方向盤時手指按壓的最大概率區(qū)間上。該種布設方案滿足左右手單手、雙手操作時的測量，同時便于拇指充分按壓接觸，以保證測量信號的準確性。通過光學心率傳感器的led可見光源感應，采用光電容積脈搏波描記法實時監(jiān)測駕駛員駕駛員心率、血氧飽和度信息等生理信號的動態(tài)數(shù)據(jù)。

這里選擇計算平均心率和心率變異性(heartratevariability，hrv)作為心電信號方面的特征指標。圖2為一典型的心電圖，由圖可知，典型的心電波形圖是由p、q、r、s、t等波組成。其中，p波代表心房激動，pr間期代表激動傳導至房室結(jié)，qrs波群代表心室除極，t波代表心室復極。心率變異性指的是連續(xù)心動周期(r-r間期)的微小變化或連續(xù)瞬時心率的微小漲落。hrv是調(diào)節(jié)正常心血管系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的重要機制，它反映的是心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)活動的張性以及均衡性。心率變異性分析實質(zhì)上是對心動周期變異情況的分析。

平均心率計算公式如下：

其中，t表示整個采樣周期的總時間，rri表示第i個相鄰竇性rr間期的長度。

周期內(nèi)所有正常竇性rr間期標準差：

其中，n表示正常心搏的總次數(shù)，rri表示第i個相鄰竇性rr間期，表示n個rr間期平均值。一般地，標準差越大，hrv則越高，反之正好相反。

血氧飽和度計算公式如下：

式中，

rso2——人體組織的氧飽和度。其定義為局部組織中占cthb的百分比，也叫toi。rso2是局部組織中微動脈血、微靜脈血和毛細血管血液各自血氧飽和度的加權(quán)平均，并且微靜脈血的血氧飽和度占據(jù)主要地位；

——氧合血紅蛋白濃度，單位umol/l；

chb——還原血紅蛋白濃度，單位umol/l；

cthb——總血紅蛋白濃度，單位umol/l。chb和主要反映組織的含氧狀況，而cthb實質(zhì)則是單位體積組織中血液的充盈情況。

所述的側(cè)向操作監(jiān)測模塊，用于實時地監(jiān)測方向盤的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動角度變化情況，側(cè)向操作監(jiān)測模塊2所需指標的數(shù)據(jù)由can總線提取并發(fā)送至車載控制單元。在此基礎上，在車載控制單元計算固定時間間隔內(nèi)的方向盤轉(zhuǎn)角絕對值均值，方向盤轉(zhuǎn)角標準差，方向盤轉(zhuǎn)角熵值以及轉(zhuǎn)角速度，轉(zhuǎn)角加速度等，進而獲得用于表征駕駛員憤怒情緒下的側(cè)向操作指標特征。

其中，轉(zhuǎn)角熵值可以推測駕駛員操縱方向盤的穩(wěn)定性，同時也可以評估駕駛員的心理情況。熵值越大，表明駕駛操作越紊亂，越易產(chǎn)生憤怒情緒。方向盤轉(zhuǎn)角熵值公式如下：

式中，

e(n)——方向盤轉(zhuǎn)角預測偏差值，根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角熵值理論，偏差值服從正態(tài)分布，確定出α值，使之滿足p{-α<e(n)<α}＝90％，將預測偏差e(n)劃分為n個區(qū)間；

pi——方向盤轉(zhuǎn)角值在各區(qū)間的分布概率；

se——方向盤轉(zhuǎn)角熵值，根據(jù)預測方向盤轉(zhuǎn)角偏差出現(xiàn)的概率來計算。

所述的縱向操作監(jiān)測模塊，用于實時地監(jiān)測車輛的縱向速度、加速踏板信號、制動踏板信號，縱向操作監(jiān)測模塊3所需指標的數(shù)據(jù)同樣由can總線提取并發(fā)送至車載控制單元。在此基礎上，在車載控制單元計算縱向加速度以及縱向加速度變化率，同時統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的急加速次數(shù)，急剎車次數(shù)等，進而獲得用于表征駕駛員憤怒情緒下的縱向操作指標特征。

在較為安全的駕駛行為中，駕駛員的加速與剎車行為應該是平滑、穩(wěn)定的。在采樣周期內(nèi)加速、剎車踏板的幅值變化率可以反映一段時間段內(nèi)駕駛員的心態(tài)。加速踏板、剎車踏板的幅值變化率的值越大，則說明駕駛員情緒越不穩(wěn)定，容易發(fā)怒。因此可以在車載控制單元計算縱向加速度以及縱向加速度變化率，同時統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的急加速次數(shù)，急剎車次數(shù)等，進而獲得用于表征駕駛員憤怒情緒下的縱向操作指標特征。

所述的路怒狀態(tài)識別模塊4，采用支持向量機(svm)機器學習方法構(gòu)建駕駛員憤怒情緒的離線訓練與在線識別模型，進而實現(xiàn)駕駛員憤怒情緒的有效識別。將駕駛員生理信息指標平均心率、血氧飽和度與操控信息指標方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)角熵值、方向盤轉(zhuǎn)速、方向盤轉(zhuǎn)速變化率、車輛的縱向速度、縱向加速度、縱向加速度變化率等作為識別特征，統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的各個特征值的均值，同時統(tǒng)計該時間間隔內(nèi)的急加速次數(shù)，急剎車次數(shù)，以此構(gòu)建識別模型的樣本特征向量x＝{x1,x2,……xn}。離線采集駕駛員自然駕駛狀態(tài)下的生理與操控數(shù)據(jù)，抽取憤怒情緒下與非憤怒情緒下的指標數(shù)據(jù)構(gòu)建訓練樣本庫。訓練樣本庫包含正樣本集合與負樣本集合。其中，憤怒情緒下采集提取的駕駛員生理與行為特征向量構(gòu)建正樣本集合，正常狀態(tài)下采集提取的駕駛員生理與行為特征向量構(gòu)建負樣本集合。進而設計基于svm的憤怒情緒識別模型并進行離線測試優(yōu)化模型參數(shù)；并將模型嵌入車載控制單元進行駕駛員憤怒情緒的在線識別。

所述的預警交互模塊5，由音樂播放器、鐳射燈光投射裝置組成，根據(jù)駕駛員路怒識別模塊的判斷結(jié)果進行工作。若駕駛員處于憤怒狀態(tài)，則在車內(nèi)自動啟動適合于駕駛員自身的提前定制的個性化音樂曲目，該曲目通過音樂心理效應能夠可以增進積極品質(zhì)與舒緩消極、憤怒的情緒。其中，個性化音樂曲目由駕駛員自己根據(jù)自身喜好，提前在音樂播放器的音樂庫中選擇設定，音樂庫匯總了若干首目前國內(nèi)外適用于情緒緩釋的歡快、愉悅樂曲。同時在車外運用3d鐳射燈光投影技術(shù)在車輛四周投射到地面紅色燈光以及表示憤怒情緒的光譜，以表明該車駕駛員當前處于較為憤怒激進的駕駛狀態(tài)，進而警示周圍交通參與者加以注意。

對于本發(fā)明的基于駕駛員生理和操作信息的路怒狀態(tài)車載識別與交互系統(tǒng)的具體實施過程如下：

如圖1、圖2所示，駕駛員進入駕駛室開始進行車輛駕駛，系統(tǒng)即開始工作：生理信息監(jiān)測模塊通過光學心率傳感器獲得駕駛員心率、血氧飽和度信息的實時變化情況。側(cè)向操作監(jiān)測模塊通過can總線提取駕駛員操作方向盤的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動角度變化情況，在車載控制單元計算固定時間間隔內(nèi)的方向盤轉(zhuǎn)角絕對值均值、方向盤轉(zhuǎn)角標準差、方向盤轉(zhuǎn)角熵值以及轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)角加速度等，進而獲得用于表征駕駛員憤怒情緒下的側(cè)向操作指標特征?？v向操作監(jiān)測模塊通過can總線提取車輛的縱向速度、加速踏板信號、制動踏板信號，在車載控制單元計算縱向加速度以及縱向加速度變化率，同時統(tǒng)計固定時間間隔內(nèi)的急加速次數(shù)，急剎車次數(shù)等，進而獲得用于表征駕駛員憤怒情緒下的縱向操作指標特征。路怒狀態(tài)識別模塊將駕駛員生理信息指標心率、血氧飽和度與操控信息指標方向盤轉(zhuǎn)角、方向盤轉(zhuǎn)速、車輛的縱向速度、縱向加速度以及縱向加速度變化率等綜合考慮，構(gòu)建識別模型的樣本特征向量；離線采集駕駛員自然駕駛狀態(tài)下的生理與操控數(shù)據(jù)，抽取憤怒情緒下與非憤怒情緒下的指標數(shù)據(jù)構(gòu)建訓練樣本庫，設計基于svm的憤怒情緒識別模型并進行離線測試優(yōu)化模型參數(shù)；并將模型嵌入車載控制單元進行駕駛員憤怒情緒的在線識別。當駕駛員處于正常狀態(tài)時，將不觸發(fā)預警交互模塊工作；當駕駛員處于路怒狀態(tài)時，則在車內(nèi)播放適合于駕駛員自身的個性化定制的抑制憤怒情感音樂進行緩釋；同時在車外運用3d鐳射燈光投影技術(shù)反映出駕駛員的憤怒狀態(tài)，以警示周圍交通參與者加以注意。

本發(fā)明基于駕駛員憤怒駕駛時表現(xiàn)的普遍生理和操作信息，通過生理信息監(jiān)測模塊、側(cè)向操作監(jiān)測模塊和縱向操作監(jiān)測模塊對駕駛員處于路怒情緒狀態(tài)時的生理和操作信息進行較為全面的實時周期性監(jiān)測，通過路怒狀態(tài)識別模塊構(gòu)建識別模型的樣本特征向量，設計基于svm的憤怒情緒識別模型，并將模型嵌入車載控制單元進行駕駛員憤怒情緒的在線識別，通過預警交互模塊對路怒狀態(tài)進行相應的緩釋和警示。在準確識別駕駛員路怒情緒狀態(tài)，進行相應的提醒緩釋的同時，又不影響駕駛員的正常駕駛行為，還可以警示周圍交通參與者加以注意，具有較強的創(chuàng)新性和實用性。