測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)-多功能駕駛疲勞測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、駕駛環(huán)境下的腦負(fù)荷多元測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)1介紹1.1設(shè)計(jì)背景提高道路交通的安全是交通科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。引起交通事故的原因很復(fù)雜，如交通基礎(chǔ)設(shè)施與配套設(shè)施建設(shè)相對(duì)落后、交通管理智力水平不高、機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量增長(zhǎng)過(guò)快、行人、駕駛員等相關(guān)人員交通安全意識(shí)淡薄等等，總而言之主要有三類(lèi)，分別為人、車(chē)、道路環(huán)境。在這三個(gè)因素中，人在交通系統(tǒng)中占有主體地位，是在這三者中最具有不確定性因素的對(duì)象，在我國(guó)，因駕駛?cè)嗽驅(qū)е碌慕煌ㄊ鹿收嫉?90%以上；國(guó)外的事故分析表明，有 90-95%的交通事故中與駕駛?cè)艘蛩赜嘘P(guān)。由人造成的事故中，大約有65%的事故主要由駕駛?cè)说囊蛩卦斐傻?，關(guān)于駕駛?cè)说囊蛩刂校捎隈{駛員分心駕駛造成

2、的事故約占總事故數(shù)的 56%。其中，駕駛員的疲勞駕駛是導(dǎo)致的交通事故發(fā)生的最重要的因素。疲勞駕駛嚴(yán)重影響駕駛員的正常工作,同時(shí)也嚴(yán)重影響道路交通安全，因此，我想設(shè)計(jì)一種檢測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)用于檢測(cè)駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)，從而提出交通預(yù)警。腦負(fù)荷是研究復(fù)雜系統(tǒng)中用戶表現(xiàn)的最重要的課題之一，被用來(lái)作為與體力負(fù)荷相對(duì)應(yīng)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用以形容人在工作中的信息處理能力。超負(fù)荷工作更可能導(dǎo)致大腦疲勞，出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，引起人機(jī)系統(tǒng)安全問(wèn)題。從系統(tǒng)工程的角度，在駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初級(jí)階段進(jìn)行腦負(fù)荷測(cè)量和是非常有效的。為實(shí)現(xiàn)腦負(fù)荷多元測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，配合搭建了模擬駕駛實(shí)驗(yàn)臺(tái)，位于交大科技園，并編制了模擬駕駛界面和外設(shè)操控功能。

3、1.2設(shè)計(jì)原理及思路第一步，先是通過(guò)面部表情判斷駕駛員是否疲勞根據(jù)眼睛閉合程度, 眨眼，點(diǎn)頭, 打哈欠等面部表情，判斷是否疲勞，試驗(yàn)驗(yàn)證要達(dá)到90%的可靠度。圖1 圖22）基于腦電信號(hào)原理得出腦負(fù)荷大小人體腦電信號(hào)是由不同頻率、不同幅值和不同形態(tài)的腦電波所組成，不同時(shí)刻具有不同的頻率成分。清醒安靜、閉目、無(wú)任何外界刺激及藥物影響時(shí)，正常人腦電圖是由波、波、低波幅少量波及少量低波幅波組成，波形整齊。波，頻帶范圍0.54HZ，當(dāng)人在嬰兒期或智力發(fā)育不成熟、成年人在極度疲勞和昏睡狀態(tài)下，可出現(xiàn)這種波段。振幅為10一20 uV，常在額部出現(xiàn)。當(dāng)你完全進(jìn)入深睡時(shí)，你的大腦就以0.54HZ運(yùn)動(dòng)，即波。你的

4、呼吸深入、心跳慢、血壓和體溫下降。波，頻帶范圍4一7Hz，振幅20一40 uV，在顆葉、頂葉較明顯，一般困倦時(shí)出現(xiàn)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)抑制狀態(tài)的表現(xiàn)。這個(gè)階段的腦電波為人的睡眠的初期階段。即當(dāng)你開(kāi)始感覺(jué)睡意朦朧時(shí)介于全醒與全睡之間的過(guò)渡區(qū)域你的腦電波就變成以48Hz的速度運(yùn)動(dòng)。波，頻帶范圍8一13Hz，是成人腦電中的基本節(jié)律。當(dāng)你或我的大腦處于完全放松的精神狀態(tài)下，或是在心神專(zhuān)注的時(shí)候出現(xiàn)的腦電波。波的活動(dòng)在大腦各區(qū)都有，不過(guò)以頂枕部最為顯著。波，頻帶范圍14一30Hz，電壓幅度低于5一30uV，以額、和中央較為顯著，注意力集中或情緒緊張時(shí)出現(xiàn)較多。這幾種波的頻率邊界，在學(xué)界還沒(méi)有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

5、亦有學(xué)者認(rèn)為波小于4Hz，波47Hz，波812Hz，波1335Hz，并認(rèn)為有大于35Hz的腦電波，并命名為波。長(zhǎng)期處于該狀態(tài)下的人會(huì)有生命危險(xiǎn)。根據(jù)以上相關(guān)知識(shí)，考慮在模擬駕駛實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)傳感器采集被試的腦電信號(hào)，并進(jìn)行放大、去除偽跡等調(diào)理操作。在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，基于Matlab軟件定制開(kāi)發(fā)專(zhuān)用處理工具包作為處理平臺(tái)，利用功能插件，將腦電波濾波(030hz)后，分別對(duì)波，波，波頻進(jìn)行頻譜分析和頻域積分運(yùn)算，得出波(對(duì)應(yīng)疲勞狀態(tài))/( 波+波)的能量比值，由該數(shù)值作為腦負(fù)荷大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖3 圖42 測(cè)試環(huán)境要求主要是抗干擾設(shè)計(jì)：1、電力：需要真正的三相電，如果沒(méi)有我們的設(shè)備的可以屏蔽50Hz

6、的電干擾，但50Hz腦電信號(hào)也會(huì)被屏蔽掉了。被試間踢腳線以上留有2個(gè)三相電插座即可；主試間電源34個(gè)三相電源。2、被試間照明：直流電照明，燈泡用磨砂燈泡，不能用日光燈照明 3、實(shí)驗(yàn)室總面積30平米左右為宜，被試間用隔音材料隔斷，盡量做到隔音；被試間6平米左右為宜，不可太大；被試間不能有窗戶等外源強(qiáng)光；高度2米2.4米之間，不可太高；被試間與主試間踢腳線位置需留有直徑1015CM的圓孔一個(gè)，走電線電纜；主被試之間如有單向玻璃更佳。4、防靜電地板3 測(cè)試系統(tǒng)選擇綜合比較經(jīng)典測(cè)試系統(tǒng)、基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)、基于各種處理器的測(cè)控系統(tǒng)、基于各種專(zhuān)用儀器的測(cè)試系統(tǒng)、網(wǎng)上測(cè)控系統(tǒng)五種測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)后，根據(jù)本

7、系統(tǒng)測(cè)試特點(diǎn)，選擇基于計(jì)算機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)。4 設(shè)計(jì)的具體環(huán)節(jié)具體步驟按以下六個(gè)基本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)4.1確定測(cè)試任務(wù)本系統(tǒng)主要是測(cè)試在模擬駕駛環(huán)境下時(shí)駕駛員執(zhí)行操作任務(wù)時(shí)的疲勞狀態(tài)和腦負(fù)荷大小。4.2根據(jù)任務(wù)要求選擇測(cè)量方法腦電信號(hào)測(cè)量分無(wú)創(chuàng)測(cè)量，即常用的頭皮測(cè)量以及在大腦皮層植入芯片的有創(chuàng)測(cè)量?？紤]到倫理道德，本設(shè)計(jì)采用從頭顱表面記錄腦區(qū)域電位的方法，即無(wú)創(chuàng)測(cè)量，根據(jù)頭顱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匹配的彈性電極帽，將測(cè)量電極（傳感器）按大腦功能區(qū)域能位置在電極帽內(nèi)分散排布。電極帽要求：· 標(biāo)準(zhǔn)的銀/氯化銀(Ag/AgC1)合金電極可將DC電荷積累最小化。· 高彈性的帽子對(duì)各種頭型和尺寸都適用。

8、83; 中號(hào)成人的尺寸包括了其他帽子的兩種尺寸。· 電極被包裹在軟橡膠內(nèi)固定，使佩帶者更舒適。· 線都在外部，定位更簡(jiǎn)便，電極不容易短路。· 電極清楚地標(biāo)注在帽子上，不是在放大器的接口上。· 帽子在下頜處收緊，不是在喉嚨或者用胸帶固定。 圖5 電極帽型號(hào)新生兒34-40cm嬰兒42-48cm兒童48-54cm中號(hào)54-62cm大號(hào)62-68cm4.3選擇傳感器傳統(tǒng)傳感器如電渦流傳感器、加速度傳感器等，靈敏度及測(cè)量范圍均不能滿足腦電信號(hào)測(cè)量的要求，需采用靈敏度較高的電極。為方便穿戴，干電極傳感器最宜?？紤]到性價(jià)比，采用32導(dǎo)傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)：

9、導(dǎo)聯(lián)數(shù):單級(jí)導(dǎo)聯(lián)32導(dǎo)采樣率:125，250，500，1000HZ每導(dǎo)，可進(jìn)行設(shè)置。帶寬:DC到262HZ，取決于采樣頻率采集必須為DC采集方便輕巧，便于攜帶。4.4 后續(xù)系統(tǒng)的選定1）功放電路采集到的腦電信號(hào)在0.1200µV范圍，十分微弱，需要進(jìn)行100倍左右的放大。單級(jí)運(yùn)放達(dá)不到要求，需要進(jìn)行多級(jí)放大。放大器技術(shù)參數(shù)：A/D 轉(zhuǎn)換分辨率:不得低于22 Bit輸入阻抗:80MOhms共模抑制比:100dB 輸入范圍： +/-130mv帶寬(Band wide): 3dB down From DC to 262.5 Hz 輸入噪聲（Input Noise.）: 0.7 µ

10、V RMS (4 µV peak-to-peak) 接口：USB接口，完全支持熱插拔技術(shù)隔離 光隔離電源 使用USB進(jìn)行電源供應(yīng),采集時(shí)電流<=500 mA ，待機(jī)時(shí)電流<=20 mA重量 1KG以下。尺寸（mm） 長(zhǎng)<=200mm， 寬<=150mm,高<=40mm.16 位 LCD背景光顯示, 顯示放大器狀態(tài)或阻抗.Windows 操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)安裝放大器驅(qū)動(dòng)。2）數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理系統(tǒng)該部分要求： 在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中所有事件均自動(dòng)檢測(cè)并記錄，反應(yīng)代碼和刺激代碼可以有效分離 可以同時(shí)同步采集多導(dǎo)（132導(dǎo)）腦電、心電、眼電（水平和垂直）、肌電和High-

11、level外接輸入信號(hào)（如呼吸、皮電等） 被試的行為數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)在線觀察并同時(shí)存儲(chǔ)為用于后續(xù)離線分析的數(shù)據(jù)文件。 多種記錄格式（連續(xù)采集的CNT文件、分段EEG數(shù)據(jù)偽跡或疊加平均AVG文件）、阻抗檢測(cè)和聲音控制等在此采用NeuroScan采集軟件進(jìn)行采集和預(yù)處理，可實(shí)現(xiàn)的預(yù)處理操作有： 減少眼電偽跡（Ocular artifact reduction）眼電（EOG）是最常見(jiàn)的偽跡，對(duì)EEG影響很大。眼電校正的方法有多種，但原理都是從EEG中減去EOG。一般步驟如下：找到眼動(dòng)電位的最大值，構(gòu)建一個(gè)平均偽跡反應(yīng)，峰對(duì)峰、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地從EEG中減去EOG。圖6去除眼電后波形 排除偽跡（artifact

12、rejection）這也是對(duì)波幅進(jìn)行處理，不過(guò)它可以針對(duì)一導(dǎo)或多導(dǎo)，根據(jù)某一范圍的數(shù)值，比如±100V，超出這一范圍的成分則被刪除，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直流補(bǔ)償校正。 去除偏移嚴(yán)重的腦電信號(hào)圖7去除漂移嚴(yán)重的腦電信號(hào)接下來(lái)要對(duì)所有腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽，去除偏移嚴(yán)重的腦電信號(hào)，如圖7所示，深色區(qū)域即為應(yīng)當(dāng)去除的偏移信號(hào)。4.5相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)與編制1數(shù)據(jù)處理軟件鑒于Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，基于Matlab軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)訂制的處理軟件包，相應(yīng)功能可以通過(guò)插件形式進(jìn)行添加。設(shè)計(jì)思路1，傳統(tǒng)界面開(kāi)發(fā)方法。在Matlab平臺(tái)基礎(chǔ)上，基于Guide開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)窗體界面，創(chuàng)建對(duì)象，添加回調(diào)函數(shù)。設(shè)計(jì)思路

13、2，基于Matlab開(kāi)發(fā)工具包平臺(tái)，利用傳統(tǒng)的eeglab工具包進(jìn)行再開(kāi)發(fā)。Eeeglab工具包具有傳統(tǒng)的腦電數(shù)據(jù)導(dǎo)入和繪圖的功能，在此基礎(chǔ)上，可以直接創(chuàng)建功能插件，添加到工具包就行。相比Labview可視化的虛擬儀器儀表界面，Matlab中直接采用窗體式的GUI界面，新功能可以直接添加到菜單選項(xiàng)中。該軟件包對(duì)外開(kāi)放源碼，欲進(jìn)行軟件功能開(kāi)發(fā)，須注冊(cè)會(huì)員后（服務(wù)器地址Server: ）基于相應(yīng)操作系統(tǒng)（Linux/Windows）進(jìn)行開(kāi)發(fā)。創(chuàng)建新功能函數(shù)后，以M文件放在 EEGLAB 的SCCN 文件夾即可。(/data/common/matlab/e

14、eglab/)如帶通濾波器插件的實(shí)現(xiàn)：功能代碼如下：% iirfilt() - (high|low|band)-pass filter data using an elliptic IIR filter function smoothdata,filtwts = iirfilt(data,srate,locutoff,hicutoff,epochframes, trans_bw, revfilt, rp,rs)ifnargin<4fprintf('');helpiirfiltreturnenddata = double(data);if exist('ellipo

15、rd') = 2 | exist('ellip') = 2error('* ellip() requires the Matlab Signal Processing toolbox. *');end.將代碼保存為m文件放入軟件包中的插件文件夾中。圖8 窗體界面2，功率譜分析根據(jù)各個(gè)采集點(diǎn)生成線性曲線。功率Y坐標(biāo)10*log_10(muV2/Hz)。示例m文件代碼如下，functioncreatefigure(X1, Y1)%CREATEFIGURE(X1,Y1)% X1: vector of x data% Y1: vector of y data %

16、 Auto-generated by MATLAB on 01-Nov-2012 22:42:05% Create figurefigure1 = figure('Color',0.93 0.96 1);% Create axesaxes1 = axes('Parent',figure1,'TickLength',0.02 0.02,'FontSize',14);% Uncomment the following line to preserve the X-limits of the axes% xlim(axes1,0 3.9

17、0625);% Uncomment the following line to preserve the Y-limits of the axes% ylim(axes1,103.522532515319 120.38882808401);hold(axes1,'all');% Create plotplot(X1,Y1,'LineWidth',2,'Color',1 0 0);% Createxlabelxlabel('Frequency (Hz)','FontSize',16);% Createylabelylabel('Power 10*log_10(muV2/Hz)','FontSize',16);% Create titletitle('Activity power spectrum','FontSize',16);圖9 波功率譜圖圖為波的譜圖，基于ginput()函數(shù)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊，獲取各個(gè)樣本點(diǎn)的坐標(biāo)值，將變量保存在X,Y中，如下：Figure;X,Y=ginput()；由于波，波，波均為頻段波，需進(jìn)一步利用梯形法進(jìn)行積分，求各波段面積（即總強(qiáng)度）