摘 要

近年来，疲劳驾驶已经成为造成交通事故的主要原因之一。因此设计出一款价格低廉、识别准确且便于在汽车上安装的疲劳驾驶预警系统已经成为热门研究项目。对于疲劳驾驶预警系统的布置来说，要求其不影响汽车内部美观和外部视野，同时也能保证该系统能良好工作，因此疲劳驾驶预警系统在A柱的隐蔽化安装有重要的工程意义。

本次设计的方案是将系统的图像采集器（摄像头）安装到A柱内饰板上，安装位置采用空腔造型。首先依据汽车A柱的设计法规和性能要求等，利用Solidworks建立模型，然后对模型进行优化保证与预警系统的外观模型的兼容性。保证系统能完成图像采集、数据处理和通讯，最后达成人车交互，实现疲劳驾驶预警。本研究的特色在于：综合考虑A柱外形结构及驾驶员视野特点，完成预警系统的外观设计，并实现其隐蔽化安装。研究结果具有重要的实践意义和商业价值，能为疲劳驾驶预警系统在汽车内的隐蔽化安装提供思路和依据。

关键词：疲劳驾驶，预警系统，A柱，隐蔽化安装。

Abstract

In recent years, fatigue driving has become one of the major causes of traffic accidents. Therefore, it has become a hot research project to design a fatigue driving warning system that is low in price, accurate in identification, and easy to install in automobiles. For the arrangement of the fatigue driving warning system, it is required that it does not affect the interior appearance and external visual field of the car, and at the same time it can ensure that the system can work well. Therefore, the fatigue driving warning system has important engineering significance in the concealed installation of the A-pillar.

The design of this project is to install the system's image collector (camera) on the A-pillar trim panel, and the installation location is based on cavity modeling. First, based on the design laws and performance requirements of automotive A-pillars, Solidworks was used to build the model, and then the model was optimized to ensure compatibility with the appearance model of the early-warning system. Ensure that the system can complete the image acquisition, data processing and communications, and finally reach the human-vehicle interaction to achieve fatigue driving warning. The characteristics of this study are: comprehensively consider the appearance of the A-pillar structure and the driver's vision, complete the design of the early warning system, and achieve its concealed installation. The research results have important practical significance and commercial value, and can provide ideas and basis for the installation of the fatigue driving warning system in the car.

Key Words：Fatigue driving, Warning system, A-pillar, Concealed installation.

目录

摘 要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2.1疲劳驾驶预警系统的设计 3

1.2.2疲劳驾驶预警系统的安装 4

1.3疲劳驾驶预警系统在A柱上的隐蔽化安装的国内外现状 4

1.3.1国内现状 4

1.3.2国外现状 5

1.4研究内容及研究方法 5

第二章A柱建模设计 6

2.1 A柱设计 6

2.1.1 汽车A柱 6

2.1.2A柱设计要求 6

2.1.3A柱建模 6

2.2 A柱上饰板设计 9

2.2.1 A柱上饰板 9

2.2.2 A柱上饰板设计要求 9

2.2.3 A柱上饰板建模 9

2.3 A柱与上饰板配合要求 10

2.4本章小结 11

第三章疲劳驾驶预警系统整体设计 12

3.1疲劳驾驶预警系统 12

3.2疲劳驾驶预警系统电路设计 12

3.2.1信号采集 12

3.2.2数据处理 12

3.2.3疲劳判定 12

3.2.4疲劳预警 13

3.3疲劳驾驶预警系统硬件布置 13

3.4本章小结 14

第四章疲劳驾驶预警系统在A柱上的安装 15

4.1疲劳驾驶预警系统的安装要求 15

4.2疲劳驾驶预警系统安装位置 15

4.2.1摄像头拍摄范围要求 15

4.2.2驾驶员平均身高调研 15

4.2.3疲劳驾驶预警系统安装位置确定 16

4.3疲劳驾驶预警系统的隐蔽化安装 16

4.4本章小结 17

第五章 结论 18

5.1全文总结 18

5.2研究展望 18

参考文献 19

致谢 21

第 1 章 绪论

1.1研究背景及意义

近几年我国城市化和机动化水平的不断提升，道路交通安全问题出现了巨大隐患。据统计部门数据显示，在2017年全国一共发生了32.8万起道路交通事故，约有8.42万人死亡，占我国各类安全事故死亡人数的71%左右。我国汽车保有量占全球的12%，却在世界道路交通事故死伤人数中占18%。交通事故死伤比为1：4.73，也明显低于发达国家平均水平。在如此严峻的道路交通安全形势下，政府和相关人士都认识到了问题的严重性。

根据对驾驶员自身原因引起的交通事故数据分析,驾驶员疲劳驾驶造成了约90%的交通安全事故。以2017年全国道路交通事故的数据来看，一共发生了327902起道路安全事故,死亡人数为91863人。因机动车驾驶员肇事占总数的88.36%,其中, 4102起事故的原因是疲劳驾驶,占了事故总数的1.13%。但在实际中,由于疲劳驾驶，驾驶员的注意力及安全驾驶能力都会下降,导致了驾驶员注意力分散、反应僵硬、错误操作、甚至超速等失误。所以，疲劳驾驶引起的危害仍不止上面数据所显示的。

2016年由美国交通安全委员会主持的一项专门针对疲劳驾驶的研究表明，疲劳驾驶导致了约25%的道路交通事故,且这些交通事故都造成了重大的人员伤亡和财产损失。1998年美国共发生263起与疲劳驾驶有关的交通死亡事故,占死亡事故总数的17.4%。数据还表明,当时没有预警和管理疲劳驾驶的技术措施,使得由疲劳驾驶所引起的事故所占比例由1990年的15.3%上升到了1991年的18.3%,并且这个上升的幅度还在不断提升^[1]。美国交通部发布了一篇关于商用车辆的研究报告显示,因为驾驶员的疲劳驾驶造成的商用车辆事故约占20%~40%,对183起重型卡车事故的研究表明,驾驶员疲劳驾驶这个原因占了33%。在对1000名驾驶员的调研中发现了更加严峻的问题：有过疲劳驾驶的经历的驾驶员占56%,更令人不敢相信的是有20%的驾驶员曾经在驾驶过程中睡着。

由以上结果分析,驾驶员疲劳驾驶已经成了最大的交通安全隐患。但是因为很难有对驾驶员进行实时在线的检测与防止的措施,为了大幅度减少疲劳驾驶这一危险行为,比较普遍且较为有效的是合理安排驾驶时间。在我国就有明确规定：机动车驾驶员不得“连续驾驶机动车超过8小时未停车休息或者停车休息时间少于30分钟”。目前对驾驶员的疲劳检测仅仅采用了简单的跟据行车记录和驾驶日记来判断驾驶时间的方法。但这其中有许多无法考虑到的因素，如不同驾驶员个体在身体健康情况、生活习惯以及同一驾驶员在不同时间的身体健康状态等各个方面的差距,得不到统一的判断标准，给具体实施带来了诸多不便。

驾驶员刚产生疲劳时不一定就会发生道路交通事故就发生。如果能研制一种对驾驶员疲劳状态进行实时监测的疲劳驾驶预警系统,在驾驶员一开始出现疲劳状态时就进行预警和警告,将大幅减少因驾驶员疲劳驾驶造成的道路交通事故。但是疲劳驾驶预警技术仍不够成熟，有许多需要改善的地方。

（1）不同的驾驶员处于不同的心理和生理状况，单一的疲劳驾驶预警系统的判定标准并不实用。而且同一驾驶员的身体状况也会因不同的外界环境发生改变。

（2）对驾驶员处于疲劳驾驶状态下，其生理状态的变化规律也是很难总结的，因为其具有很多不确定因素和个体差异，因此很难得到经验规律总结。

（3）目前国内外没有统一的对疲劳驾驶检测方法，就疲劳驾驶的准却定义也还存在较大争议，疲劳的限度也没有准确的标准。

（4）因为要对采集的驾驶员信息进行分析处理，所以需要大量的算法和控制来提供技术支持，但是目前大多数检测算法因其检测条件的限制不能在汽车上得到实际应用。

（5）在驾驶员的实际行驶过程中会收到各种环境的影响，所以准确完整地提取驾驶员的疲劳信息是比较困难的。

（6）疲劳检测是一个实时的过程，但现如今阶段的检测手段仍是对片段的图像进行处理导致目前所实际应用的疲劳驾驶预警系统往往对疲劳状态作出判断与响应是较为缓慢的。其精准度和时效性还需提高。

（7）疲劳驾驶预警系统作为目前较前沿高科技的技术产品，其高昂的价格大大的限制了它在生活中的应用。

而且疲劳驾驶预警系统在汽车内部的布置及安装技术尚处于探索阶段。目前将疲劳驾驶预警系统安装到汽车A柱上是普遍采用和较为成功的方案。汽车A柱，就是汽车左右两侧用于连接车顶和前舱的连接柱。在A柱上实现疲劳驾驶预警系统的隐蔽化安装则需与A柱上饰板的设计相结合^[2]。A柱上饰板是车身A柱覆盖件，主要起装饰作用，可以增加乘客舒适度，提供优雅的内饰外观，碰撞时还可以起到缓冲作用，从而保护车内乘客。这样在不影响驾驶员视野和车内总体美观环境的条件下，完成疲劳驾驶预警系统的隐蔽化安装，具有重要实践价值。

本文分析所查找到的资料发现，目前疲劳驾驶预警系统主要结合先进的信息采集技术、数据处理技术、图像传感技术采集车辆和驾驶员的行为特征和数据，对车辆和驾驶员状态进行实时的监控，对疲劳驾驶程度进行判定并进行预警。分析疲劳驾驶预警系统所涉及的主要硬件设备，本文以驾驶员视频信息采集及数据分析系统为疲劳驾驶预警系统平台，分析其外观特征，结合实际设计出一套可行的疲劳驾驶预警系统在汽车A柱上的隐蔽化安装方案。

1.2疲劳驾驶预警系统在A柱上的安装

近几年疲劳驾驶预警系统初步得到了应用，它被设计成各种形态各异的形状和各种功能，所以它在汽车上也被安装在各个地方。本文设计的疲劳驾驶预警系统 (Fatigue driving warning system)，它是对驾驶员眼部图像信息进行分析处理，并做出判定，由图像采集器（摄像头）和处理器两大模块组成。其在汽车上的安装位置设计在A柱上，为了实现其隐蔽性将安装位置采用空腔造型。将系统置于其中，在A柱内饰板上开一个小孔，供摄像头收集驾驶员信息。

1.2.1疲劳驾驶预警系统的设计

因为疲劳驾驶预警系统具有应用特殊性，设计的系统必须满足:（1） 非接触式，即该系统在正常工作时不能对驾驶员产生行为上的干扰；（2） 实时性，能够随时随地的检测出驾驶员当前的身体状态和行为特征，并且能准确且迅速地对收集到信息进行处理，然后对疲劳状态下的司机做出预警；（3）全天候，因为要实时的收集驾驶员的图像信息，所以该系统要能正常的工作于各种环境，不受光照的影响。

系统的主要功能有图像采集、图像处理、疲劳判定、报警和电源管理五大部分。图像的采集是采用H264的高清摄像头拍下驾驶员脸部图，支持多种图像格式，可实现实时视频传输和拍照功能。然后传输至Arduino开发板上经过高精度的 A/D 处理，就可以把视频信息转换成数字信号处理器（ DSP ）可以读取的数字图像。并且这款摄像头能自动感应到外界光线，根据外界光源的强弱进行红外光补充。因此该系统也满足了全天候工作的要求。

该系统由DSP对图像信息进行处理，它会对图像首先进行预处理和面部图像、眼部图像的处理。但是由于在实际环境中所拍摄的驾驶员图片的背景比较复杂，系统就会对驾驶员的脸部区域进行错误的判定。这时利用对图像预处理技术就能够通过对各种干扰问题进行纠正和改正，就保证所收集到的人脸图像的精确性和质量^[3]。当然系统会在预处理的基础上，对图像中眼部位置进行进一步定位，以确保人眼在人脸部的正确位置，进行准确的疲劳状态的判定。

在有了摄像头收集的驾驶员眼部信息后，本次设计选择了利用PERCLOS ( Percentage of Eyelid Closure Over the Pupil Over Time) 算法对人眼进行检测。因为该算法在国内外都得到了较广泛的应用和较多专业人员的认可。PERCLOS( Percent eye Closure)这个概念是指在一定的时间内人眼闭合时长在一段时间内的比值。 研究表明，驾驶员的疲劳程度可以用眼睛在一段时间内的闭合时长来表示，PERCLOS的值越大，则该时段驾驶员越疲劳。根据研究数据表明，如果在一时段驾驶员

PERCLOSgt;40%，眼睛闭合时间gt;3s，系统就会判定该驾驶员处于疲劳状态。并且系统的蜂鸣器会发出声音报警，提醒驾驶员。

1.2.2疲劳驾驶预警系统的安装

在本次设计中将疲劳驾驶预警系统安装在了汽车A柱上，所以先建立完整的A柱外观模型，再与疲劳驾驶预警系统的外观模型进行匹配优化，最终达到预警系统的隐蔽化安装。A柱是车身主要框架的一部分，它对车身的整体刚度有较大影响，同时也会对驾驶员视野产生影响。若是A柱尺寸过小则达不到强度要求，就会出现裂纹导致：前门框变形，影响到前风挡玻璃的密封和前门密封。若是A柱尺寸过大则会导致驾驶员视野盲区较大，影响驾驶员正常行驶，存在较大的安全隐患。本文从系统布置、结构尺寸、性能要求及工艺约束等几个方面对系统的安装布局进行论述，从而达到在保证强度要求的情况下减小A柱障碍角的目的。

立柱上饰板系统，简称立柱上饰板，是包覆车身立柱内钣金的主要内饰件。当然为了与疲劳驾驶预警系统模型相匹配，且不影响驾驶员的视野盲区，在A柱上饰板设计过程中需要解决以下问题：A柱饰板与顶衬的名义过盈量、在与顶衬重叠区域A柱饰板的最小厚度等。

A柱饰板是重要的汽车内饰。其位置显著,且与仪表台、密封条、顶棚、前风挡玻璃等都有配合关系^[4]。因为疲劳驾驶预警系统是安装在汽车A柱上饰板中的，所以需要对A柱上饰板进行设计。在设计时要满足的法规要求和在A柱上饰板总成设计过程中要遵循相关的要求和原则。在设计A柱上饰板时, 要综合考虑其强度、刚度、结构、工艺、造型以及与周边关联附件的配合要求。要求在能与疲劳驾驶预警系统的外观模型相匹配的条件下尽量满足过渡和谐美观,同时还要考虑驾驶员的视野盲区的问题。

在建立好A柱的外观模型后，与之前建立的疲劳驾驶预警系统外观模型相匹配。对系统外观进行优化设计，同时要求建模精确，外形与A柱的兼容性。确定疲劳驾驶预警系统在A柱上的安装结构，并且安装方便，整体外观美观、隐蔽化。

1.3疲劳驾驶预警系统在A柱上的隐蔽化安装的国内外现状

疲劳驾驶预警系统安装涉及到A柱设计，目前国内和国外学者普遍使用的方法是：将系统的图像采集器（摄像头）安装到A柱内饰板上。一般的研究流程主要是：安装位置采用空腔造型，将摄像头隐藏于其中。也有一些学者为了A柱的强度要求，采用外形小的摄像头直接安装，在实际的使用条件下，可以得到了更加清晰的数据。

1.3.1国内现状

国内疲劳驾驶预警系统的研究起步较晚，目前比较成型的是中国单片机公共实验室南京研发中心联合南京远驱科技有限公司研究出来的gogo850^[5]。它是国内唯一已经商业化的疲劳驾驶预警系统。但疲劳驾驶预警系统在A柱的隐蔽化安装，国内还缺乏成熟的案例和经验。 一般的已经实现疲劳驾驶预警系统安装的量产车采用的方式是微小型系统黏贴式安装。A柱和疲劳驾驶预警系统的一体化设计还需考虑驾驶员障碍角，国内外通常采用复合式子母斜楔，完成修边后的侧整工艺，保证制件顺利的取放和定位，减小A柱对驾驶员视线的影响。

1.3.2国外现状

国外的一些公司的做法大多是将摄像头安装在方向盘中或者在摄像头下安装一个支架，然后放置于驾驶员前方。但是这些做法无疑都不能很好的保证疲劳驾驶预警系统的隐蔽化安装。捷豹路虎开发设计了一款透明A柱：借助了汽车外部摄像头来捕获实时视频，并将视频信息通过嵌入在A柱上的显示屏呈现给用户。但其实现较复杂，成本较高未用于量产。

1.4研究内容及研究方法

此次研究围绕疲劳驾驶预警系统在A柱上的隐蔽化安装，依据汽车A柱设计法规和性能要求等，利用solidworks建立模型，并保证与疲劳驾驶预警系统的外观模型的兼容性。保证系统能完成图像采集，数据处理和通讯。最后达成人车交互，实现疲劳驾驶预警。本研究以汽车A柱模型设计为基础，同时保证A柱上饰板与周边配合设计合理，提升A柱饰板给人的主观感受,能避免后期的装配问题，从而达到系统的隐蔽化安装。

本次设计主要方法步骤有：

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