Автоматизированная система предупреждения засыпания водителя во время движения

Вопрос безопасности водителей и пассажиров на дорогах является на сегодняшний день особо остро обсуждаемым. Анализ статистики ДТП пассажирского и грузового транспорта дальнего следования показал высокий процент происшествий, имевших место в результате засыпания водителя во время движения как в ночные часы, так и ранним утром.

Однако сон – это не монотонное отключение от внешнего мира и период пониженной активности, а особое состояние организма, характеризующееся закономерной последовательной сменой определенной активности в виде циклов, стадий и фаз. Сон состоит из двух последовательных фаз – медленной и быстрой, которые вместе составляют один цикл. Эпизод медленного сна состоит из нескольких стадий, которые отличаются между собой активностью головного мозга. При наступлении начальной стадии сна, т. н. дремоты или засыпания, интервал времени которой составляет всего 300–600 с, водитель может попасть в серьезную аварию [1].

Материалы и методы

Системы оповещения водителя о его состоянии

Каждый профессиональный автомобилист предпочитает свои, как ему кажется, эффективные методы борьбы со сном. Самыми распространенными способами "не заснуть" среди водителей пассажирских и грузовых транспортных средств (ТС) являются: использование громкой музыки на штатных автомагнитолах; употребление бодрящих кофеиносодержащих средств, таких как энергетические напитки, зеленый чай и кофе [2]. Но перечисленные меры малоэффективны, особенно в тех случаях, когда у человека присутствует недомогание, усталость или стресс. Для решения указанной выше проблемы возникает необходимость разработки интеллектуальных автоматизированных систем и комплексов, которые бы предупреждали водителя о наступлении дремоты.

Системы по предупреждению засыпания водителя за рулем последние несколько лет активно внедряют мировые ведущие автопроизводители, такие как Toyota, General Motors, Volvo (табл. 1).

В то же время современный рынок электронного оборудования представляет большое количество устройств, которые могли бы оценить состояние водителя и указать на невозможность дальнейшего продолжения движения (табл. 2). Все они обладают теми или иными недостатками, ограничивающими их массовое применение [3; 4].

Таблица 1. Способы предупреждения засыпания водителя за рулем Table 1. The warning methods against driver falling asleep in-traffic

Компания-производитель	Принцип работы устройства
Toyota	Мониторинг положения глазных яблок и частоты колебаний век водителя через бортовой компьютер и камеры
General Motors	Контроль с помощью камер-детекторов движения, фиксирующих изменение положения головы и слипание глаз водителя
Volvo	Идентификации состояния водителя за счет отслеживания движения глаз с помощью находящихся в кабине автомобиля инфракрасных датчиков

Таблица 2. Оборудование для предупреждения засыпания водителя за рулем Table 2. The warning devices against driver falling asleep in-traffic

Название	Принцип работы	Недостатки
Vigo	Отслеживание закономерности и частоты движения глаз, а также их моргания при использовании инфракрасных сенсоров и акселерометра	Необходимость наличия отдельного Bluetooth-устройства передачи данных, которое не входит в базовый комплект
StopSleep	Непрерывное измерение проводимости кожи водителя на пальцах руки	Ограничение движения пальцев руки в связи со спецификой ношения устройства на двух пальцах. Неудобство вождения ТС с механической коробкой переключения передач
VIGITON	Непрерывный контроль физиологического состояния водителя. Производит оповещение других участников движения о том, что ТС неуправляемо – включение внешних аварийных световых и звуковых сигналов	Большие массогабаритные показатели. Необходимость установки до 7 взаимосвязанных устройств непосредственно перед водителем, что очевидно будет ограничивать обзор дороги
Antisleep	Реагирование на наклон головы вниз	Трудности настройки начального уровня наклона из-за отличий в конструкциях кузовов различных ТС. Отсутствие срабатываний на боковые наклоны головы
Avita "Антисон"	Прослушивание и определение ритмов сердечных сокращений	Крайне низкое время работы без дополнительной подзарядки

Принцип работы присутствующих на рынке технологий имеет схожий характер – мониторинг физического состояния водителя, выявление отклонения от параметров нормального состояния и предупреждение [5; 6]. Однако при использовании рассмотренных вариантов не все приборы способны с высокой точностью определить состояние водителя и отреагировать заблаговременно. Но главным недостатком является необходимость того, что водитель обязан каждый раз надевать на себя перед выездом тот или иной прибор. Присутствие человеческого фактора, оказывающего влияние на оборудование подобного рода, отрицательно сказывается на работе системы предупреждения в целом.

Результаты и обсуждение

Система с применением датчиков, контролирующих состояние водителя

В целях устранения недостатков существующих аналогов и повышения безопасности участников движения за счет рациональности и доступности систем автоматического определения засыпания водителей авторами проведена проектно-исследовательская работа по созданию собственной системы идентификации и оповещения. Разработанный способ контроля состояния водителя заключается в том, что автоматизированная система осуществляет непрерывный мониторинг физиологического состояния водителя, ориентируясь на сигналы, которые поступают с расположенных внутри салона ТС датчиков (рис. 1).

В качестве устройств идентификации состояния водителя используется набор датчиков: датчик пульса, датчик температуры и датчик давления рук на руль. Все указанные средства измерения расположены на оплетке рулевого колеса ТС. Сигналы обратных связей состояния водителя поступают в систему управления, где анализируются. На основании этого принимается решение о необходимости подачи предупреждающего светового и звукового сигналов.

Следует отметить, что рассмотренная система, по мнению авторов, предпочтительна для практической реализации, поскольку сочетает в себе свойства эффективной работы с невысокой стоимостью, в сравнении с существующими аналогами. Именно этот конструктивный подход авторский коллектив предполагает взять за основу при разработке опытного образца автоматизированной системы предупреждения засыпания водителя.

Рис. 1. Функциональная схема "датчиковой" системы предупреждения засыпания водителя во время движения: РК – рулевое колесо;

ДТ – датчик температуры; ДП – датчик пульса; ДС – датчик скорости (спидометр ТС);

У – усилитель сигнала; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; СУ – система управления (микроконтроллер); ЗУ – звуковое устройство; СИ – световая индикация

Fig. 1. The flow diagram of the warning sensor system against driver falling asleep in-traffic: ДТ – the temperature sensor; ДП – the heart rate monitor; ДС – the speed sensor (speedometer); У – the signal amplifier; АЦП – the analog-digital converter; СУ – the control system (microcontroller);

ЗУ – the sound device; СИ – the light indication

В процессе подготовки системы к непосредственному использованию в ТС в микроконтроллер записываются возможно допустимые (эталонные) показатели состояния водителя. В процессе работы эталонные значения сравниваются с фактическими показателями состояния. При этом базовые значения во время движения корректируются вниз от начально внесенных, в зависимости от текущей скорости движения, в соответствии с приведенными ниже значениями (табл. 3).

Таблица 3. Поправочные коэффициенты автоматизированной системы контроля Table 3. The correction factors of the automated control system

Параметр	Эталонное значение, о. е.	Фактическое значение, о. е.
		Скорость ТС до 60 км/ч	Скорость ТС от 60 до 90 км/ч	Скорость ТС свыше 90 км/ч
Температура тела	1	не менее 0,97	не менее 0,98	не менее 0,99
Сердцебиение	1	не менее 0,87	не менее 0,9	не менее 0,93
Давление на руль	1	не менее 0,5	не менее 0,7	не менее 0,9

Система без использования датчиков, контролирующих состояние водителя

Альтернативным подходом для решения проблемы определения и предупреждения засыпания водителя во время движения может являться использование двух взаимодействующих между собой камер-фиксаторов, расположенных на внутренних арках салона ТС строго напротив водительского кресла. Суть такого подхода заключается в том, что система осуществляет непрерывный мониторинг положения зрачков водителя (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема "бездатчиковой" системы предупреждения засыпания водителя во время движения: ДС – датчик скорости (спидометр ТС); У – усилитель сигнала; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; СУ – система управления (микроконтроллер);

ВУ – вибрационное устройство; ЗУ – звуковое устройство; СИ – световая индикация;

Ка ₁ – камера 1; Ка ₂ – камера 2; СВ – система впрыска

Fig. 2. The flow diagram of warning sensorless system against driver falling asleep in-traffic: ДС – the speed sensor (speedometer); У – the signal amplifier; АЦП – the analog-digital converter; СУ – the control system (microcontroller); ВУ – the vibrating device; ЗУ – the sound device;

СИ – the light indication; Ка 1 – the camera 1; Ка 2 – the camera 2; СВ – the injection system

Каждая камера фиксирует положение зрачков водителя и передает информацию о их присутствии в заданном диапазоне видимости в цифровую систему управления. При отсутствии зрачков в зоне видимости одной из камер происходит опрос другой. При условии что информация об отсутствии зрачков в области действия подтверждается и на второй камере, происходит оповещение водителя путем светового, звукового и вибрационного сигналов, а также подачи в салон освежающего запаха типа "мята". Автоматизированная система без использования датчиков, также как и предлагаемая датчиковая система (рис. 1) определяет интенсивность подачи предупреждающих сигналов в зависимости от скорости передвижения ТС.

Алгоритм работы системы с использованием датчиков

Для того чтобы минимизировать наличие ложных срабатываний, в системе предусмотрена подача оповещения о наступлении состояния дремоты только при совокупности всех отклонений от состояния бодрости водителя. При наличии отклонения какого-либо одного (или двух) параметров от эталонных значений происходит только световая индикация, фиксирующая возможное начало засыпания. Логическая структура работы предложенного устройства предупреждения засыпания водителей представлена на рис. 3.

Рис. 3. Логическая структура анализа и принятия решения о засыпании водителя

Fig. 3. The logical structure of analysis and decision-making about the driver falling asleep

Заключение

В статье обоснована целесообразность применения автоматизированных систем и комплексов предотвращения засыпания водителей в ходе движения ТС. Повышение безопасности на дорогах, жизнь и здоровье участников движения имеют максимальный приоритет.

Анализируя результаты предложенных подходов к проектированию системы определения и предупреждения засыпания водителя во время движения, можно сделать следующие выводы:

• 1)    предложены режимы многофункционального контроля состояния водителя ТС как при использовании датчиков его физического состояния, так и при их отсутствии;

• 2)    рассмотрена процедура адаптация каждой из предложенных автоматизированных систем под значение текущей скорости передвижения ТС;

• 3)    определены пути для минимизации возможных ложных срабатываний устройств за счет последовательного определения физиологического состояния водителя.

Следующим этапом работы должна стать аппаратная реализация представленных методов и подходов, а также исследование опытного образца на реальном ТС.