CN105011945B - 一种预防驾驶疲劳的控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预防驾驶疲劳的控制方法及系统，属于信号处理方法与装置技术领域，其特征在于：依次包括以下步骤：(1)读取色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；2)由保性能控制理论根据x1(t)和x2(t)计算出t时刻抗疲劳药物经鼻部喷射量u(t)，使x1(t)和x2(t)长时间维持在正常的范围内；(3)当x1(t)或/和x2(t)达到各自的临界值时，根据步骤(2)得出的控制率发出控制指令；(4)重复执行步骤(1)～(3)；采用此检测方法，当色氨酸或/和皮质醇一旦超过各自的临界值，立即执行经保性能控制计算得到的控制方案，能够驱动外围设备喷射相应药物，使人体内的色氨酸和皮质醇控制在正常范围内，从而避免驾驶疲劳的发生。
Description
技术领域
本发明属于信号处理方法与装置技术领域，具体涉及一种预防驾驶疲劳的控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着生活水平的提高，车辆成了人们顺利出行的首选工具，交通事故率也随之上升。据不完全统计，大部分交通事故是由疲劳驾驶引发的，尤其在高速公路上，道路环境单一，动作单调，交通干扰少，速度稳定，行车中的噪声和振动频率小，易使驾驶员产生疲劳感。
为了减少由于疲劳驾驶发生的交通事故量，人们研究了检测和控制驾驶疲劳的方法。中国发明专利申请201410632076.6公开了一种疲劳驾驶预警方法，其主要检测驾驶员的面部特征、眼部信号、头部运动等信息，并依靠此信息推断驾驶员的疲劳状态，进行报警提示。
中国专利申请201410425869.0公开了一种疲劳驾驶检测方法，通过采集驾驶员的行为指标(主要为方向盘数据、驾驶时间和驾驶车速)，进行信息预处理，得到疲劳生理参数作为检测指标变量，然后利用疲劳指标变量对BP神经网络进行训练建立相应的疲劳检测网络模型，利用该模型进行疲劳检测。
中国专利申请201410359519.9还公开了一种基于多信息融合的疲劳驾驶检测方法，本方法由信号采集、疲劳等级量化及信号处理、特征参数提取、疲劳判定与报警若干环节构成。信号采集模块采集与疲劳相关信号，对驾驶员的疲劳等级进行量化，提取能够反映驾驶员疲劳状态的特征参数，对特征参数进行模糊聚类，实时检测驾驶员的疲劳状况，当判定驾驶员疲劳驾驶时，及时报警。
可以看出，上述技术均以驾驶员的肢体动作作为检测信号，即检测到的疲劳信号已经是驾驶员由于疲劳而表现出的，此时驾驶员已经比较疲劳甚至非常疲劳了，即使通过报警或者药物来缓解疲劳状态也需要一个时间过程，这对车辆驾驶而言是非常危险的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种预防驾驶疲劳的控制方法及系统，能够在第一时间检测并通过控制使驾驶员不进入疲劳状态。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：发明一种预防驾驶疲劳的控制方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)读取色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；
(2)由保性能控制理论根据x1(t)和x2(t)计算出色氨酸或/和皮质醇的控制率u(t)；
(3)当x1(t)或/和x2(t)达到各自的临界值时，根据步骤(2)得出的控制率发出控制指令；
(4)重复执行步骤(1)～(3)。
优选的，步骤(2)中保性能控制理论的算法为：
a、令并构建关于色氨酸浓度、皮质醇浓度的倒数以及控制率的不确定线性系统：
—式1
其中 为实数域，表示为在t时刻经鼻部喷射抗疲劳药物量，a1为x1(t)的临界值；b1为x2(t)的临界值，A0和B0为常数矩阵，△A和△B为具有适当维数的不确定时变实矩阵且
[△A △B]＝DF(t)[E1 E2] —式2
D，E1，E2为已知定常阵，F(t)为不确定函数阵，满足FT(t)F(t)≤I；
b、对式1，令u(t)＝-Kx(t)，代入式1得
—式3
给定使式3表示的不确定线性系统稳定；
c、通过给定合理的ε，求方程
—方程1
方程1中：Pi为待求量，使式3稳定，Q和R是给定的单位阵；
d、根据Pi，S表示拉格朗日泛函因子，由方程和方程同时解出和Si；
e、检验能否使式3稳定；如果稳定，转回步骤c；如果不稳定则转回步骤b；
f、取将K代入方程1，求出P，得tr(P)，如果tr(P)≤min{a1,b1}，则给定的ε合理，二次型指标
—式4
式4中J≤tr(P)，确定K值；否则返回步骤c；
g、计算得控制率u(t)＝-Kx(t)。
优选的，步骤(2)中的u(t)与实际控制律v(t-τ)之间存在如下关系：v(t-τ)＝f(t)*u(t)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。
本发明还提供了一种预防驾驶疲劳的控制系统，其特征在于：包括
(1)接收模块：接收检测的色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；
(2)存储模块：存储接收模块接收到的数据信息；
(3)逻辑运算模块：读取存储模块中的数据信息x1(t)和x2(t)，根据保性能控制理论计算出色氨酸和皮质醇的控制率u(t)；
(4)比较与控制模块：将x1(t)或/和x2(t)与各自的临界值进行比较；x1(t)或/和x2(t)大于各自的临界值时，根据逻辑运算模块得出的控制率发出控制指令。
优选的，逻辑运算模块的运算内容包括：
a、令并构建关于色氨酸浓度、皮质醇浓度的倒数以及控制率的不确定线性系统：
—式1
其中 为实数域，表示为在t时刻经鼻部喷射抗疲劳药物量，a1为x1(t)的临界值；b1为x2(t)的临界值，A0和B0为常数矩阵，△A和△B为具有适当维数的不确定时变实矩阵且
[△A △B]＝DF(t)[E1 E2] —式2
D，E1，E2为已知定常阵，F(t)为不确定函数阵，满足FT(t)F(t)≤I；
b、对式1，令u(t)＝-Kx(t)，代入式1得
—式3
给定使式3表示的不确定线性系统稳定；
c、通过给定合理的ε，求方程
—方程1
方程1中：Pi为待求量，使式3稳定，Q和R是给定的单位阵；
d、根据Pi，S表示拉格朗日泛函因子，由方程和方程同时解出和Si；
e、检验能否使式3稳定；如果稳定，转回步骤c；如果不稳定则转回步骤b；
f、取将K代入方程1，求出P，得tr(P)，如果tr(P)≤min{a1,b1}，则给定的ε合理，二次型指标
—式4
式4中J≤tr(P)，确定K值；否则返回步骤c；
g、计算得控制率u(t)＝-Kx(t)。
优选的，逻辑运算模块还考虑了药物的散失量，计算控制率u(t)与实际控制律v(t-τ)之间存在如下关系：v(t-τ)＝f(t)*u(t)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
申请人发现色氨酸和皮质醇是引起驾驶员眼部变化，呼吸、血压、心跳等变化的根本因素，从而采用检测色氨酸或/和皮质醇的方法，当色氨酸或/和皮质醇一旦超过各自的临界值，立即执行经保性能控制计算得到的控制方案，能够驱动外围设备喷射相应药物，使人体内的色氨酸和皮质醇控制在正常范围内，从而避免驾驶疲劳的发生。
附图说明
图1是本发明的程序流程图。
图中附图标记为：1、接收模块；2、存储模块；3、逻辑运算模块；4、比较与控制模块。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明提供的预防驾驶疲劳的软系统中设置了接收模块1、存储模块2、逻辑运算模块3和比较与控制模块4。其中，接收模块1用于接收检测的色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；存储模块2用于存储接收模块1接收到的数据信息；逻辑运算模块3用于读取存储模块2中的数据信息x1(t)和x2(t)，由保性能控制理论根据x1(t)和x2(t)计算出t时刻向鼻部喷射的抗疲劳药物量u(t)，以使x1(t)和x2(t)长时间维持在正常范围内；比较与控制模块4将x1(t)和x2(t)与各自的临界值a1、b1进行比较；x1(t)大于a1或/和x2(t)大于b1时，根据逻辑运算模块3得出的控制率发出控制指令；色氨酸的临界值a1是人体内色氨酸正常浓度范围的上限值，皮质醇的临界值b1是人体内正常皮质醇浓度倒数范围的上限值，均是给定的固定值。
逻辑运算模块3还考虑了药物的散失量，计算控制率u(t)与实际控制律v(t-τ)之间存在如下关系：v(t-τ)＝f(t)*u(t)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。即将计算控制率u(t)乘以一个系数f(t)后作为实际执行的控制率v(t-τ)。
本发明的工作过程如下：
接收模块1读取色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)，并由存储模块2进行存储，逻辑运算模块3根据x1(t)和x2(t)由保性能控制理论计算出t时刻向鼻部喷射的抗疲劳药物量u(t)，具体的计算过程为：
a、令并构建关于色氨酸浓度、皮质醇浓度的倒数以及控制率的不确定线性系统：
—式1
其中 为实数域，表示为在t时刻经鼻部喷射抗疲劳药物量，x1(0)表示系统开始干预时刻的色氨酸浓度，x2(0)表示系统开始干预时刻的皮质醇浓度的倒数，a1表示正常色氨酸浓度范围的上限值；b1表示正常皮质醇浓度的倒数范围的上限值，A0和B0为常数矩阵，△A和△B为具有适当维数的不确定时变实矩阵且
[△A △B]＝DF(t)[E1 E2] —式2
D，E1，E2为已知定常阵，F(t)为不确定函数阵，满足FT(t)F(t)≤I；
b、对式1，令u(t)＝-Kx(t)，代入式1得
—式3
给定使式3表示的不确定线性系统稳定；
c、通过给定ε，求方程
—方程1
方程1中：Pi为待求量，使式3稳定，Q和R是给定的单位阵；
d、根据Pi，S表示拉格朗日泛函因子，由方程和方程同时解出和Si；
e、检验能否使式3稳定；如果稳定，转回步骤c；如果不稳定则转回步骤b；
f、取将K代入方程1，求出P，得tr(P)，如果tr(P)≤min{a1,b1}，则给定的ε合理，二次型指标
—式4
式4中J≤tr(P)，则能够通过J将x1(t)和x2(t)控制在合理的范围内，取值合适；否则返回步骤c
g、计算得控制率u(t)＝-Kx(t)，再将u(t)乘以一个系数f(t)后作为实际执行的控制率v(t-τ)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。
(3)当x1(t)达到临界值a1或/和x2(t)达到临界值b1时，则根据步骤(2)得出的控制率v(t-τ)发出控制指令；
(4)重复执行步骤(1)～(3)直至驾驶结束，关闭检测系统。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以组合、变更或改型均为本发明的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种预防驾驶疲劳的控制方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)读取色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；
(2)由保性能控制理论根据x1(t)和x2(t)计算出色氨酸或/和皮质醇的控制率u(t)；
(3)当x1(t)或/和x2(t)达到各自的临界值时，根据步骤(2)得出的控制率发出控制指令；
(4)重复执行步骤(1)～(3)；
步骤(2)中保性能控制理论的算法为：
a、令并构建关于色氨酸浓度、皮质醇浓度的倒数以及控制率的不确定线性系统：
其中表示为在t时刻经鼻部喷射抗疲劳药物量，a1为x1(t)的临界值；b1为x2(t)的临界值，A0和B0为常数矩阵，ΔA和ΔB为具有适当维数的不确定时变实矩阵且
[ΔA ΔB]＝DF(t)[E1 E2] —式2
D，E1，E2为已知定常阵，F(t)为不确定函数阵，满足FT(t)F(t)≤I；
b、对式1，令u(t)＝-Kx(t)，代入式1得
给定使式3表示的不确定线性系统稳定；
c、通过给定合理的ε，求方程
方程1中：Pi为待求量，使式3稳定，Q和R是给定的单位阵；
d、根据Pi，S表示拉格朗日泛函因子，由方程和方程同时解出和Si；
e、检验能否使式3稳定；如果稳定，转回步骤c；如果不稳定则转回步骤b；
f、取将K代入方程1，求出P，得tr(P)，如果tr(P)≤min{a1,b1}，则给定的ε合理，二次型指标
式4中J≤tr(P)，确定K值；否则返回步骤c；
g、计算得控制率u(t)＝-Kx(t)。
2.根据权利要求1所述的预防驾驶疲劳的控制方法，其特征在于：步骤(2)中的u(t)与实际控制律v(t-τ)之间存在如下关系：v(t-τ)＝f(t)*u(t)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。
3.一种预防驾驶疲劳的控制系统，其特征在于：包括
(1)接收模块：接收检测的色氨酸的浓度数据x1(t)和皮质醇浓度的倒数x2(t)；
(2)存储模块：存储接收模块接收到的数据信息；
(3)逻辑运算模块：读取存储模块中的数据信息x1(t)和x2(t)，根据保性能控制理论计算出色氨酸和皮质醇的控制率u(t)；
(4)比较与控制模块：将x1(t)或/和x2(t)与各自的临界值进行比较；x1(t)或/和x2(t)大于各自的临界值时，根据逻辑运算模块得出的控制率发出控制指令；
所述逻辑运算模块的运算内容包括：
a、令并构建关于色氨酸浓度、皮质醇浓度的倒数以及控制率的不确定线性系统：
其中表示为在t时刻经鼻部喷射抗疲劳药物量，a1为x1(t)的临界值；b1为x2(t)的临界值，A0和B0为常数矩阵，ΔA和ΔB为具有适当维数的不确定时变实矩阵且
[ΔA ΔB]＝DF(t)[E1 E2] —式2
D，E1，E2为已知定常阵，F(t)为不确定函数阵，满足FT(t)F(t)≤I；
b、对式1，令u(t)＝-Kx(t)，代入式1得
给定使式3表示的不确定线性系统稳定；
c、通过给定合理的ε，求方程
方程1中：Pi为待求量，使式3稳定，Q和R是给定的单位阵；
d、根据Pi，S表示拉格朗日泛函因子，由方程和方程同时解出和Si；
e、检验能否使式3稳定；如果稳定，转回步骤c；如果不稳定则转回步骤b；
f、取将K代入方程1，求出P，得tr(P)，如果tr(P)≤min{a1,b1}，则给定的ε合理，二次型指标
式4中J≤tr(P)，确定K值；否则返回步骤c；
g、计算得控制率u(t)＝-Kx(t)。
4.根据权利要求3所述的预防驾驶疲劳的控制系统，其特征在于：逻辑运算模块还考虑了药物的散失量，计算控制率u(t)与实际控制律v(t-τ)之间存在如下关系：v(t-τ)＝f(t)*u(t)，其中0≤τ≤t，f(t)表示药物吸收率和吸收时间对u(t)的影响系数。
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