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CN113815707B - 一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统 - Google Patents

一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统，所述方法包括以下步骤：S1：设置信号监测组件，当驾驶员握持方向盘时，所述信号监测组件产生电信号，所述的信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，所述的摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上；S2：获取驾驶员的握持姿态，并对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存；S3：根据采集到的握持姿态、电信号数据构建电信号与握持姿态的映射关系；S4：实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态。与现有技术相比，本发明具有成本低、易于制作和部署，监测时效性、准确性高等优点。

Description

一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统
技术领域
本发明涉及智能方向盘领域，尤其是涉及一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统。
背景技术
在人机共驾层面，现有基于对驾驶员的检测方案主要可分为两类，一是通过可穿戴设备收集的生理数据来分析驾驶员的操纵行为；二是通过车辆系统的传感器(如摄像机、控制器局域网(CAN)等)监测和分析驾驶员的驾驶状态。然而，在对驾驶员转向操纵的研究中，上述方法可能存在一些缺陷。例如，来自相机的数据会受到振动、光线和遮挡的影响；用于获取生理信息的设备则会不可避免地对驾驶员产生干扰；而其他精密传感器又可能具有不可忽视的成本和消耗。
因此，亟需将小型、低成本而具有高可靠性的传感器集成到汽车固有硬件当中，以实现在不影响驾驶员正常操作的前提下准确、有效地检测驾驶员地驾驶状态。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法及系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，用于对驾驶员的方向盘握持姿态进行检测，包括以下步骤：
S1：设置信号监测组件，当驾驶员握持方向盘时，所述信号监测组件产生电信号，所述的信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，所述的摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上；
S2：获取驾驶员的握持姿态，并对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存；
S3：根据采集到的握持姿态、电信号数据构建电信号与握持姿态的映射关系；
S4：实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态。
优选地，所述的摩擦电纳米传感器为聚酰亚胺-聚氨酯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铝传感器中的一种。
优选地，所述的信号监测组件包括多个传感器组，所述的多个传感器组均匀环绕方向盘轮缘设置，每个所述传感器组包括三个摩擦电纳米传感器，每个所述传感器组的摩擦电纳米传感器分别设于方向盘轮缘的同一角度的前侧面、外周侧面和后侧面。
优选地，所述的摩擦电纳米传感器采用接触分离模式产生驾驶员握持方向盘时的电信号，所述的接触分离模式为当摩擦电纳米传感器中两种具有不同吸附电子能力的聚合物膜接触和分离时，接触带电所引起的摩擦电荷会在界面区和电极中引起电位差，产生电信号。
优选地，所述的步骤S2、S4中通过设置信号收集处理组件对信号监测组件产生的电信号进行采集、存储和处理。
优选地，所述的信号收集处理组件包括信号采集模块、信号处理模块、存储模块，
所述的信号采集模块用于采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，
所述的信号处理模块用于搭载映射关系，根据映射关系对实时采集的电信号进行判断，判断驾驶员的方向盘握持姿态，
所述的存储模块用于存储采集到的电信号。
优选地，所述的信号收集处理组件还包括通信模块，所述的通信模块用于将采集到的电信号发送至用于获取映射关系的上位机。
优选地，所述的步骤S3获取所述映射关系时，将采集到的握持姿态、电信号数据发送至上位机进行处理，构建电信号与握持姿态的映射关系。
优选地，所述的握持姿态包括驾驶员的握持位置和握持力度。
一种驾驶员方向盘握持姿态监测系统，包括信号监测组件、信号收集处理组件、上位机，
所述的信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，所述的摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上，所述的信号监测组件用于当驾驶员握持方向盘时产生电信号；
所述的信号收集处理组件对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存，还用于实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态；
所述的上位机根据电信号数据及电信号数据对应的握持姿态构建电信号与握持姿态的映射关系。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明的握持姿态检测方法能够有效获取驾驶员握持方向盘时产生的电信号，并构建电信号与握持姿态间的映射关系，根据映射关系实时监测驾驶员的握持姿态，能够在不影响方向盘结构的前提下精确灵敏地进行监测，兼顾制造成本与安装便捷性以及使用舒适感，通过检测得的数据实现对驾驶者驾驶习惯的主动适应，提高人机交互体验；
(2)本发明的信号监测组件采用摩擦电纳米传感器进行驾驶员握持电信号的产生和采集，摩擦电纳米传感器具备轻薄柔韧、成本低廉的特点，可以适应各种不规则形状表面，易于铺设，摩擦电纳米传感器具备自供电特性，无需外接电源供能，能够有效降低设备成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的摩擦电纳米传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，用于对驾驶员的方向盘握持姿态进行检测，握持姿态包括驾驶员的握持位置和握持力度，本发明可应用于轿车、客车、载货汽车、专用汽车等各式装配有方向盘的载具，如图1所示，包括以下步骤：
S1：设置信号监测组件，当驾驶员握持方向盘时，所述信号监测组件产生电信号。
本发明采用摩擦电纳米传感器技术，构建信号监测组件，具体地，信号监测组件包括多个传感器组，所述的多个传感器组均匀环绕方向盘轮缘设置，每个所述传感器组包括三个摩擦电纳米传感器，每个所述传感器组的摩擦电纳米传感器分别设于方向盘同一角度的前侧面、外周侧面和后侧面，能够对驾驶员的握持动作进行完整监测，产生对应的电信号。
进一步地，本实施例中摩擦电纳米传感器为聚酰亚胺-聚氨酯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铝传感器中的一种。本发明利用摩擦电纳米传感器的接触分离模式，当两种具有不同吸附电子能力的活性摩擦电材料在挤压或弯曲的作用下接触时，其表面会产生摩擦电荷(例如图2中聚四氟乙烯层2和尼龙薄层3接触时，聚四氟乙烯薄层2带正电，尼龙薄层3带负电)，随着外力的释放，接触带电所引起的摩擦电荷会在界面区和电极中引起电位差。如果接有外部负载可产生电流流动，产生电信号。基于这一原理，将其制成压力传感器，对驾驶者握持姿态进行检测。具体地，当手掌与方向盘接触并施加压力时，由接触带电引起的摩擦电荷将在界面区域产生电势差，在摩擦电纳米传感器中体现为一个高电位信号，且电位高低与压力大小正相关。
如图2所示，本实施例中采用尼龙-聚四氟乙烯-铜摩擦电纳米传感器，其包括导电铜箔1、聚四氟乙烯薄层2、尼龙薄层3，最外层由一层热收缩包作为传感器的覆盖层。尼龙薄层3和聚四氟乙烯薄层2的顶部表面都有铜作为电极。所述制备的传感器具有夹层式结构，其中聚四氟乙烯薄层2的自由表面位于尼龙薄层3的自由表面上。然后，在这两层薄膜上覆盖一层热收缩膜。热收缩包装使用手持热风枪加热，以保持聚合物层附着，并完全覆盖和收紧传感器的核心部分。使用热收缩包装可以制造一个基于三明治结构的传感器，整体结构是封装的，轻薄柔韧，高度灵活且热耐用。
本实施例中，信号监测组件包括八个传感器组，环绕所述方向盘轮缘每间隔45°设置一个传感器组，实现信号监测组件的设置。具体地，所有摩擦电纳米传感器的导线隐藏于薄膜下方，经方向盘内部空腔汇总到信号收集处理组件，握持力度越大，产生的电信号电压越高，共24个摩擦电纳米传感器实时监测握持信息。传感器的薄膜易于维护、拆解、更换。并且，所述传感器无需额外供电，是一种自供电设备。方向盘可配备个性化外层方向盘套，不影响摩擦电纳米薄膜反应灵敏性。
进一步地，步骤S1具体包括为驾驶过程中，驾驶员握持方向盘产生驾驶姿态；分布于方向盘外轮缘四周的摩擦电纳米传感器受压产生电信号；电信号由导线汇总到位于方向盘中央空腔内的信号收集处理组件。
S2：获取驾驶员的握持姿态，并对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存。
本实施例中，步骤S2中通过设置信号收集处理组件对信号监测组件产生的电信号进行采集、存储。
具体地，本实施例中采用嵌入式单片机构成信号收集处理组件，信号收集处理组件包括信号采集模块、信号处理模块、存储模块、通信模块，对应的，信号处理模块即为单片机处理器，存储模块为单片机TF卡，通信模块本实施例中采用UART蓝牙模块，信号采集模块基于嵌入式技术，由微型单片机辅以简单的滤波电路实现功能信号采集模块主要由PIT模块定时中断读取经过滤波后的传感器生成的电信号，使用ADC模数转换模块实现传感器电信号到数字信号的模数转换，将电信号与其对应的时间序列组成一个数组，将所有信号数组组成二维数组，继而可由UART蓝牙模块将数据发送至上位机进行存储及分析，或者直接由单片机将数据存储至TF卡。信号处理模块能搭载映射关系，并用于根据映射关系对实时采集的电信号进行判断，判断驾驶员的方向盘握持姿态。
信号收集处理组件信号转换发送部分体积小，结构简单，可内置于方向盘中央空腔处，各传感器信号由导线汇总至单片机接收端。
本实施例中单片机采用英飞凌TC264单片机，具有多个ADC模数转换模块和UART通信模块，满足所布置的24个传感器信号采集需求，所述PIT模块可以定时产生中断命令，执行信号读取步骤，中断时间可以自行设置，确保每次信号读取时间间隔相等；ADC模数转换模块可以将传感器产生的不断变化的电压信号转化为离散的数字信号，将电信号与其对应的时间序列组成一个数组，将所有信号数组组成二维数组存储在TF卡中或通过通信模块发送至上位机，即PC端；UART蓝牙模块，波特率设置为23400，可快速传输大量数据，数据包含时间序列和对应时间点的各传感器电压信号，主从机可以互相传输指令。
S3：根据采集到的握持姿态、电信号数据构建电信号与握持姿态的映射关系。
获取所述映射关系时，将采集到的握持姿态、电信号数据发送至上位机进行处理，构建电信号与握持姿态的映射关系。通过通信模块将采集到的电信号发送至上位机，运用Matlab软件将获得的二维数组信号绘制成电压-时间图表得到各组传感器电信号波形并储存，构建采集到的电信号和当时驾驶员的不同驾驶姿态，得出的各传感器波形特征，建立映射关系，实现由摩擦电纳米传感器对驾驶姿态进行监测。握持力度越大，产生的电信号电压越高，基于这一基础对波形图进行分类归纳可以建立成熟的映射关系。
S4：实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态。
在信号收集处理组件的信号处理模块，即单片机处理器上搭载构建好的映射关系，其实时处理步骤包括：位于方向盘中央空腔内的嵌入式微型单片机由PIT模块定时中断，读取经过了滤波电路处理的传感器电信号，信号采集模块对电压模拟信号转换为数字信号，并与时间序列共同组成二维数组；片机根据搭载的映射关系算法，分析传感器电信号二维数组变化特征，推导出驾驶员驾驶姿态；将推导得到的驾驶姿态信息传递给智能汽车电控单元，以供电控单元掌握驾驶员当前驾驶意图。
根据采集到的握持姿态、电信号数据构建电信号与握持姿态的映射关系；
实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态。
与本发明的方法对应，本发明还提供了一种驾驶员方向盘握持姿态监测系统，包括信号监测组件、信号收集处理组件、上位机，信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上，信号监测组件用于当驾驶员握持方向盘时产生电信号；信号收集处理组件对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存，还用于实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态；上位机根据电信号数据及电信号数据对应的握持姿态构建电信号与握持姿态的映射关系。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (5)

1.一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，其特征在于，用于对驾驶员的方向盘握持姿态进行检测，包括以下步骤：
S1：设置信号监测组件，当驾驶员握持方向盘时，所述信号监测组件产生电信号，所述的信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，所述的摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上；
S2：获取驾驶员的握持姿态，并对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存；
S3：根据采集到的握持姿态、电信号数据构建电信号与握持姿态的映射关系；
S4：实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态；
所述的步骤S2、S4中通过设置信号收集处理组件对信号监测组件产生的电信号进行采集、存储和处理，所述的信号收集处理组件包括信号采集模块、信号处理模块、存储模块，所述的信号采集模块用于采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，所述的信号处理模块用于搭载映射关系，根据映射关系对实时采集的电信号进行判断，判断驾驶员的方向盘握持姿态，所述的存储模块用于存储采集到的电信号；
在信号收集处理组件的信号处理模块，即单片机处理器上搭载构建好的映射关系，其实时处理步骤包括：位于方向盘中央空腔内的嵌入式微型单片机由PIT模块定时中断，读取经过了滤波电路处理的传感器电信号，信号采集模块对电压模拟信号转换为数字信号，并与时间序列共同组成二维数组；单片机根据搭载的映射关系算法，分析传感器电信号二维数组变化特征，推导出驾驶员驾驶姿态；将推导得到的驾驶姿态信息传递给智能汽车电控单元，以供电控单元掌握驾驶员当前驾驶意图；
所述的摩擦电纳米传感器为聚酰亚胺-聚氨酯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铜传感器、尼龙-聚四氟乙烯-铝传感器中的一种；
所述的信号监测组件包括多个传感器组，所述的多个传感器组均匀环绕方向盘轮缘设置，每个所述传感器组包括三个摩擦电纳米传感器，每个所述传感器组的摩擦电纳米传感器分别设于方向盘轮缘的同一角度的前侧面、外周侧面和后侧面；
所述的摩擦电纳米传感器采用接触分离模式产生驾驶员握持方向盘时的电信号，所述的接触分离模式为当摩擦电纳米传感器中两种具有不同吸附电子能力的聚合物膜接触和分离时，接触带电所引起的摩擦电荷会在界面区和电极中引起电位差，产生电信号。
2.根据权利要求1所述的一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，其特征在于，所述的信号收集处理组件还包括通信模块，所述的通信模块用于将采集到的电信号发送至用于获取映射关系的上位机。
3.根据权利要求1所述的一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，其特征在于，所述的步骤S3获取所述映射关系时，将采集到的握持姿态、电信号数据发送至上位机进行处理，构建电信号与握持姿态的映射关系。
4.根据权利要求1所述的一种驾驶员方向盘握持姿态监测方法，其特征在于，所述的握持姿态包括驾驶员的握持位置和握持力度。
5.一种应用如权利要求1所述驾驶员方向盘握持姿态监测方法的驾驶员方向盘握持姿态监测系统，其特征在于，包括信号监测组件、信号收集处理组件、上位机，
所述的信号监测组件包括多个摩擦电纳米传感器，所述的摩擦电纳米传感器设于方向盘的轮缘上，所述的信号监测组件用于当驾驶员握持方向盘时产生电信号；
所述的信号收集处理组件对驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号进行采集和储存，还用于实时采集并获取驾驶员握持方向盘时信号监测组件产生的电信号，根据映射关系判断当前驾驶员的握持姿态；
所述的上位机根据电信号数据及电信号数据对应的握持姿态构建电信号与握持姿态的映射关系。
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