一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法、系统及设备

1.本发明属于人体防疲劳检测技术领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法、系统及设备。


背景技术：

2.随着人民生活水平的提高，私家车已经成为绝大多数人首选的交通出行方式，交通事故的发生率与日俱增，其中，疲劳驾驶是导致交通事故发生的一个重要因素。驾驶过程中产生的疲劳现象无法彻底避免，但使用有效方法实时检测驾驶过程中司机身体发出的异常生理信号，在驾驶员刚产生疲劳时做出正确判断并及时向其发出疲劳预警等语令，可以很大程度上降低交通事故发生率。
3.近年来，人们对疲劳驾驶监测方法的研究有所增加，其中包括使用脑电图、心电图、肌电图来监测驾驶员的生理状态，虽然测量精度较高，但是需要在人体粘贴电极，会给驾驶员带来不适，携带也不便利。使用摄像头捕获驾驶员的眼动，但是这极易受到周围环境、光线以及温度的影响，并且不能保护驾驶员的个人隐私。使用压力传感器监测方向盘的抓握，这种基于接触的测量会使驾驶员很敏感，会对正常行驶带来一定的干扰。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法、系统及设备，在不需要接触人体时的疲劳检测方法，能根据驾驶员的生理状态进行准确的疲劳监测，本发明采用的技术方案如下：
5.一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，包含以下步骤：
6.步骤1、从毫米波雷达干涉相位信号中提取出呼吸信号，设置初始窗口大小win、初始标志变量flag、窗口变化步长step以及呼吸幅度阈值，其中flag的初始值为0；
7.步骤2、对窗口进行扫描，寻找窗口峰值并进行窗口大小更新操作；
8.步骤3、对扫描后的窗口进行标签操作，判断出驾驶员疲劳时间段。
9.进一步地，在步骤1中设置呼吸幅度阈值包含以下内容：分析呼吸信号的幅度范围，确定阈值系数，然后用阈值系数乘以表示信号峰值点的整体趋势的均值，得到阈值；将阈值应用于整个信号，大于阈值的呼吸信号的呼吸状态为正常呼吸，小于阈值的呼吸信号的呼吸状态为呼吸变浅。
10.进一步地，步骤2中包含以下步骤：
11.步骤2-1、分析呼吸信号的波形特征，找到波峰波谷的位置，获取呼吸信号的峰值；
12.步骤2-2、在窗口内寻找呼吸段的峰值；
13.若窗口内无峰值，则判断flag是否为0：若flag＝0，则扩大当前窗口大小为win＝win+step，跳转至步骤2-4；若flag不为0，则使当前窗口的呼吸状态等于上一窗口呼吸状态，结束扫描；
14.若窗口内有峰值，进行步骤2-3；
15.步骤2-3、若窗口峰值全大于或者全小于阈值，即窗口内全为正常呼吸段或全为呼吸变浅段，则判断flag是否为0：若flag＝0，利用傅里叶变换进行频域分析，根据频率f计算出周期cycle，其中cycle＝1/f，设置下一次扫描的窗口大小为win＝cycle/(1/fs)，其中fs为信号的采样频率，进行步骤2-4；若flag＝1，结束扫描；
16.若窗口峰值不是全大于或者全小于阈值，即窗口内既有正常呼吸也有呼吸变浅段，减小当前窗口的大小为win＝win-step，令flag＝0，跳转至步骤2-1；
17.步骤2-4、判断当前扫描窗口的大小是否超出呼吸结束时刻：若超出呼吸结束时刻，调整窗口的大小，窗口大小为窗口起始位置到呼吸结束时刻，并且令flag＝1，跳转至步骤2-1；若没有超出呼吸结束时刻，直接跳转至步骤2-1。
18.进一步地，步骤3中包含：
19.对窗口进行标签，呼吸变浅的窗口标记为1，正常呼吸的窗口标记为0，根据标签从前向后，相邻之间为同类型的窗口进行合并，得到整个呼吸信号的正常呼吸段和呼吸变浅段。
20.进一步地，呼吸变浅段为驾驶员身体出现疲劳的时间段。
21.进一步地，本发明还提出一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测系统，包含：
22.毫米波雷达模块，通过毫米波雷达采集驾驶员生理活动信息，从而得到呼吸信号；
23.峰值检测模块，根据所述毫米波雷达模块中得到的呼吸信号进行分析，提取出窗口内呼吸信号的峰值；
24.窗口大小更新模块，根据所述峰值检测模块中提取出的峰值信息更新窗口的大小；
25.状态识别模块，对窗口进行状态识别，区分出驾驶员疲劳时间段。
26.本发明还提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，所述处理器执行所述程序指令以实现本发明所述方法的步骤。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
28.1、本发明针对使用毫米波雷达采集到的呼吸信号对驾驶员的疲劳状态进行监测，不需要对人体进行直接接触，同时毫米波雷达不受天气和日照的影响，舒适程度更高且可靠度更高；
29.2、本发明在进行驾驶员状态识别时能够自动调整呼吸信号窗口的大小，能够更好地适应呼吸信号的变化，提高状态识别的准确性。
附图说明
30.图1为本发明的实施例中基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法的工作流程示意图；
31.图2为本发明的实施例中基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法的生理信号检测原理图；
32.图3为本发明的实施例中呼吸变浅识别结果图像。
具体实施方式
33.下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员
可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
34.毫米波雷达不需要与人体直接接触，不易受到光照、天气的影响，可以全天候的监测驾驶员的生理状态并且可以保护驾驶员的个人隐私。如图2所示，毫米波雷达的发射天线发射电磁波，遇到人体后返回，接收天线接收人体反射回来的信号，接收信号中包含了人体生理活动引起的胸腔的微弱变化，通过此微弱变化获取人体的生理信息。
35.如图1所示，一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，包含以下步骤：
36.步骤1、从毫米波雷达干涉相位信号中提取出呼吸信号，设置初始窗口大小win、初始标志变量flag、窗口变化步长step以及呼吸幅度阈值，其中flag的初始值为0；
37.步骤2、对窗口进行扫描，寻找窗口峰值并进行窗口大小更新操作；
38.步骤3、对扫描后的窗口进行标签操作，判断出驾驶员疲劳时间段。
39.步骤1中，设置呼吸幅度阈值包含以下内容：分析呼吸信号的幅度范围，确定阈值系数，然后用阈值系数乘以表示信号峰值点的整体趋势的均值，得到阈值；将阈值应用于整个信号，大于阈值的呼吸信号的呼吸状态为正常呼吸，小于阈值的呼吸信号的呼吸状态为呼吸变浅。
40.在步骤2中包含以下步骤：
41.步骤2-1、分析呼吸信号的波形特征，找到波峰波谷的位置，获取呼吸信号的峰值；
42.步骤2-2、在窗口内寻找呼吸段的峰值；
43.若窗口内无峰值，则判断flag是否为0：若flag＝0，则扩大当前窗口大小为win＝win+step，跳转至步骤2-4；若flag不为0，则使当前窗口的呼吸状态等于上一窗口呼吸状态，结束扫描；
44.若窗口内有峰值，进行步骤2-3；
45.步骤2-3、若窗口峰值全大于或者全小于阈值，即窗口内全为正常呼吸段或全为呼吸变浅段，则判断flag是否为0：若flag＝0，利用傅里叶变换进行频域分析，根据频率f计算出周期cycle，其中cycle＝1/f，设置下一次扫描的窗口大小为win＝cycle/(1/fs)，其中fs为信号的采样频率，进行步骤2-4；若flag＝1，结束扫描；
46.若窗口峰值不是全大于或者全小于阈值，即窗口内既有正常呼吸也有呼吸变浅段，减小当前窗口的大小为win＝win-step，令flag＝0，跳转至步骤2-1；
47.步骤2-4、判断当前扫描窗口的大小是否超出呼吸结束时刻：若超出呼吸结束时刻，调整窗口的大小，窗口大小为窗口起始位置到呼吸结束时刻，并且令flag＝1，跳转至步骤2-1；若没有超出呼吸结束时刻，直接跳转至步骤2-1。
48.步骤3中包含：
49.对窗口进行标签，呼吸变浅的窗口标记为1，正常呼吸的窗口标记为0，根据标签从前向后，相邻之间为同类型的窗口进行合并，得到整个呼吸信号的正常呼吸段和呼吸变浅段。呼吸变浅段为驾驶员身体出现疲劳的时间段。
50.图3是本发明的实施例中呼吸变浅识别结果图像，在进行疲劳模拟实验时，毫米波雷达正面正对着测试人员的胸腔部分，被检测者平稳地坐在椅子上，与雷达之间保持相对静止，两者间的相对距离约为0.5m，要求测试人员在数据采集过程中屏住呼吸一段时间。从图中可以看出，在第9s的时候，呼吸开始变浅直到19s，在第28s的时候，呼吸又开始变浅，持
续时长大约5s。
51.本发明还提出一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测系统，包含：
52.毫米波雷达模块，通过毫米波雷达采集驾驶员生理活动信息，从而得到呼吸信号；
53.峰值检测模块，根据所述毫米波雷达模块中得到的呼吸信号进行分析，提取出窗口内呼吸信号的峰值；
54.窗口大小更新模块，根据所述峰值检测模块中提取出的峰值信息更新窗口的大小；
55.状态识别模块，对窗口进行状态识别，区分出驾驶员疲劳时间段。
56.最后，本发明提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令所述处理器执行所述程序指令以实现本发明所提出的一种基于场景分类的视频异常检测方法的各个步骤。
57.需要说明的是，本发明实施例系统和装置的描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果，因此不做赘述。
58.用于实施本技术的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
59.以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤1、从毫米波雷达干涉相位信号中提取出呼吸信号，设置初始窗口大小win、初始标志变量flag、窗口变化步长step以及呼吸幅度阈值，其中flag的初始值为0；步骤2、对窗口进行扫描，寻找窗口峰值并进行窗口大小更新操作；步骤3、对扫描后的窗口进行标签操作，判断出驾驶员疲劳时间段。2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤1中设置呼吸幅度阈值包含以下内容：分析呼吸信号的幅度范围，确定阈值系数，然后用阈值系数乘以表示信号峰值点的整体趋势的均值，得到阈值；将阈值应用于整个信号，大于阈值的呼吸信号的呼吸状态为正常呼吸，小于阈值的呼吸信号的呼吸状态为呼吸变浅。3.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤2中包含以下步骤：步骤2-1、分析呼吸信号的波形特征，找到波峰波谷的位置，获取呼吸信号的峰值；步骤2-2、在窗口内寻找呼吸段的峰值；若窗口内无峰值，则判断flag是否为0：若flag＝0，则扩大当前窗口大小为win＝win+step，跳转至步骤2-4；若flag不为0，则使当前窗口的呼吸状态等于上一窗口呼吸状态，结束扫描；若窗口内有峰值，进行步骤2-3；步骤2-3、若窗口峰值全大于或者全小于阈值，即窗口内全为正常呼吸段或全为呼吸变浅段，则判断flag是否为0：若flag＝0，利用傅里叶变换进行频域分析，根据频率f计算出周期cycle，其中cycle＝1/f，设置下一次扫描的窗口大小为win＝cycle/(1/fs)，其中fs为信号的采样频率，进行步骤2-4；若flag＝1，结束扫描；若窗口峰值不是全大于或者全小于阈值，即窗口内既有正常呼吸也有呼吸变浅段，减小当前窗口的大小为win＝win-step，令flag＝0，跳转至步骤2-1；步骤2-4、判断当前扫描窗口的大小是否超出呼吸结束时刻：若超出呼吸结束时刻，调整窗口的大小，窗口大小为窗口起始位置到呼吸结束时刻，并且令flag＝1，跳转至步骤2-1；若没有超出呼吸结束时刻，直接跳转至步骤2-1。4.根据权利要求3所述的基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，其特征在于，所述步骤3中包含：对窗口进行标签，呼吸变浅的窗口标记为1，正常呼吸的窗口标记为0，根据标签从前向后，相邻之间为同类型的窗口进行合并，得到整个呼吸信号的正常呼吸段和呼吸变浅段。5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法，其特征在于，呼吸变浅段为驾驶员身体出现疲劳的时间段。6.一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测系统，其特征在于，包含：毫米波雷达模块，通过毫米波雷达采集驾驶员生理活动信息，从而得到呼吸信号；峰值检测模块，根据所述毫米波雷达模块中得到的呼吸信号进行分析，提取出窗口内呼吸信号的峰值；窗口大小更新模块，根据所述峰值检测模块中提取出的峰值信息更新窗口的大小；状态识别模块，对窗口进行状态识别，区分出驾驶员疲劳时间段。7.一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指
令，其特征在于，所述处理器执行所述程序指令以实现权利要求1-5任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于毫米波雷达的驾驶员疲劳监测方法、系统及设备，本发明方法根据疲劳时呼吸会变浅这一特征，采用以下步骤：步骤1、从毫米波雷达干涉相位信号中提取出呼吸信号，设置初始窗口大小win、初始标志变量flag、窗口变化步长step以及呼吸幅度阈值；步骤2、对窗口进行扫描，寻找窗口峰值并进行窗口大小更新操作；步骤3、对扫描后的窗口进行标签操作，判断出驾驶员疲劳时间段。本发明使用毫米波雷达采集到的呼吸信号进行监测，不需要对人体进行直接接触，同时毫米波雷达不受天气和日照的影响，舒适程度更高且可靠度更高，在进行窗口扫描时可调整窗口大小，提高了检测的精准度。准度。准度。


技术研发人员：许致火 王小月 汪月霞
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/9