CC BY
17
УДК 629.047
ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ДЕЙСТВИЙ ВОДИТЕЛЯ АВТОМОБИЛЯ
А. С. Ишков1, Н. А. Борисов2, Д. В. Земляков3
1,2'3Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1ishkovanton@mail.ru 2andrey.bor975@mail.ru 3zemliakov.mitya2016@yandex.ru
Аннотация. Выполнен аналитический обзор существующих электронных систем мониторинга действий водителя автомобиля. Приведена оценка их достоинств и недостатков, а также рассмотрены новые перспективные способы и методы предупреждения засыпания водителя за рулем и отвлечения от управления автомобилем.
Ключевые слова: системы безопасности водителя, контроль усталости, алгоритм, обработка информации
Для цитирования: Ишков А. С., Борисов Н. А., Земляков Д. В. Электронные системы мониторинга действий водителя автомобиля // Вестник Пензенского государственного университета. 2023. № 3. С. 82-88.
Введение
В современном мире каждый человек ежедневно становится участником дорожного движения, выступая в роли водителя транспортного средства, пешехода, пассажира общественного транспорта и т.д. Автомобиль является источником повышенной опасности, следовательно, водитель, управляющий транспортным средством, несет повышенную ответственность за безопасность на дороге. А для этого ему важно обладать такими качествами, как высокая концентрация внимания, быстрая реакция на изменения дорожной обстановки, стрессоустойчивость, внимательность. Из-за особенностей человеческого организма все эти качества снижаются при увеличении уровня усталости, возникновении большого числа отвлекающих факторов, резкого ухудшения самочувствия. По статистическим данным риск попадания водителя в состоянии усталости в дорожно-транспортное происшествие (ДТП) возрастает в четыре раза [1, с. 61]. Именно поэтому больше половины всех ДТП связаны с отвлечением внимания водителя от управления транспортным средством (25 %) и неадекватным состоянием (36 %) [2]. Учитывая тот факт, что по данным всемирной организации здравоохранения ежегодно погибают более миллиона человек, проблема усталости, сонливости и невнимательности водителя за рулем автомобиля остается актуальной [3].
Приведенные факты не остались без внимания автопроизводителей, и в настоящее время большинство из них стремится внедрить системы мониторинга действий и состояния водителя для повышения безопасности участников дорожного движения в свои новые модели автомобилей. Кроме того, существуют компании, которые специализируются на разработке и производстве именно таких систем. Следует отметить, что первый патент системы мониторинга состояния водителя датируется 1977 г. и принадлежит японской
© Ишков А. С., Борисов Н. А., Земляков Д. В., 2023
82
компании Nissan. Идея заключалась в измерении скорости реакции водителя перед поездкой и во время движения. В случае увеличения времени реакции система должна была подавать звуковой сигнал. На практике этот патент реализован не был, а готовые технические решения появились значительно позднее.
Основная часть
В существующих в настоящее время системах мониторинга действий водителя автомобиля можно выделить два основных способа отслеживания действий и состояния водителя: непосредственно и косвенно через оценку траектории движения автомобиля. В первом случае исходными данными для обработки системами мониторинга могут быть изображения положения головы и выражения лица, получаемые с камер видеонаблюдения, расположенных в салоне автомобиля и направленных на водителя (рис. 1). Подобная технология используется, например, компанией Volvo и включает датчик, встроенный в приборную панель перед водителем. Светодиоды облучают водителя инфракрасным излучением, не воспринимаемым человеческим глазом, отслеживаемым датчиком. Контролируя движение глаз, система может регулировать излучение в зависимости от направления, в котором смотрит водитель, и, если водитель отвлекается от дороги, система фиксирует это и издает предупреждающий сигнал [4].
Рис. 1. Датчик для оценки состояния водителя от Volvo
По такому же принципу действует китайская система контроля усталости водителя AVS525CPR от компании AVIS ELECTRONICS, которую можно установить в любой автомобиль. Она управляется жестами и определяет состояние сонливости и усталости по положению головы и открытости глаз, в случае засыпания или отвлечения от дороги подает звуковой сигнал. Внешний вид системы представлен на рис. 2. Цифрами обозначены: 1 - камера; 2 - индикатор предупреждения; 3 - индикатор работы; 4 - динамик; 5 - разъем питания [5].
(Ю в)
Рис. 2. Система контроля усталости водителя AVS525CPR
83
В настоящее время продолжаются исследования по оптимизации алгоритмов распознавания сонливости и отвлечения водителя от процесса управления автомобиля. Например, ведется разработка методов обнаружения усталости водителя на более ранних стадиях благодаря использованию сверточной нейронной сети. В данном методе для обнаружения сонливости достаточно рассмотреть только один глаз. Такой подход заметно сокращает вычислительное время для обнаружения. Следует выбирать фронтальную часть камеры, поскольку она содержит больше информации и снижает частоту ошибок. Для этой цели алгоритм вычисляет расстояния от самой правой и самой левой точки правого и левого глаза и сравнивает их, чтобы выбрать большее расстояние для выделения области глаз и обрезки. Предполагаемое расстояние показано на рис. з,а.
Алгоритм находит ориентиры для глаз, измеряет абсолютное расстояние между точками 37 и 40, 43 и 46 и выбирает более значительное расстояние в качестве точки перед камерой. Такой подход делает методологию более точной для определения близости глаз. После обнаружения изображение распознанного глаза отправляется в сеть. При определении данных также учитывается изменение расстояния между лицом и камерой. Данные разделяют на две группы. Первая категория учитывает данные о том, что голова водителя смотрит прямо при различных поворотах глаз. Ко второй категории относятся данные о том, как водитель поворачивает голову, но в допустимых пределах, это означает, что камера зафиксировала вид сбоку. Вторая категория - это новый подход к набору данных eye dataset, который содержит наклонный вид. Некоторые образцы изображений глаз, показывающие положение головы при взгляде вперед и повороте, показаны на рис. 3,6 [6, с. 287-288].
а) б)
Рис. 3. Способ выделения области глаз (а) и образцы изображений глаз, показывающие положение головы при взгляде вперед и повороте (б)
Еще одним методом оценки состояния водителя автомобиля является измерение его показателей электродермальной активности (ЭДА) - изменений электрических характеристик кожи. Установлено, что у человека в момент засыпания ЭДА уменьшается. Это изменение можно зафиксировать, например, с помощью браслета с двумя электродами, надетого на запястье и плотно прилегающего к коже водителя, и передать на стационарный блок для его анализа и дальнейшей реакции на это изменение (рис. 4).
Рис. 4. Измерение ЭДА кожи водителя
Данная технология реализована отечественной компанией Нейроком в системе поддержания работоспособности, контроля усталости и предотвращения засыпания водителя СПРВ-МТ «ВИГИТОН» (рис. 5).
Рис. 5. Комплектация СПРВ-МТ «ВИГИТОН»: 1 - адаптер зарядного устройства; 2 - антенна BY-GPS-GLONASS-l0; 3 - кабель интерфейсов;
4 - прибор СПРВ-КН (кнопка обратной связи); 5 - прибор СПРВ-НБ-МТ (браслет для измерения электродермальной активности); 6 - блок СПРВ-М НКРМ; 7 - кабель кнопки; 8 - кабель питания; 9 - антенна BY-зG-05 [7]
Мониторинг состояния водителя осуществляется только во время движения. При данных о легкой сонливости браслет начинает вибрировать. В этом случае водитель должен либо взбодриться, либо выполнить активные действия по управлению автомобилем, либо нажать на кнопку обратной связи. Если этого не произошло, система задействует вторую ступень предупреждения. Кнопка загорается желтым цветом, и браслет продолжает вибрировать. При отсутствии реакции водителя задействуется третья сту-
пень, отличающаяся тем, что кнопка обратной связи загорается красным цветом. При отсутствии реакции подается звуковой сигнал, при отсутствии реакции на который система передает данные диспетчеру о том, что состояние водителя недопустимо, и уже диспетчер принимает решение о дальнейшем продолжении поездки.
Существует техническая возможность мониторинга действий водителя на основании данных о позе и распределении давления тела на кресло автомобиля, которые можно получить с датчиков нагрузки, состоящих из тензорезисторов, расположенных в сидении водителя (рис. 6).
Датчики 1, расположенные в сидении 2 и спинке сидения 3, непрерывно фиксируют данные о положении тела водителя, вырабатывают соответствующие сигналы и передают их в блок контроля состояния водителя. В блоке принятые сигналы оцифровываются, обрабатываются, сравниваются с эталонными значениями. В случае отклонения параметров от контрольных водитель оповещается об этом соответствующим сигналом. Таким образом, устройство содержит датчики нагрузки давления, которые размещаются в сидении, подключенные к блоку обработки измерений, выход которого подключен к входу блока регистрации и анализа, выход которого подключен к блоку формирования данных и управления [8].
Во втором случае система с помощью данных об изменении стиля вождения, нерациональных сменах полосы движения, «виляний» рулем делает вывод о состоянии водителя и оповещает его звуковым сигналом и отображением соответствующего сообщения на панели приборов. Например, система контроля усталости Attention assist (рис. 7), разработанная и внедренная компанией Mercedes-Benz, позволяет оценивать степень внимательности водителя, основываясь на данных о движении рулевого колеса. Если система фиксирует усталость водителя, она отображает на панели приборов значок в виде кофейной чашки и издает звуковой сигнал, тем самым рекомендуя водителю прервать поездку и отдохнуть. Данная система активизируется на скорости от 60 до 200 км/ч [9].
Рассмотренные выше системы только предупреждают водителя о ненадлежащем состоянии или неправильных действиях, но не могут вмешиваться в процесс управления автомобилем, поэтому вся ответственность за состояние и действия водителя остается за ним. При этом существуют такие состояния водителя, при которых различные способы оповещения водителя о его ненадлежащем состоянии будут бессмысленны, например, если водитель потерял сознание или умер. В таких случаях необходимо предусмотреть, как можно помочь водителю, если это еще возможно, и обезопасить пассажиров автомобиля и других участников дорожного движения от неуправляемого автомобиля [10]. Наиболее подходящим решением в данном случае будет возможность системы мо-
Рис. 6. Общий вид системы мониторинга положения тела водителя и датчик нагрузки на сидение автомобиля
ниторинга состояния водителя остановить транспортное средство, оповестить других участников дорожного движения о ненадлежащем состоянии водителя включением аварийной сигнализации и передачей информации о местонахождении автомобиля и состоянии водителя в службы спасения.
Рис. 7. Система контроля усталости Attention assist
Заключение
В настоящее время существует множество различных систем мониторинга действий водителя автомобиля, и в данной статье авторами приведена лишь малая их часть. Несмотря на существование и применение таких систем доля ДТП из-за отвлечения и засыпания водителя за рулем остается значительной, поэтому системы продолжают совершенствоваться и развиваться.
Список литературы
1. Нефедьев А. И., Нефедьев Д. И., Безбородов C. А., Гусев В. Г. Контроль состояния водителя во время движения автотранспортного средства // Измерения. Мониторинг. Управление. Контроль. 2021. № 2. С. 60-65. doi: 10.21685/2307-5538-2021-2-8
2. The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). URL: https:// www.nasonline.org (дата обращения: 16.04.2023).
3. Global Status Report on Road Safety / World Health Org. Geneva, Switzerland, сор. 2009. 287 p.
4. Новая система мониторинга усталости водителя от Volvo cars будет использовать датчики с инфракрасным излучением // Volvo Car Russia. URL: https://www.media.volvocars.com (дата обращения: 17.04.2023).
5. Система контроля усталости водителя AVS525CPR. URL: https://aviselectronics.ru (дата обращения: 16.04.2023).
6. Hashemi M., Mirrashid A., & Beheshti Shirazi A. Driver Safety Development: Real-Time Driver Drowsiness Detection System Based on Convolutional Neural Network // SN Computer Science. 2020. № 1. doi: 10.1007/s42979-020-00306-9
7. СПРВ-МТ «ВИГИТОН®» // НЕЙРОКОМ. URL: https://neurocom.ru (дата обращения: 17.04.2023).
8. Ишков А. С., Борисов Н. А., Новичков Д. А., Оськина А. А. Электронный блок контроля состояния водителя автомобиля // Инновации. Наука. Образование. 2021. № 47. С. 3249-3255.
9. Система ATTENTION ASSIST. URL: https://www.mercedes-benz.ru (дата обращения: 16.04.2023).
10. Герус С. В., Дементиенко В. В. Инженерное решение задачи контроля состояния водителя // Журнал радиоэлектроники. 2021. № 10. URL: https://doi.org
Информация об авторах
Ишков Антон Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Радиотехника и радиоэлектронные системы», Пензенский государственный университет.
Борисов Никита Андреевич, студент, Пензенский государственный университет.
Земляков Дмитрий Викторович, студент, Пензенский государственный университет.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
