МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Информационно-измерительная техника и метрология»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
по дисциплине «Микропроцессорные средства и системы»
на тему: «Система контроля физического состояния водителя»
Студент:
Абаренчев Р.Н.
Руководитель
Бодин О.Н.
Пенза 2017
Содержание
Введение
1. Обзор существующих систем контроля состояния водителя
2. Разработка структурной схемы проектируемой системы
2.1 Выбор автономного источника питания
2.2 Выбора датчика температуры
2.3 Выбор датчика давления
2.4 Выбор микроконтроллеров
2.5 Выбор модуля беспроводной связи
3. Алгоритм работы микроконтроллеров
Заключение
Список использованных источников
Введение
Согласно статистике дорожно-транспортных происшествий по всему миру неудовлетворительное физическое состояние водителя является одной из главных причин значительного количества аварий на автомобильных дорогах [1]. По данным Национального агентства по безопасности хайвэев (NHTSA) примерно 25-50% аварий происходит из-за невнимательности водителя, половина случаев снижения внимательности связана по статистике с усталостью или физическими недугами [2]. В настоящее время многие автопроизводители озадачены разработкой систем для контроля состояния водителя. Эти системы предназначены для оповещения водителя транспортного средства (ТС), а также водителей других ТС об его опасном состоянии и для вмешательства в управление ТС (вплоть до полной остановки ТС). Есть несколько способов определения усталости [3]: наблюдение за лицом водителя с помощью видеокамеры, оценка действий водителя по управлению ТС, контроль характера движения ТС. Другим направлением, которое развивают автопроизводители в целях предотвращения аварийных ситуаций на дорогах, является создание устройств для определения важных для здоровья показателей (частота дыхания, температура тела, артериальное давление). Такие устройства считаются очень перспективными, и следует ожидать появления серийно изготавливаемых систем подобного назначения. Особую важность такие системы имеют для водителей, передвигающихся на дальние расстояния. Для достижения максимальной эффективности при грузоперевозках по автомобильным дорогам и экономии времени в пути профессиональные водители часто пренебрегают элементарными нормами безопасности и отдыхом, что может повлечь аварийную ситуацию. Актуальность разработки подобных штатных систем серийного производства подчеркивает тот факт, что часто аварии, происходящие из-за опасного состояния водителя (засыпание за рулём, болезненное состояние с замедленной реакцией) ведут к опасным последствиям для здоровья.
Целью данной работы является создание системы контроля физического состояния водителя. Эта система считывает показатели биофизического состояния водителя, следит за его действиями (положение педалей акселератора и тормоза) и отправляет результаты измерений в блокприёмник, в котором и происходит дальнейшее принятие решений по заданному алгоритму. Данная разработка ведется в соответствии с техническим заданием, предоставленным НТЦ ОАО «Камаз». Назначения системы, разрабатываемой в настоящем проекте, состоит в: -непрерывном контроле физиологического состояния водителя; -индикации водителю объективной оценки его текущего состояния; -предупреждении водителя о приближении его состояния к аварийноопасному; -сохранении в памяти блока-приемника снятых показаний. Возможными пользователями разрабатываемой системы могут являться водители, управляющие ТС «Камаз».
1. Обзор существующих систем контроля состояния водителя
Для разработки системы сделан обзор существующих систем контроля состояния водителя, выделены их особенности и характеристики, выполнен анализ требований технического задания, исходя из которого будут выбраны нужные компоненты системы и методы решения поставленной задачи.
Выполним анализ требований технического задания (ТЗ) для того, чтобы определить класс устройств, потенциально являющихся аналогами разрабатываемой системе. Согласно ТЗ необходимо обеспечить удобство при индивидуальном использовании разрабатываемой системы. Для этого требуется подобрать такие датчики измеряемых величин, перечисленных в ТЗ, которые можно смонтировать в один браслет для размещения на запястье руки водителя. Система должна представлять собой съемный браслет с креплением на запястье водителя, блок-приемник для хранения данных и для передачи информации по проводному интерфейсу. Таким образом, аналогами для разрабатываемой системы являются автономные и встроенные в автомобиль системы контроля показателей жизнедеятельности человека, исполненные в виде браслета или манжеты индивидуального использования, не ограничивающей подвижности рук и не препятствующие вождению ТС.
Ниже представлены некоторые из существующих или патентованных систем контроля состояния водителя.
1) Система поддержания работоспособности водителя «Vigiton»[4]. Эта система непрерывно контролирует физическое состояние водителя ТС и предотвращает переход водителя от бодрствования к сну или состоянию, близкому к сонному. Данная система также предупреждает других водителей о потере сознания о потере водителем контроля над ТС аварийной световой сигнализацией. «Vigiton» состоит из свето-звукового индикатора состояния водителя, браслета и перстня со встроенными датчиками, блока взаимодействия с системами автомобиля.
Система поддержания работоспособности водителя «Vigiton» адаптирована к применению на автомобильном транспорте по заказу Министерства Транспорта Российской Федерации.
Однако данная разработка считывает только физические показатели водителя и не позволяет учесть сигналы от автомобиля, свидетельствующие о том, что управление им осуществляется. Разрабатываемая система же должна содержать датчики действий водителя (нажатие педалей), в ее составе не должно быть перстня, поскольку его наличие, безусловно, будет доставлять неудобство водителю ТС при его вождении.
2) Система «Stopsleep»[5] представляет собой устройство, надеваемое на 2 пальца, контролирует состояние водителя по изменению проводимости кожи и при опасной ситуации выдает сигналы в виде вибраций и громкого звука. Прибор реагирует на ослабление реакций человека, а не на сон. Устройство предупреждает, что в течение двух-трех минут водитель может заснуть, но не констатирует факт засыпания. Следует отметить, что возможно следующее применение устройства, близкое по функциональности к проектируемой системе: устройство нужно надеть за несколько минут до поездки, чтобы оно определило начальное состояние водителя, а затем сравнивало бы его с сонным или близким к сонному. На внутренней стороне устройства расположены датчики, измеряющие кожно-гальванические реакции (электрическое сопротивление кожи), исходя из этих данных делается вывод об активности водителя. В верхней части устройства находится капсула с процессором, обрабатывающим сигналы датчика, а также формирующим команды вибрационного, звукового и светового оповещения.
Недостатком устройства можно считать то, что в расчет берется только изменение проводимости кожи, по этому показателю сложно точно определить физическое состояние водителя. Разрабатываемая система будет использовать большее количество параметров, поэтому по ее показаниям можно лучше судить о состоянии водителя.
Сравним технические характеристики двух рассмотренных систем, представленные в таблице 1.1
Таблица 1.1 Технические характеристики систем «Vigiton» и «Stopsleep
3) Некоторые автопроизводители, например Mercedes-Benz, устанавливают на свои модели автомобилей систему Attention Assist[6], контролирующую состояние водителя на основе многих факторов, таких как: использование органов управления, манеры езды, характера и условий движения. При этом система не берёт в расчет физические показатели водителя. В своей работе Attention Assist использует сигналы датчиков и других систем автомобиля: курсовой устойчивости, тормозной системы, управления двигателем. При выявлении каких-либо отклонений в действиях водителя система выводит сигнальную надпись о необходимости прервать поездку, также производится звуковой сигнал. В отличие от системы Attention Assist, система Driver Alert Control (DAC) [7] от Volvo фиксирует только характер движения автомобиля. Направленная вперед видеокамера фиксирует положение автомобиля на автодороге. Отклонение от заданных параметров движения рассматривается системой как наступление усталости водителя. В зависимости от состояния водителя в системе реализовано два уровня предупреждения: "мягкий" и "жесткий". Уровни различаются громкостью и тональностью звукового сигнала. Недостатком данных систем можно считать их стоимость, которая достаточно велика. Однако, эти системы с большой точностью определяют усталость водителя и не требуют ношения браслета или перстня. Поскольку разработчиками являются производители автомобилей, данные системы в большой степени интегрированы в систему управления ТС, чего нельзя добиться, разрабатывая независимое устройство для контроля водителя (не привязанное к конкретной марке автомобиля).
4) В США зарегистрирован патент на систему Health Care Support System [8]. Данное устройство содержит несколько датчиков, измеряющих физические параметры водителя: температуру, электрокардиограмму, артериальное давление, пульс, уровень сахара в крови. Помимо датчиков система содержит: микроконтроллер, приемник глобальной системы позиционирования (GPS), блок звуковой сигнализации и радиопередатчик. По данным, полученных с датчиков физиологических параметров, микроконтроллер принимает решение о состоянии здоровья человека, а также о засыпании водителя ТС.
Если обнаружено плохое состояние здоровья или засыпание водителя, срабатывает звуковая сигнализация, предупреждающая о возможности возникновения аварийной ситуации и о недопустимости дальнейшего ведения ТС, а на встроенном дисплее выводится рекомендация для водителя об остановке и отдыхе. Кроме того, информация об ухудшении здоровья может отправляться по радиоканалу лечащему врачу и родственникам водителя либо третьим лицам (владельцу ТС) одновременно с информацией о местонахождении транспортного средства. Структура запатентованной системы представлена на рис. 1.1[8]
Рис 1.1 Структура системы Health Care Support System.
На рис. 1.1 приняты обозначения: 1-Микроконтроллер, 2- рулевое колесо, 3-датчик температуры, 4-электроды для измерения артериального давления, сердечного ритма, 5- датчик измерения пульса, 6- автокресло, 7- датчики давления, 8- ЖК-дисплей, 9- динамик.
К достоинствам системы можно отнести то, что датчики расположены прямо на руле и не мешают водителю вести ТС. Понятно, что данный патент может быть реализован только производителями самих транспортных средств.
Внесение конструктивных изменений в ТС недопустимо,поскольку может быть нарушена основная функциональность автомобиля и ухудшены его технические характеристики.
Недостатками системы являются сложность конструкции, содержащей большое число датчиков, что уменьшает надежность работы устройства.
Размещение датчика пульса на рулевом колесе не гарантирует непрерывности измерений пульса из-за постоянного перемещения рук по рулю, поэтому надёжнее будет расположить датчики в браслете, как в разрабатываемой системе
2. Разработка структурной схемы проектируемой системы
Разрабатываемая система в обязательном порядке должна содержать датчики температуры, датчики нажатия педалей акселератора и тормоза, датчик давления, по значениям которого можно судить о пульсе водителя. Измеренные значения температуры запястья и пульса водителя передаются по беспроводной связи в блок-приёмник, значения времени, прошедшего между повторными нажатиями на педали акселератора и тормоза передаются в блок-приёмник. На рис. 2.1 представлена структурная схема системы контроля физического состояния водителя.
Рис. 2.1 Структурная схема системы контроля физического состояния водителя.
С источника автономного питания подаётся напряжение на стабилизатор напряжения, чтобы обеспечить питание схемы. Сигнал с выхода датчика температуры поступает на микроконтроллер, сигнал с выхода датчика давления поступает на вход унифицирующего усилителя для согласования выхода датчика с АЦП, встроенным в микроконтроллер. АЦП необходим для преобразования давления в код (для подсчёта пульса водителя). Измеренные и обработанные значения температуры запястья водителя и пульса водителя поступают в блок-приёмник посредством беспроводной связи и записываются в энергонезависимую Flash-память. Также в блок-приёмник поступает информация о времени, прошедшим между повторными нажатиями на педали акселератора и о степени нажатия педалей. Далее вся информация с датчиков обрабатывается, делается вывод о физическом состоянии водителя, измеренные значения физиологических параметров выводятся на LCD-дисплей для демонстрации водителю. Излучатель звука необходим для оповещения водителя о несоответствии его показателей значениям, считающихся нормальными для водителя ТС.
Выбор элементов структурной схемы
2.1 Выбор автономного источника питания
Обычно в малопотребляющих изделиях с автономным питанием используют литий-ионные дисковые батареи. Однако, элементы измерительного браслета требуют достаточно большой силы тока, которую такие батареи не могут обеспечить. Обойти данную проблему можно, используя литиевые дисковые батареи вкупе с накопителем энергии, обеспечивающим в нужные моменты времени ток нужной силы. Для обеспечения стабильности по напряжению при этом следует использовать повышающий стабилизатор, как показано на рисунке 2.2
Рис. 2.2 Схема питания браслета с использованием дисковых батарей и повышающего стабилизатора.
Рассчитаем ёмкость конденсатора, необходимого для использования в схеме. Предполагаем, что напряжение на конденсаторе будет падать с 3,3 Вольт до 2,2 Вольт (минимальное напряжение на входе повышающего стабилизатора). Пусть Bluetooth трансивер работает в режиме передачи в течении времени Дt. Линейный разряд конденсатора определяется формулой:
где I= 12,5 мА - сила тока, забираемая Bluetooth трансивером, плюс сила собственного тока стабилизатора, ???? = 2 с. - время передачи информации Bluetooth ресиверу, ?? - ёмкость нужного для схемы конденсатора, ???? - падение напряжения на конденсаторе;
Пусть на конденсаторе за время передачи напряжение упало с 3,3 В до 2,2 В, как это было отмечено выше. Тогда нужная емкость конденсатора должна составлять: