CN111862533A - 一种基于大数据的车辆联合导航设备及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大数据的车辆联合导航设备，包括GPS导航模块、车载前视摄像头、转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、速度传感器和中央处理系统，中央处理系统实时接收转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、角度传感器和速度传感器的信息，并且根据信息整合实时判断驾驶员的驾驶状态，还公开了该导航设备的导航方法，具体包括以下步骤：识别驾驶员的性别年龄信息；提醒系紧安全带和呼吸监测腹带；结合使用转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达和速度传感器进行实时疲劳监测；本发明通过车辆本身和道路之间的动态模拟图像，利用车辆移动方向与车道中心线的夹角预判车辆的走向，提高对疲劳驾驶监测的准确性。

Description

一种基于大数据的车辆联合导航设备及导航方法

技术领域

本发明实施例涉及大数据分析应用技术领域，具体涉及一种基于大数据的车辆联合导航设备及导航方法。

背景技术

开车是一项既耗体力又费脑力的重负荷劳动。驾驶员长期坐在几乎是封闭的驾驶室内，全身肌肉时刻都处于紧张的工作状态，思想高度集中，时间长了生理和心理上消耗的能量若得不到即时地恢复和调剂，便会导致疲劳，产生心情烦恼，易发火，浑身无力现象，疲劳会使驾驶员的感觉器官出现障碍，从而使反应变得迟纯，判断产生失误，疲劳驾驶是安全行车的天敌，据交通部门统计，60％以上的交通事故与疲劳驾驶有关。

高速公路行车比普通公路行车更容易疲劳和打瞌睡。国外一项调查试验称，高速公路上驾驶员打瞌睡的频率大约是1次/45km，而且经常是在毫无察觉的情况下，睁着眼睛睡1～4秒。造成驾驶员头脑清醒程度下降、产生疲劳和瞌睡的一个重要原因就是高速公路具有很强的催眠作用。因为在高速公路特有的道路条件(道路平坦、线形较直等)、交通条件(车速高、车流量大、干扰少、无交通信号等)、周围环境(车外景色单调、车内发动机噪声单一、车身座椅等有节奏的振动等)以及驾驶操作简单、坐势呆板等综合作用下，造成了对驾驶员长时间的简单、重复、单调的刺激，从而导致其头脑清醒程度下降。据统计，在高速公路交通事故的总数中因驾驶疲劳和打瞌睡引发的交通事故约占20％。

而现在车载导航设备一般只具有简单的导航功能，不能联合车辆本身的移动轨迹判断疲劳状态，因此导致在车辆驾驶过程中存在极大的安全隐患，因此亟需要一种可联合车辆本身移位情况的导航设备，以提高疲劳监测的精确性，并提高疲劳监测的主动性。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种基于大数据的车辆联合导航设备及导航方法，通过GPS导航模块与车载摄像模块的结合使用，实时模拟车辆位移线段与车道之间的角度关系，以解决现有技术中导航系统不能联合车辆本身的移动轨迹判断疲劳状态，因此导致在车辆驾驶过程中存在极大安全隐患的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：一种基于大数据的车辆联合导航设备，包括GPS导航模块、车载前视摄像头、转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、速度传感器和中央处理系统；

所述GPS导航模块，安装在车辆的质心部，为车主规划行驶路线；

所述车载前视摄像头，安装在车辆前窗上，与GPS导航模块结合，用于检测当前位置下的车道轨迹，与动态模拟系统连接；

所述转向角度监测单元，包括安装在方向盘上的角度传感器和语音播报器，利用角度传感器实时监测方向盘的转动角度，预判驾驶员的驾驶状态；

所述动态模拟系统，包括基于车载前视摄像头的道路准直单元，以及车载前视摄像头实际监测到的车辆走向单元，并且可将车载前视摄像头拍摄的路况模拟成二维平面的动画图像；

所述物体监测雷达，分布安装在车辆车头和车尾的保险杠上，实时监测车辆前后两头与物体之间的距离，辅助转向角度监测单元和动态模拟系统进行疲劳监测；

所述速度传感器，安装在车辆的车轮上，实时监测车辆的速度，并将速度信息实时传递到中央处理系统。

所述中央处理系统，实时接收转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、角度传感器和速度传感器的信息，并且根据信息整合实时判断驾驶员的驾驶状态。

作为本发明的优选方案，所述动态模拟系统内还设有用于实时监测车辆转向的车道偏向夹角单元，所述道路准直单元在车辆移动的过程中，在每条车道的中心位置均形成与该车道平行的车道实时准直线，所述车辆走向单元在车辆移动的过程中，可形成与车辆中心线重合的转向实时趋势线，所述车道偏向夹角单元建立关于车道实时准直线的平面直角坐标系，实时监测转向实时趋势线与路况实时准直线之间的夹角。

作为本发明的优选方案，所述平面直角坐标系以车道实时准直线为X轴，以实时垂直与车道实时准直线的线轴为Y轴，所述车道偏向夹角单元通过转向实时趋势线与X轴之间的夹角大小，判断车辆是否偏移，以及车辆偏移的角度。

作为本发明的优选方案，所述角度传感器实时监测方向盘的转动角度，当方向盘的角度发生变化时，所述转向角度监测单元与动态模拟系统结合可判断车辆与车道之间的夹角关系，预判驾驶员是否处于疲劳状态。

作为本发明的优选方案，所述车辆直线驾驶的车辆方向盘为初始状态，所述角度传感器为初始化状态，此时所述角度传感器检测到方向盘的转动角度为0°。

另外本发明还设计了一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，包括如下步骤：

步骤100、识别驾驶员的性别年龄信息；

步骤200、驾驶员坐在驾驶座后，提醒驾驶员系上安全带和二次安全保护腹带；

步骤300、发车并启动导航设备，动态模拟系统产生二维平面动画影像，并且实时监测车辆的移动轨迹与车道的夹角；

步骤400、转向角度监测单元实时监控方向盘转向以及转向角度；

步骤500、通过转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达和速度传感器的结合使用进行实时疲劳监测。。

作为本发明的优选方案，在步骤500中，实时疲劳监测时分为方向盘不动行驶和方向盘转向行驶。

作为本发明的优选方案，方向盘不动行驶的具体过程包括：

T1、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆减速，则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆未减速，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

T2、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线存在夹角，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

作为本发明的优选方案，方向盘转向行驶的具体过程包括：

S1、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警；

S2、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线有夹角

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线与下一个车道的车道实时准直线平行，则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线仍然与下一个车道的车道实时准直线保持夹角，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明利用在导航设备中增加对车辆轨迹的实时监测功能，通过导航系统与摄像机构的结合，形成车辆本身和道路之间的动态模拟图像，利用车辆移动方向与车道中心线的夹角预判车辆的走向，判断驾驶员的驾驶精神状态，提高对疲劳驾驶监测的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施方式中的导航设备模块结构框图；

图2为本发明实施方式中的导航步骤路程示意图；

图3为本发明的腹带系紧监测模块的结构示意图；

图4为本发明的二级安全保护腹带系紧状态监控流程图；

图5为本发明的呼吸频率监测模块的结构示意图；

图6为本发明的呼吸信号监控与处理的结合流程图；

图7为本发明的电击刺激板的侧视结构示意图；

图8为本发明的振动按摩抗疲劳机构的侧视结构示意图；

图9为本发明的隐藏伸缩板的俯视结构示意图；

图中：

1-驾驶座；2-电击刺激板；3-振动按摩抗疲劳机构；4-二级安全保护腹带；5-复位收卷轴；6-安全带一体卡板；7-呼吸频率监测模块；8-腹带系紧监测模块；

201-头颈凸起靠板；202-腰部凸起靠板；203-电击触头；204-贯穿孔槽；205-绝缘耐热橡胶；206-光滑导电金属网片；

301-伺服电机；302-触动齿轮；303-限位轨道；304-切割驱动槽；305-活动按摩板；306-齿形长条；307-Y形定位支架；308-车轮式按摩球；309-坐垫防护板；3010-撑杆；3011-长形孔槽；3012-内嵌孔隙；3013-弹簧；3014-隐藏伸缩板；

701-加宽防护编织带；702-耐磨橡胶保护层；703-传感器装载槽位；704-平向振动传感器；705-连机数据处理模块；

7051-信号过滤单元；7052-信号放大单元；7053-处理芯片；7054-蓝牙传送单元；

801-压力传感器；802-固定卡槽；803-控制处理器；804-红外线检测传感器；805-报警灯。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图9所示，本发明提供了一种基于大数据的车辆联合导航设备，包括GPS导航模块、车载前视摄像头、转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、速度传感器和中央处理系统；

GPS导航模块，安装在车辆的质心部，为车主规划行驶路线，并且在本实施方式中的主要利用GPS导航模块中的二维平面视角；

车载前视摄像头，安装在车辆前窗上，与GPS导航模块结合，用于检测当前位置下的车道轨迹，与动态模拟系统连接，车载前视摄像头不断获得当前位置前方50-100m的影像信息，并且将此影像信息与GPS导航模块，完成车辆在当前车道信息的持续更新；

动态模拟系统，包括基于车载前视摄像头的道路准直单元，以及车载前视摄像头实际监测到的车辆走向单元，并且可将车载前视摄像头拍摄的路况模拟成二维平面的动画图像，车辆本身在动态模拟系统的动画图像内以第一人称的视角行驶，便于驾驶员根据动画图像观察车辆行驶中的细节；

转向角度监测单元，包括安装在方向盘上的角度传感器和语音播报器，角度传感器实时监测方向盘的转动角度，当方向盘的角度发生变化时，所述转向角度监测单元与动态模拟系统结合判断驾驶员是否处于疲劳状态；

物体监测雷达，分布安装在车辆车头和车尾的保险杠上，实时监测车辆前后两头与物体之间的距离，辅助转向角度监测单元和动态模拟系统进行疲劳监测；

速度传感器，安装在车辆的车轮上，用于监测车辆的行驶速度，并将速度信息实时传递到中央处理系统。

中央处理系统，实时接收转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、角度传感器和速度传感器的信息，并且根据信息整合实时判断驾驶员的驾驶状态。

上述动态模拟系统内还设有用于实时监测车辆转向的车道偏向夹角单元，道路准直单元在车辆移动的过程中，在每条车道的中心位置均形成与该车道平行的车道实时准直线，在动态模拟系统的动画图像中，不仅显示车道分隔的模拟线，同时还沿着每个车道的中心位置设有车道实时准直线，车道实时准直线在动画图像中呈透明虚线形式，可避免与车道分隔的模拟线产生混淆冲突，防止对驾驶员造成干扰。

车辆走向单元在车辆移动的过程中，可形成与车辆中心线重合的转向实时趋势线，转向实时趋势线穿过车辆的中心位置，并且转向实时趋势线实际上代表车辆在行驶过程中的轨迹，不在动态模拟系统中的动画图像中显示。

车道偏向夹角单元建立关于车道实时准直线的平面直角坐标系，实时监测转向实时趋势线与路况实时准直线之间的夹角，平面直角坐标系以车道实时准直线为X轴，以实时垂直与车道实时准直线的线轴为Y轴，所述车道偏向夹角单元通过转向实时趋势线与X轴之间的夹角大小，判断车辆是否偏移，以及车辆偏移的角度，通过监测转向实时趋势线与路况实时准直线之间的夹角，实现对车辆在车道行驶的轨迹进行实时监测，进而通过在导航实施过程对驾驶员进行疲劳监测。

另外需要特别说明的是，车辆直线驾驶的车辆方向盘为初始状态，角度传感器为初始化状态，此时角度传感器检测到方向盘的转动角度为0°，因此方向盘在顺时针旋转时的角度为大于零的正数，方向盘在逆时针旋转时的角度为小于零的负数。

为了进一步细述上述导航设备对车道轨迹的监测过程，本发明还设计了一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，包括如下步骤：

步骤100、识别驾驶员的性别年龄信息；

此步骤中识别年龄性别的操作是通过车内安装的疲劳监测仪实现的，利用面部图像识别方式进行疲劳监测和性别年龄监测，疲劳监测仪的具体工作方式将在下文细述。

步骤200、驾驶员坐在驾驶座后，提醒驾驶员系上安全带和二次安全保护腹带；

二次安全保护腹带具体为疲劳检测仪的一个部分，通过对呼吸频率的监测实现驾驶员的疲劳检测，二次安全保护腹带的具体安装方式和监测方法也在下文细述，通过车内疲劳监测方法和本实施方式中的导航设备结合使用，可提高对驾驶员疲劳监测的精确性，并且使用智能抗疲劳设备刺激人体，可提高人体头脑的清醒能力。

步骤300、发车并启动导航设备，动态模拟系统产生二维平面动画影像，并且实时监测车辆的移动轨迹与车道的夹角；

步骤400、转向角度监测单元实时监控方向盘转向以及转向角度；

步骤500、通过转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达和速度传感器的结合使用进行实时疲劳监测。

需要特别说明的是，在步骤500中，导航设备的疲劳监测的触发条件为：前行驾驶，以及时速超过30km/h，因此保证导航设备中的疲劳监测功能不影响正常的倒车功能，同时不影响拐弯掉头等操作。

在步骤300中，车辆的行驶状态可分为方向盘不动行驶和方向盘转向行驶，也就是说在方向盘在不动直向的状态下，监测车辆的制动能力，以及是否与车道平行移动，或者在方向盘转动弯向行驶的状态下，实时监测车辆能否与车道的中心线平行。

方向盘不动行驶的具体监测过程包括：

T1、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆减速，则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆未减速，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行，意味着车辆稳定的沿着车道移动，如果驾驶员能根据雷达监测的外物情况进行合理的制动减速，则说明该驾驶员的意识清醒，而如果驾驶员能不能合理的制动减速，则说明该驾驶员的意识模糊，处于疲劳驾驶状态，则需要报警处理。

T2、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线存在夹角，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

上述T2情况说明驾驶员未在车道拐弯的地方进行弯向处理，因此可直接判断驾驶员处于非清醒驾驶状态。

方向盘转向行驶的具体监测过程包括：

S1、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行，即车辆沿着车道进行弯向操作，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态；

S2、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线有夹角；

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线与下一个车道的车道实时准直线平行，即该驾驶员在进行变道处理，因此可预判则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线仍然与下一个车道的车道实时准直线保持夹角，即该驾驶员不是在进行变道处理，因此预判则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

一般进行正常的变道处理时，方向盘的转向角度处于3°-10°，并且车辆在转至第二个车道时，一般车辆的质点不会超过第二个车道的车道实时准直线。

因此方向盘转向行驶过程中的监测过程主要为：

判断方向盘的转向角度和转向位移，当车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线有夹角时，如果方向盘的角度大于10°以上，并且车辆的质点超过第二个车道的车道实时准直线，则判断该驾驶员处于非清醒驾驶状态；

如果方向盘的角度处于3°-10°，并且车辆的质点在第二个车道的车道实时准直线附近，且车轮没有超过车道分隔线，则判断该驾驶员处于清醒驾驶状态。

另外需要补充说明的是，如果转向实时趋势线与第三个车道的车道实时准直线平行，也需要进行报警操作，因此根据交通法规定，变更车道时，不允许连续变更两条以上车道，也就是说不能从一条道直接变更的第三条车道，正确的变道方法是从一条车道变换到第二条，行驶一段距离后再变往第三条车道，因此也需要报警处理，提醒驾驶员遵守交通规则。

上述可识别驾驶员性别年龄信息的疲劳监测仪，其具体的监测方法，包括如下步骤：

S100、识别驾驶员性别年龄，利用面部图像识别方式进行疲劳监测和性别年龄监测。

在S100中，面部图像识别方式捕捉驾驶员面部，通过视觉传感器对人的眼睑眼球的几何特征和动作特征、眼睛的凝视角度及其动态变化、头部位置和方向的变化等进行实时检测和测量，建立驾驶人眼部头部特征与疲劳状态的关系模型。

本实施方式的面部识别方式在捕捉驾驶员面部特征时，还增加识别驾驶员性别和年龄的功能，由于人体的呼吸频率按照年龄和性别又不同的分类，此功能便于匹配对应年龄段的呼吸频率，增加疲劳判断的准确性。

S200、主观能动配置疲劳监测，提醒驾驶员系紧二次安全保护腹带。

在S200中，主观能动配置疲劳监测的方式具体为：

S201、驾驶员坐在驾驶座后，压力传感器监测到压力，报警灯发出警报；

S202、驾驶员系好安全带，没系腹带时，红外线监测传感器未监测到腹带固定，则继续发出警报；

S203、当安全带和腹带都固定在安全带一体卡板上时，红外线监测传感器监测到安全带和腹带系好时，报警灯停止工作。

本实施方式使用强制性的腹带佩戴方式，可保证使用呼吸频率监测模块进行疲劳检测的有效性和主动性，防止驾驶员忘记佩戴而影响疲劳监测效果。

S300、监测驾驶员的正常呼吸频率，呼吸频率监测模块实时监控驾驶员的呼吸状态，并将驾驶监控数据在本地数据库中对应的性别和年龄状态下的通用呼吸频率作对比。

在上述步骤中，监测驾驶员的正常呼吸频率的工作过程具体为：

首先，根据面部图像识别方式监测的性别年龄信息，自动从本地数据库内提取对应性别年龄下的通用呼吸频率；

然后，实时收集呼吸频率监测模块检测的驾驶员呼吸频率信号，截取频率集中稳定的呼吸频段；

根据实际驾驶工作的实际操作可知，疲劳状态的产生往往是由于长期坐在几乎是封闭的驾驶室内，全身肌肉时刻都处于紧张的工作状态，思想高度集中，时间长了生理和心理上消耗的能量若得不到即时地恢复和调剂，便会导致疲劳，并且在刚开始开车的时候，驾驶员往往处于相对紧张兴奋的状态，呼吸频率不稳定，因此需要在一定时间内持续监测驾驶员的呼吸状态，直至出现相对稳定集中的呼吸状态，而此时截取的相对稳定的呼吸频段则代表该驾驶员正常状态下的呼吸频率。

最后，将调整通用呼吸频率的频谱至与呼吸频段一一匹配，首次判断驾驶员的呼吸状态是否正常，其中首次判断驾驶员的呼吸状态正常的标准是驾驶员的呼吸频率是否与通用呼吸频率的呼吸频率近似相同。

上述操作是将通用呼吸频率的频谱与呼吸频段匹配，便于计算出该驾驶员的呼吸频段与通用呼吸频率之间的频率差异，如果该驾驶员呼吸频段的频率远远小于通用呼吸频率，则呼吸频率监测模块判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态，结合面部图像识别方式的判断结果，进一步确定驾驶员的精神状态。

如果驾驶员的呼吸频率是否与通用呼吸频率的呼吸频率近似相同，则呼吸频率监测模块判断该驾驶员的驾驶精神状态良好，也需要结合面部图像识别方式的判断结果，进一步确定驾驶员的精神状态。

另外需要补充说明的是，本实施方式中的疲劳检测方式是采用“或”的逻辑方式进行判断，也就是说如果呼吸频率监测模块判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态，而面部图像识别方式判断该驾驶员的驾驶精神处于良好状态，则综合判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态；如果呼吸频率监测模块判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态，而面部图像识别方式判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态，则综合判断该驾驶员的驾驶精神处于疲劳状态；如果呼吸频率监测模块判断该驾驶员的驾驶精神状态良好，而面部图像识别方式判断该驾驶员的驾驶精神处于良好状态，则综合判断该驾驶员的驾驶精神状态良好。

上述疲劳检测方式可最大化的提高驾驶安全性，可有效避免疲劳检测遗漏的情况，并且本发明的抗疲劳设备可避免直接对人体产生最大化的刺激，从而提高使用体验，抗疲劳设备将在下文细述。

S400、生成个人呼吸频谱图，根据驾驶员的呼吸频率将通用呼吸频率进行校正处理，模拟出匹配驾驶员特性的呼吸频谱图。

对标准呼吸频率校正处理生成个人呼吸频谱图的具体实现过程为：

S401、实时收集呼吸频率监测模块处理后的呼吸信号，截取呼吸信号中频率集中稳定的呼吸频段；

S402、将通用呼吸频率按照呼吸频段进行变频处理，得到对应该驾驶员的呼吸频谱图。

上述步骤可生成对应单人的呼吸频谱图，从而提高呼吸频率检测的精确性，提高呼吸检测的精度，进而提高疲劳检测的精度，另外不同驾驶员的呼吸频谱图可单独保存在本地数据库内，并且进行单月更新，进而在下次驾驶时，可直接从本地数据库内提取对应该驾驶员的呼吸频谱图，实现即时呼吸疲劳监测。

S500、二次对比模拟，持续监测驾驶员的呼吸频率，并且将采集的呼吸频率与呼吸频谱图进行实时对比。

在S500中，二次对比模拟的疲劳判断步骤如下：

持续监测驾驶员的呼吸频率，并且将采集的呼吸频率与呼吸频谱图进行实时对比；

将检测的呼吸信号频率和幅度实时与呼吸频谱图中频率和幅度对比，如果检测的呼吸信号频率持续小于呼吸频谱图中的频率和幅度时，结合面部图像识别方式的监测结果，判断驾驶员是否处于疲劳入睡阶段。

基于上述，在生成单人呼吸频谱图后，继续监测的驾驶员呼吸频率将与呼吸频谱图进行模拟对比，因此可提高疲劳监测的稳定性和准确性。

另外在本实施方式中，如果检测的呼吸信号频率在10-15s内持续小于呼吸频谱图中的频率和幅度，则呼吸频率监测模块判断该驾驶员处于疲劳驾驶状态。

上述疲劳监测方法只是对驾驶员的精神状态进行实时监测，而对于疲劳监测的结果还需要在车内增加抗疲劳设备，本发明还设计了一种基于大数据的疲劳监测仪，如图3所示，包括汽车中央控制处理器、用于监测面部和眼球状态的面部图像识别系统，以及用于监测腹部振动的呼吸频率监测系统，包括驾驶座1、设置在驾驶座靠板上的电击刺激板2，以及安装在驾驶座1底板上的振动按摩抗疲劳机构3，这里的驾驶座1本体为车辆中通用的驾驶座钢架板，电击刺激板2可承载电击触头，振动按摩抗疲劳机构3利用滚动轮对人体进行按摩，改变驾驶座在行驶中的固定频率，从而避免驾驶员出现精神不清醒。

另外，所述驾驶座1的侧面还设有用于监测疲劳状态的二级安全保护腹带4，所述驾驶座1背面内部设有用于收纳限位二级安全保护腹带4的复位收卷轴5，所述驾驶座1的侧面设有用于固定二级安全保护腹带4的安全带一体卡板6，所述二级安全保护腹带4靠近末端的部分设有呼吸频率监测模块7，所述安全带一体卡板6上设有腹带系紧监测模块8，本实施方式中的呼吸频率监测模块7安装在二级安全保护腹带4上，腹带系紧监测模块8可保证疲劳监测方式可客观的佩戴，同时不影响正常的驾驶操作，实用性和可靠性强。

需要补充说明的是，复位收卷轴5的安装和工作方式具体参考汽车安全带的复位方式，在本实施方式中将不再说明，使用可自动归位的复位收卷轴5可保证，在不使用时的驾驶舱内部整洁性，复位收卷轴5的弹性伸缩适合不同体型的驾驶员使用，同时可保证二级安全保护腹带4缚紧贴合人体，方便呼吸频率监测模块7的正常监测工作，防止二级安全保护腹带4松弛而不能达到正常的监测作用。

另外二级安全保护腹带4不仅用于监测驾驶员的呼吸频率，还可配合安全带的作用，对人体进行双重保护。

如图3和图4所示，下面将先细述腹带系紧监测系统8和呼吸频率监测模块7的客观佩戴和疲劳监测方式，腹带系紧监测系统8包括安装在驾驶座1上的压力传感器801、设置在安全带一体卡板6上的两个固定卡槽802，以及用于处理监测信息的控制处理器803，两个所述固定卡槽802分别用于固定汽车驾驶安全带和二级安全保护腹带4，两个所述固定卡槽802的内部均设有红外线检测传感器804，两个所述红外线检测传感器804串联在一起，所述控制处理器803的输入端分别连接有压力传感器801和红外线检测传感器804，所述控制处理器803的输出端连接有报警灯805。

基于上述腹带系紧监测系统8的主要组成部件，其主要的工作过程具体为：

首先，驾驶员坐在驾驶座1上后，压力传感器801监测到驾驶座1上有人，当启动车辆后，压力传感器801将监测的压力信息传递到控制处理器803，报警灯805工作，促使驾驶员佩戴好汽车驾驶安全带；

然后由于惯性操作，驾驶员会将安全带固定在安全带一体卡板6上，此时其中一个固定卡槽802内的红外线检测传感器804监测到安全带佩戴完成，报警灯805继续报警；

当二级安全保护腹带4也安插到对应的一个固定卡槽802后，报警灯805才停止工作，驾驶员可正常驾驶。

因此上述两个红外线检测传感器804串联，也就意味着当两个红外线检测传感器804同时监测到安全带和二级安全保护腹带4固定时，才停止报警灯805的报警操作，从客观因素上保证疲劳监测方式的积极行使，避免像帽子、手环和眼镜等监测方式影响主动实施效果。

如图5和图6所示，呼吸频率监测模块7包括设置在二级安全保护腹带4上的加宽防护编织带701，以及粘附在二级安全保护腹带4内外表面的耐磨橡胶保护层702，所述二级安全保护腹带4上设有若干均匀分布的传感器装载槽位703，所述传感器装载槽位703内设有平向振动传感器704。

加宽防护编织带701可增加二级安全保护腹带4本身的质量，防止在佩戴的过程中二级安全保护腹带4发生弯折而影响正常的监测，另外耐磨橡胶保护层702采用合成的软性橡胶，可通过水平方向的弹性位移反映驾驶员的呼吸作用，以及其他的干扰振动因素，平向振动传感器704接收耐磨橡胶保护层702的移位信息并转化为呼吸频率信息，并且对信息进行过滤放大处理，通过实时监控的大数据处理方式监测驾驶员的呼吸频率变化。

另外本实施方式将二级安全保护腹带4和安全带分别固定的作用是为了保证二级安全保护腹带4固定后为平行状态，保证呼吸频率监测模块7监测的准确性。

需要补充说明的是，上述平向振动传感器704只监测与传感器平行水平面上的振动作用，而不监测驾驶员上下方向的振动作用，因此可减少车身座椅本身振动带来的监测误差影响，提高呼吸频率的监测准确性，因此本实施方式的疲劳监测方式更适应于高速公路上的车辆使用，而对坎坷不平的道路来说，驾驶员更能集中注意力，不能疲劳监测和抗疲劳刺激也能保持头脑清醒，因此对生活中的抗疲劳驾驶有实际重大的意义。

驾驶座1背面还设有用于处理呼吸监测的连机数据处理模块705，所述连机数据处理模块705包括信号过滤单元7051、信号放大单元7052和处理芯片7053，所述信号过滤单元7051和信号放大单元7052均连接到处理芯片7053的输入端，所述处理芯片7053的输出端连接有蓝牙传送单元7054，所述蓝牙传送单元7054将处理后的呼吸频率信号传递到大数据疲劳监测系统，通过信号过滤和放大的处理方式，降低杂音的干扰，保证获得理想的呼吸频率数据，然后与正常的呼吸状态进行比较，实时监测驾驶员是否处于疲劳状态。

基于上述，呼吸频率监测模块7利用大数据疲劳监测系统对驾驶员进行疲劳监测的具体实现方式为：

首先，将处理后的呼吸频率信号传递到大数据疲劳监测系统，大数据疲劳监测系统先将呼吸信号与数据库内的标准呼吸频率进行实时对比；

然后，对标准呼吸频率进行校正处理，模拟出匹配驾驶员的呼吸频谱图；

最后，将处理后的呼吸频率信号实时与校正后的呼吸频谱图进行对比，当驾驶员的呼吸频率明显小于校正后的呼吸频谱图时，并且结合大数据疲劳监测系统内其他的疲劳监测方式，判断驾驶员是否处于疲劳驾驶状态。

在上述过程中，对标准呼吸频率进行校正处理形成呼吸频谱图的具体实现过程为：

第一步：大数据疲劳监测系统接收处理后的呼吸信号，将呼吸信号与数据库内的标准呼吸频率进行实时对比；

第二步：监测一段时间后，截取监测的呼吸信号中稳定且频率相同的校准呼吸信号截段；

第三步、将标准呼吸频率按照截取的校准呼吸信号截段进行变频处理，得到对应该驾驶员的呼吸频谱图；

第四步、继续监测驾驶员的呼吸频率，并且将监测的呼吸频率信号与呼吸频谱图进行实时对比。

基于标准呼吸频率进行校正处理形成呼吸频谱图的过程，本实施方式可存储不同驾驶员的特定呼吸频谱图，以满足特定个人的呼吸频率，从而提高呼吸频率进行疲劳监测的准确性。

在调整呼吸频率的监测准确性之后，当驾驶员处于疲劳状态时，需要利用驾驶座上添加的抗疲劳刺激结构工作，从而使得驾驶员保持精神清醒状态。

下面将细述电击刺激和按摩刺激的具体组成结构和实现方式，如图7所示，电击刺激板2包括安装在驾驶座1钢架上的头颈凸起靠板201和腰部凸起靠板202，所述头颈凸起靠板201和腰部凸起靠板202上均安装有若干组相互并联的电击触头203，所述驾驶座1靠板的填充海绵垫内设有供电击触头安装的贯穿孔槽204，所述贯穿孔槽204的内壁上铺设有绝缘耐热橡胶205，所述驾驶座1的外表面设有与电击触头203连接的光滑导电金属网片206。

一般来说，普通的驾驶座一般由钢架、海绵和皮革组成，钢架决定驾驶座的大小和基本形状，而海绵敷在钢架外表面，增加柔软性以提高驾驶舒适性，本实施方式中的驾驶座1的靠板添加头颈凸起靠板201和腰部凸起靠板202，不仅满足在正常驾驶过程中的人体结构，对驾驶员的头部和腰部进行支撑，减少疲劳感，同时便于添加电击结构，方便光滑导电金属网片206与人体的直接接触，保持头脑清醒。

电击触头203具体为电棒的高压组件，电击触头203的内部主要结构由一体化高质量集成块及可充镍氢电池组成，外部主要结构主要由ABS硬胶压注成型和金属材料组成，一般在产品的前部有一对或数对金属电击头，另外本实施方式的电击触头203在不同位置的电压强度不同，一般腰部凸起靠板202上安装的电压强度远远大于头颈凸起靠板201的电压强度，保证不会对头部产生很大的刺激，而且人体会穿着衣服，可降低腰部凸起靠板202的电击强度。

并且头颈凸起靠板201的电压一般为脉冲电压，而腰部凸起靠板202的电压为直流电压，腰部和头颈的电击触头203电压标准是工作时头颈和腰部均可感受到刺痛感。

当大数据疲劳监测系统中的其他疲劳监测方式和本实施方式中的呼吸频率监测方式共同判断人体处于疲劳入睡的状态时，一般腰部的电击触头203先通电工作，通过不同位置的刺激来防止驾驶员入睡，其后才对颈部、头部的电击触头203进行通电，保证不会产生巨大的疼痛感，防止人体应激造成驾驶不稳定的情况。

如图8和图9所示，振动按摩抗疲劳机构3包括镶嵌在驾驶座1底板中心的伺服电机301，以及安装在伺服电机301输出轴的触动齿轮302，所述伺服电机301的两侧分别设有平行设置在驾驶座1坐板上的限位轨道303，所述限位轨道303的内侧板上设有切割驱动槽304，所述限位轨道303内设有活动按摩板305，所述活动按摩板305的内壁上设有与触动齿轮302相互啮合的齿形长条306，活动按摩板305的一端设有Y形定位支架307，所述Y形定位支架307上设有车轮式按摩球308。

振动按摩抗疲劳机构3的具体工作方式为：伺服电机301带动触动齿轮302正转或者反转，在触动齿轮302转动时，与活动按摩板305内壁上的齿形长条306相互啮合，带动两个活动按摩板305在限位轨道303内分别进行前后方向上的移动，从而对驾驶员的两条腿进行不同方向的循环按摩作用，减少同向按摩的单调性，从而提高对人体的刺激和头脑清醒度。

为了保证活动按摩板305的按摩范围，一般活动按摩板305的长度略大于限位轨道303长度的一半，从而保证触动齿轮302正转或者反转时，均可完成对活动按摩板305的驱动作用，活动按摩板305在移动时，通过车轮式按摩球308对人体的腿部进行按摩，改变车座固有的振动感，从而保证驾驶员的头脑清醒，并且通过上述按摩方式对驾驶员的腿部进行按摩，促进血液移动，减少疲劳感。

另外需要特别说明的是，本实施方式中的振动按摩抗疲劳机构3和电击触头203的工作过程，均受到汽车抗疲劳提醒系统中的处理器进行控制，其中振动按摩抗疲劳机构3按照定时的模式进行按摩操作，比如说每隔10分钟或者20分钟一次，而电击触头203的电源接通与疲劳监测状态有关，一旦大数据疲劳监测系统的监测方式和呼吸频率监测方式共同判断驾驶员处于疲劳驾驶状态时，电击触头203按照腰部、颈部和头部的接通方式对人体进行电击刺激。

伺服电机301和限位轨道303的上方设有坐垫防护板309，所述坐垫防护板309的两侧边对应固定在驾驶座1的侧边上，所述坐垫防护板309的下表面通过撑杆3010固定在驾驶座1坐板的上表面，坐垫防护板309起到对伺服电机301和限位轨道303的隔离防护作用，驾驶员在驾驶时，是坐在坐垫防护板309上的，伺服电机301和限位轨道303处于坐垫防护板309与驾驶座底板之间的空间内。

坐垫防护板309在正对限位轨道303的位置设有长形孔槽3011，所述长形孔槽3011的两侧设有内嵌孔隙3012，所述内嵌孔隙3012的内部通过若干均匀分布的弹簧3013安装有隐藏伸缩板3014，所述隐藏伸缩板3014的两端为光滑圆弧形状。

长形孔槽3011设置在中间部位的坐垫防护板309上，保证活动按摩板305不动时，隐藏伸缩板3014将长形孔槽3011闭合，提高提高驾驶员长坐时的舒适性。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种基于大数据的车辆联合导航设备，其特征在于：包括GPS导航模块、车载前视摄像头、转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、速度传感器和中央处理系统；

所述GPS导航模块，安装在车辆的质心部，为车主规划行驶路线；

所述车载前视摄像头，安装在车辆前窗上，与GPS导航模块结合，用于检测当前位置下的车道轨迹，与动态模拟系统连接；

所述转向角度监测单元，包括安装在方向盘上的角度传感器和语音播报器，利用角度传感器实时监测方向盘的转动角度，预判驾驶员的驾驶状态；

所述动态模拟系统，包括基于车载前视摄像头的道路准直单元，以及车载前视摄像头实际监测到的车辆走向单元，并且可将车载前视摄像头拍摄的路况模拟成二维平面的动画图像；

所述物体监测雷达，分布安装在车辆车头和车尾的保险杠上，实时监测车辆前后两头与物体之间的距离，辅助转向角度监测单元和动态模拟系统进行疲劳监测；

所述速度传感器，安装在车辆的车轮上，实时监测车辆的速度，并将速度信息实时传递到中央处理系统。

所述中央处理系统，实时接收转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达、角度传感器和速度传感器的信息，并且根据信息整合实时判断驾驶员的驾驶状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备，其特征在于：所述动态模拟系统内还设有用于实时监测车辆转向的车道偏向夹角单元，所述道路准直单元在车辆移动的过程中，在每条车道的中心位置均形成与该车道平行的车道实时准直线，所述车辆走向单元在车辆移动的过程中，可形成与车辆中心线重合的转向实时趋势线，所述车道偏向夹角单元建立关于车道实时准直线的平面直角坐标系，实时监测转向实时趋势线与路况实时准直线之间的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备，其特征在于：所述平面直角坐标系以车道实时准直线为X轴，以实时垂直与车道实时准直线的线轴为Y轴，所述车道偏向夹角单元通过转向实时趋势线与X轴之间的夹角大小，判断车辆是否偏移，以及车辆偏移的角度。

4.根据权利要求1所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备，其特征在于：所述角度传感器实时监测方向盘的转动角度，当方向盘的角度发生变化时，所述转向角度监测单元与动态模拟系统结合可判读车辆与车道之间的夹角关系，预判驾驶员是否处于疲劳状态。

5.根据权利要求1所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备，其特征在于：车辆直线驾驶的方向盘为初始状态，所述角度传感器为初始化状态，此时所述角度传感器检测到方向盘的转动角度为0°。

6.一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、识别驾驶员的性别年龄信息；

步骤200、驾驶员坐在驾驶座后，提醒驾驶员系上安全带和二次安全保护腹带；

步骤300、发车并启动导航设备，动态模拟系统产生二维平面动画影像，并且实时监测车辆的移动轨迹与车道的夹角；

步骤400、转向角度监测单元实时监控方向盘转向以及转向角度；

步骤500、通过转向角度监测单元、动态模拟系统、物体监测雷达和速度传感器的结合使用进行实时疲劳监测。

7.根据权利要求书6所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，其特征在于，在步骤500中，实时疲劳监测时分为方向盘不动行驶和方向盘转向行驶。

8.根据权利要求书7所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，其特征在于，方向盘不动行驶的具体过程包括：

T1、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆减速，则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当物体监测雷达检测到车体与外物之间的距离为警戒减速距离时，速度传感器检测到车辆未减速，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

T2、角度传感器检测到方向盘的无变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线存在夹角，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

9.根据权利要求书7所述的一种基于大数据的车辆联合导航设备的导航方法，其特征在于，方向盘转向行驶的具体过程包括：

S1、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线平行，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警；

S2、角度传感器检测到方向盘的角度变化，车辆的转向实时趋势线保持与车道实时准直线有夹角

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线与下一个车道的车道实时准直线平行，则该驾驶员处于清醒驾驶状态；

当角度传感器检测到方向盘经过连续变化后，并且最终转向实时趋势线仍然与下一个车道的车道实时准直线保持夹角，则该驾驶员处于非清醒驾驶状态，中央处理器控制语音播报器报警。

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