專利名稱：困倦程度檢測設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種困倦程度檢測設備，用于檢測操作如車輛等設備的測試對象的困倦程度。
背景技術：
通常，如日本專利未審公開No.Sho 60-15240(1985)中所公開的那樣，一種設備根據(jù)如設置在車輛的方向盤中的電極之間的電位差，計算車輛駕駛員的心率，以便根據(jù)心率，判斷駕駛員的緊張或嗜睡狀態(tài)。更具體地，該設備檢測心臟電位中具有高脈沖高度值的R波等，并在心率轉換電路中，將R波出現(xiàn)的時間間隔轉換為駕駛員的心率。相對于清醒狀態(tài)，心率在睡眠期間下降，而在緊張時上升。因此，將心率轉換電路轉換后的心率與預定的心率范圍進行比較，以判斷心率是否比預定的心率異常地高或低。當心率不處于預定心率范圍內時，該設備以告警燈、蜂鳴器等發(fā)出警告，并拉緊座椅安全帶，以給出對駕駛員身體上的警告。
如上所述，傳統(tǒng)的設備簡單地根據(jù)心率是否處于預定的心率范圍內來確定駕駛員是處于正常的身體狀態(tài)或是處于緊張或嗜睡的狀態(tài)。但是，對于車輛駕駛員的嗜睡狀態(tài)，駕駛員不會從清醒狀態(tài)突然入睡，而是在困倦程度逐漸增加之后，駕駛員最終達到嗜睡狀態(tài)。在駕駛車輛或其他設備的情況下，與其清醒狀態(tài)相比，駕駛員在增加困倦程度的狀態(tài)下，精神不太集中等。因此，需要精確地檢測增加的困倦狀態(tài)。這是因為，如果精確地檢測車輛駕駛員或設備操作員的困倦程度，就能夠采取與困倦程度相一致的適當措施,如發(fā)出警告等，或者限制對設備的操作等。

發(fā)明內容
考慮到上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種困倦程度檢測設備，能夠精確地檢測測試對象的困倦程度。
為了實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，一種困倦程度檢測設備，具有心跳信號檢測裝置、計算裝置和評估裝置。心跳信號檢測裝置檢測測試對象的心跳信號。計算裝置對心跳信號進行頻率分析，以計算表示包括在心跳信號中的頻率分量的分布的譜信號。評估裝置在譜信號中，相對于測試對象清醒狀態(tài)的清醒狀態(tài)峰頻率，將具有比清醒狀態(tài)峰頻率低的頻率的頻帶設置為用于表示困倦程度的困倦程度指標頻帶。評估裝置根據(jù)困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度，來評估測試對象的困倦程度。
由于隨著測試對象的困倦的增加，心率下降，隨著測試對象困倦程度的增加，包括在測試對象的心跳信號中的頻率分量下降。因此，可以通過包含在心跳信號中的頻率分量定量地檢測困倦程度。即，在表示包括在心跳信號中的頻率分量的分布的譜信號中，相對于測試對象清醒狀態(tài)的清醒狀態(tài)峰頻率，將具有比清醒狀態(tài)峰頻率低的頻率的頻帶設置為困倦程度指標頻帶。當測試對象的清醒程度較高時，心率幾乎不會下降。在這種情況下，包括在心跳信號中的低頻分量是微不足道的，因此，困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度較低。另一方面，隨著測試對象困倦程度的增加，心率下降變得顯著，而包括在心跳信號中的低頻分量增加。因此，困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度增加。由于困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度與困倦程度相關聯(lián)，可以通過譜信號的強度，精確地評估測試對象的困倦程度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，所述計算裝置將心跳信號轉換為只具有位于心跳信號的最大峰位置處的峰的信號，并對轉換后的信號進行頻率分析。心跳信號的單一波形包括P波、Q波、R波、S波和T波，每個波均表現(xiàn)出波峰。因此，如果對心跳信號進行直接頻率分析，則對包括上述每個波的頻率分量的譜信號進行計算。但是，在本發(fā)明中，對每單位時間心跳信號中的心率，即可歸因于心率的頻率分量進行分析，從而上述每個波的頻率分量變?yōu)檎`差的起因。為此，將心跳信號轉換為只具有心跳信號的最大峰(通常為R波)的信號，然后，對轉換后的信號進行頻率分析。因此，能夠獲得精確表示了歸因于心率的頻率分量的譜信號。
按照本發(fā)明的另一方面，當測試對象操作預定設備時，所述評估裝置評估測試對象的困倦程度。優(yōu)選的是，將從測試對象開始操作預定設備開始過去預定時間時的譜信號的峰頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率。由于清醒狀態(tài)下的心率(即心跳頻率)因人而異，最好不要將固定的頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率。因此，需要針對每個測試對象，設置清醒狀態(tài)峰頻率。根據(jù)本申請的發(fā)明人的實驗，顯而易見的是，作為緊接在測試對象開始操作車輛等之后的心跳信號的頻率分析的結果的譜信號具有于清醒狀態(tài)峰頻率不同的峰頻率。這是因為測試對象暫時處于與平時不同的狀態(tài)下，如緊張狀態(tài)等。因此，當經(jīng)過了預定時間，并且測試對象習慣了設備的操作時，將此時的譜信號的峰頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率。從而，可以增加所設置的清醒狀態(tài)峰頻率的精確度。
為了進一步提高清醒狀態(tài)峰頻率的精確度，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，通過平均多個譜信號的峰頻率，來計算清醒狀態(tài)峰頻率。從測試對象開始操作預定設備開始已經(jīng)過去預定時間的時間點開始，針對預定的檢測時間，計算多個譜信號。從而，能夠減少噪聲等對清醒狀態(tài)峰頻率的影響。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，從100秒到500秒的范圍內選擇預定的時間。這是因為，如上所述，只是在開始之后，保持有由于開始操作而引起的緊張的影響。另一方面，在經(jīng)過相當長的時間段時，測試對象習慣了操作，而困倦程度可能增加。
按照本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，評估裝置將包括清醒狀態(tài)峰頻率在內的頻帶設置為清醒程度指標頻帶，并利用清醒程度指標頻帶和困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度來評估測試對象的困倦程度。換句話說，隨著測試對象清醒程度的增加，清醒程度指標頻帶中的譜信號的強度增加。隨著測試對象困倦程度的增加，困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度增加。因此，對兩個譜信號進行比較能夠判斷測試對象的清醒程度和困倦程度中的哪一個更高。從而，能夠進一步精確地評估困倦程度。
在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，評估裝置計算困倦程度評估參數(shù)。困倦程度評估參數(shù)的分母是清醒和困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度的總和。困倦程度評估參數(shù)的分子是困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度?？紤]到測試對象的清醒程度和困倦程度，困倦程度評估參數(shù)連續(xù)地表示0(最大清醒程度)和1(最大困倦程度)之間的困倦程度。從而，能夠通過困倦程度評估參數(shù)的數(shù)值直接評估測試對象的困倦程度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，將清醒程度指標頻帶設置為以清醒狀態(tài)峰頻率為中心，具有±0.05Hz的帶寬。通過按照具有0.1Hz的帶寬等方式設置清醒程度指標帶寬，清醒程度帶寬可以精確地包括用于表示清醒狀態(tài)的頻率分量。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，優(yōu)選的是，設置困倦程度指標帶寬，從而包括清醒狀態(tài)峰頻率的65到90％的任意頻率。根據(jù)多個測試對象的實驗結果，已經(jīng)確定當困倦發(fā)生時，與清醒狀態(tài)峰頻率的比值為65到90％的頻率分量增加。因此，如果設置困倦程度指標帶寬從而包括清醒狀態(tài)峰頻率的65到90％的任意頻率，困倦程度指標帶寬可以精確地包括與困倦相對應的頻率分量。
按照本發(fā)明的另一方面，當測試對象操作預定的設備時，所述評估裝置評估測試對象的困倦程度。在測試對象開始操作預定的設備之后，評估裝置可以重復計算譜信號的峰頻率。當在預定時間段內的最大峰頻率和最小峰頻率之間的差等于或小于預定值時，可以將此時間段內的峰頻率的平均值設置為清醒狀態(tài)峰頻率。當測試對象處于緊張狀態(tài)或處于高困倦程度的狀態(tài)時，心跳信號的峰值之間的間隔來回徘徊或變化。相反，當譜信號的峰頻率的變化較小時，可以認為測試對象既不感到緊張也不感到困倦。因此，可以通過最大和最小峰頻率之間的差來判斷峰頻率的變化量?？梢詫⒆兓枯^小時的峰頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率，以便提高清醒狀態(tài)峰頻率的精確度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，所述評估裝置可以在每次測試對象開始操作設備時，計算清醒狀態(tài)峰頻率。同樣，評估裝置可以根據(jù)最后的清醒狀態(tài)峰頻率和過去的清醒狀態(tài)峰頻率，確定最終的清醒狀態(tài)峰頻率。這是因為存在清醒狀態(tài)峰頻率隨時間而變化的情況。
通過以下所提供的詳細描述，可應用本發(fā)明的其他領域將變得顯而易見。應當理解的是，詳細描述和特定示例，在表示本發(fā)明優(yōu)選實施例的同時，只是針對示例性的目的，而并不傾向于限制本發(fā)明的范圍。


通過詳細的描述和附圖，將對本發(fā)明有更為全面的理解，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的困倦程度檢測設備的示意性結構的方框圖；圖2是由困倦程度檢測設備執(zhí)行的困倦程度檢測處理的流程圖，以及在檢測到困倦時執(zhí)行的警告處理等；圖3是困倦程度評估參數(shù)的計算例行程序的流程圖；圖4是普通心跳信號的示例波形的波形圖；圖5是用于解釋將心跳信號轉換為只具有作為心跳信號的最大峰的R波的波峰的信號的處理方法的說明圖；圖6是表示心跳信號的頻率分量的分布的譜信號的特征曲線圖；圖7是從駕駛員開始駕駛車輛時開始的譜信號的峰頻率的變化的曲線圖；圖8是根據(jù)從開始駕駛開始的時間段示出了其檢測到的峰頻率不同于其清醒狀態(tài)峰頻率的駕駛員的比例的曲線圖；圖9是車輛的橫向偏移量的變化(即，工作性能(WP)的變化)與譜信號的每個頻率的信號強度的變化之間的相關性的曲線圖；圖10是WP與每個頻帶，以及多個駕駛員的頻率之間的相關系數(shù)的曲線圖；圖11是在將每個駕駛員的清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)歸一化為1Hz時，與WP的相關性變?yōu)樽畲蟮念l率(Fmax)的變化的范圍的曲線圖；圖12是在將清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)歸一化為1Hz時，屬于每個頻帶(0.65到0.70Hz、0.70到0.75Hz、0.75到0.80Hz、0.80到0.85Hz以及0.85到0.90Hz)的譜信號的強度與WP之間的相關性的曲線圖；以及圖13是屬于0.80到0.85Hz頻帶的譜信號的強度的變化和WP的變化的時間圖。
具體實施例方式
以下對優(yōu)選實施例的描述本質上只是示例性的，而并決不傾向于限制本發(fā)明及其應用或使用。此后，將參照附圖，對本發(fā)明的困倦程度檢測設備的實施例進行描述。此實施例解釋了其中安裝在車輛中的困倦程度檢測設備檢測駕駛員在駕駛期間的困倦，但所述困倦程度檢測設備也可以用于檢測可能不同于車輛的設備的操作員或看守人的困倦。
圖1是示出了按照本實施例的困倦程度檢測設備的示意性結構的方框圖。參照圖1，困倦程度檢測設備具有心跳信號檢測單元10，用于檢測車輛駕駛員的信號信號；以及ECU 20，用于根據(jù)所檢測到的心跳信號，檢測駕駛員的困倦程度。ECU 20與空調控制單元30、警告單元40、引擎控制單元50、剎車控制單元60等相連。因此，當檢測到駕駛員發(fā)生困倦時，困倦程度檢測設備(ECU 20)根據(jù)困倦程度，有效地消除駕駛員的困倦，并控制車輛以確保整體安全性。
心跳信號檢測單元10具有多個設置在方向盤上的電極。當駕駛員的左手和右手中的每一個與電極相接觸時，在兩個電極之間出現(xiàn)與駕駛員的心臟電位相對應的電位差。通過連續(xù)地檢測在兩個電極之間出現(xiàn)的電位差，獲得駕駛員的心跳信號。
由于在本實施例中，將困倦程度檢測設備安裝在本車輛中，心跳信號檢測單元10由設置在方向盤上的電極構成。但是，也可以通過其他裝置檢測心跳信號。例如，脈沖波傳感器可以用作用于檢測心跳信號的其他裝置。脈沖波傳感器具有一對光發(fā)射和接收元件。光發(fā)射元件利用光照射駕駛員的皮膚表面。部分光通過皮膚，并由流過血管的血液散射。從而，由光接收元件接收到的光量根據(jù)流過血管的血量發(fā)生變化。因此，在使用脈沖波傳感器的情況下，也能檢測與駕駛員的心臟的運動相對應的信號，即，與心跳信號相對應的信號。
優(yōu)選的是，為了消除干擾光的影響，以光接收元件與駕駛員的皮膚表面緊密接觸的方式使用脈沖波傳感器。因此，可以將光接收元件設置在方向盤中適合于駕駛員緊握的為止中。否則，作為各種提議，可以將如腕表、指環(huán)等形狀的脈沖波傳感器放在駕駛員身上，以檢測心跳信號(與心跳信號相對應的信號)。
然后，將根據(jù)圖2所示的流程圖，來描述困倦程度檢測處理、警告處理等。由ECU 20執(zhí)行困倦程度檢測處理。在檢測到困倦時，執(zhí)行警告處理。首先，在步驟S100中，ECU 20獲得從心跳信號檢測單元10輸出的心跳信號。在獲得心跳信號時，ECU 20以大約100Hz的周期對心跳信號進行采樣，并將模擬信號轉換為數(shù)字信號。心跳信號的QRS波通常持續(xù)大約0.1秒。因此，前述以大約100Hz的周期進行采樣能夠確定地獲得心跳信號的峰值。
然后，在步驟S200中，根據(jù)所取得的心跳信號，計算用于評估駕駛員的困倦程度的困倦程度評估參數(shù)Sp。稍后，將詳細描述困倦程度評估參數(shù)Sp的計算方法。
在步驟S200中計算出困倦程度評估參數(shù)Sp之后，處理進行到步驟S300，并將困倦程度評估參數(shù)Sp與第一標準值C1進行比較。當在此比較中，判斷困倦程度評估參數(shù)Sp小于第一標準值C1時，認為駕駛員并未發(fā)生困倦，因此處理返回到步驟S100。另一方面，當在步驟S300中，判斷困倦程度評估參數(shù)Sp等于或大于第一標準值C1時，處理進行到步驟S400。
在步驟S400中，將困倦程度評估參數(shù)Sp與大于第一標準值C1的第二標準值C2進行進一步的比較。當判斷困倦程度評估參數(shù)Sp小于第二標準值C2時，將駕駛員的困倦程度評估為低，處理進行到步驟S500。在步驟S500中，ECU 20輸出對空調控制單元30的控制信號，使空調控制單元30執(zhí)行困倦改進控制。在困倦改進控制中，利用設置在車輛中的空調，將冷空氣吹向駕駛員，或者從空調的出口放出具有減少困倦的效果的香味。從而，如果困倦程度較低，可以通過困倦改進控制清除困倦。
另一方面，當在步驟S400中，判斷困倦程度評估參數(shù)Sp等于或大于第二標準值C2時，處理進行到步驟S600。在步驟S600中，將困倦程度評估參數(shù)Sp與大于第二標準值C2的第三標準值C3進行比較。當在步驟S600的判斷中，判斷困倦程度評估參數(shù)Sp小于第三標準值C3時，將駕駛員的困倦程度評估為中等程度。因而，ECU 20在步驟S700中向警告單元40輸出警告信號。警告單元40以相對高的音量發(fā)出警告聲音或警告消息，以喚起駕駛員的注意。另一方面，當在步驟S600中，判斷困倦程度評估參數(shù)Sp等于或大于第三標準值C3時，將駕駛員的困倦程度估計為較高。在這種情況下，處理進行到步驟S800，并且ECU 20向剎車控制單元60和/或引擎控制單元50輸出控制信號，以使其執(zhí)行車輛控制。例如，在車輛控制中，通過降低引擎的輸出，或強制實行剎車，降低車輛的速度，或者停止車輛。
此后，將根據(jù)圖3的流程圖，對上述困倦程度評估參數(shù)計算例行程序進行解釋。首先，在步驟S210中，將在圖2的流程圖的步驟S100中所得到的心跳信號轉換為具有R波的波峰的信號。
圖4示出了普通心跳信號的波形的示例。如圖4所示，心跳信號在單一的波形中包括P波、Q波、R波、S波和T波，并且每個波均表現(xiàn)出波峰。因此，如果對心跳信號進行直接頻率分析，則獲得包括上述每個頻率分量的譜信號。但是，根據(jù)本實施例的困倦程度檢測設備分析每單位時間心跳信號中的心率，換句話說，分析歸因于心率的頻率分量，從而上述每個波的頻率分量就變?yōu)榱苏`差的起因。因此，如圖5所示，將心跳信號轉換為只具有作為心跳信號的最大峰的R波的峰的信號，然后，對轉換后的信號進行頻率分析。
在本實施例中，測量時間的單位是10秒。每隔10秒，對以100Hz的周期采樣后的心跳信號進行上述轉換，并通過稍后描述的快速傅立葉變換(FFT)對其進行頻率分析，以便獲得表示包括在心跳信號中的頻率分量的分布的譜信號。
如果以100Hz的周期對心跳信號采樣10秒，則采樣數(shù)為1000(10(秒)×100(Hz))。利用此采樣周期和采樣數(shù)，通過FFT處理獲得的譜信號的頻率分辨率較低。因而，執(zhí)行用于提高頻率分辨率的處理。換句話說，當以100Hz的周期對心跳信號采樣10秒時，譜信號的頻率分辨率是0.1Hz(采樣周期(100Hz)/采樣數(shù)(1000))。通常，心率大約是60跳每分鐘，而心跳頻率是1Hz，所以0.1Hz的頻率分辨率對應于相當高的心率，即，6跳。
因此，如圖5所示，以因子10縮減與采樣后的R波的為止有關的信息(62、127、…)，以降低采樣頻率(從100Hz到10Hz)。但是，在這種情況下，也以因子10縮減了采樣數(shù)，并未提高頻率分辨率，從而在采樣數(shù)中添加924個偽數(shù)據(jù)(0數(shù)據(jù))。根據(jù)此處理，能夠提高譜信號的頻率分辨率(以大約為10的因子提高頻率分辨率)。
然后，在步驟S220中，對在步驟S210中計算的轉換后的信號執(zhí)行FFT處理，以計算表示心跳信號中的頻率分量的分布的譜信號。圖6示出了計算后的譜信號的示例。如圖6所示，當駕駛員的清醒程度較高時，獲得了在相對較高的頻率區(qū)域中具有峰的譜信號。當駕駛員的困倦程度較高時，獲得了在相對較低的頻率區(qū)域中具有峰的譜信號。這是因為包含在駕駛員的心跳信號中的頻率分量隨著駕駛員困倦程度的增加而降低，因為心率隨著駕駛員困倦的增加而下降。
然后，在步驟S230中，判斷從駕駛員開始駕駛車輛以來所過去的時間長度。當在此判斷中，已過去的時間短于T1，并且其判斷駕駛剛剛開始時，結束此例行程序的處理。當判斷已過去的時間等于或長于T1，并且等于或短于T2時，在步驟S240中，檢測駕駛員的清醒狀態(tài)峰頻率。然后，在步驟S250中，根據(jù)清醒狀態(tài)峰頻率，設置清醒程度指標頻帶α和困倦程度指標頻帶β。當判斷已過去的時間長于T2時，則執(zhí)行步驟S260到S280的處理，以計算表示駕駛員的困倦程度的困倦程度評估參數(shù)Sp。
以下，將對依照從開始駕駛以來所過去的時間，如上所述地執(zhí)行不同處理的原因進行描述。圖7是示出了從駕駛員開始駕駛車輛起，通過對心跳信號進行FFT處理而獲得的譜信號的峰頻率的變化的曲線圖。如圖7所示，在剛剛開始駕駛之后所檢測到的峰頻率與其中駕駛員既不感到緊張也不感到困倦的狀態(tài)下的正常峰頻率有極大的不同(此后，將其稱為“清醒狀態(tài)峰頻率”)。隨著時間的流逝，所檢測到的峰頻率傾向于靠近清醒狀態(tài)峰頻率。由此，本申請的發(fā)明人驗證了其他駕駛員是否具有類似的趨勢。在圖8的曲線圖中示出了驗證的結果。
圖8根據(jù)從開始駕駛起的時間段，示出了在作為驗證目標的全部駕駛員中，其被檢測到的峰頻率在等于或小于預定值(±0.05Hz)的范圍內不同于其清醒狀態(tài)峰頻率的駕駛員的比例。如圖8所示，從剛剛開始駕駛到大約100秒，其被檢測到的峰頻率與其清醒狀態(tài)峰頻率具有很大的不同的駕駛員的比例較大。但是，在100秒以后的時刻，其被檢測到的峰頻率靠近其清醒狀態(tài)峰頻率的駕駛員的比例逐漸增加。例如，對于300秒和400秒之間的每個駕駛員，所檢測到的峰頻率和清醒狀態(tài)峰頻率之間的差別變得微不足道。直到大約500秒為止，其被檢測到的峰頻率與其清醒狀態(tài)峰頻率具有輕微不同的駕駛員的比例仍保持在大多數(shù)。但是，在500秒之后，其被檢測到的峰頻率與其清醒狀態(tài)峰頻率具有極大不同的駕駛員的比例增加。
根據(jù)前述驗證結果，顯而易見的是，在過去了T1(100秒，優(yōu)選地為300秒)和過去了T2(500秒，優(yōu)選地為400秒)之間的時間段內，而不是剛剛開始駕駛之后，所檢測到的譜信號的峰頻率近似于每個駕駛于的清醒狀態(tài)峰頻率。因此，在本實施例中，當從開始駕駛起所過去的時間等于或長于T1并且等于或短于T2時，處理進行到步驟S240。提取并估計在步驟S220中所計算的譜信號的峰頻率，作為駕駛員的清醒狀態(tài)峰頻率。優(yōu)選地，設置T1和T2，從而在T1和T2之間的時間差中，可以計算多次譜信號。在步驟S240中，優(yōu)選地，提取出每個譜信號的峰頻率，并對多個峰頻率進行平均，以估計平均峰頻率，作為清醒狀態(tài)峰頻率。
此外，可以存儲過去所計算的清醒狀態(tài)峰頻率?？梢岳没虿焕脵嘀貙ψ詈蠛瓦^去的清醒狀態(tài)峰頻率進行平均，以更新清醒狀態(tài)峰頻率。在這種情況下，根據(jù)較長時間段的峰頻率，以較高的精確度來估計清醒狀態(tài)峰頻率。如果以存儲清醒狀態(tài)峰頻率和最后清醒狀態(tài)峰頻率之間的差等于或大于預定值，可以發(fā)布關于駕駛員的身體狀況異常的警告。此外，考慮到多駕駛員駕駛的情況，例如，可以設置多個開關等，以區(qū)分駕駛員，并且可以針對每個駕駛員，存儲前述清醒狀態(tài)峰頻率。
在接下來的步驟S250中，根據(jù)步驟S240中所估計的清醒狀態(tài)峰頻率，設置清醒程度指標頻帶α和困倦程度指標頻帶β。將清醒程度指標頻帶α設置為相對于所估計的清醒狀態(tài)峰頻率具有±0.05Hz的帶寬。例如，對于圖6的情況，由于將清醒狀態(tài)峰頻率估計在1.07Hz，清醒程度指標頻帶α具有1.02Hz的下限頻率和1.12Hz的上限頻率。由于清醒程度指標頻帶α包括清醒狀態(tài)峰頻率，當駕駛員的清醒程度較高時，屬于清醒程度指標頻帶α的譜信號的強度變高。換句話說，清醒程度指標頻帶α中的譜信號的強度是駕駛員的清醒程度的指標。
將對困倦程度指標頻帶β的設置進行描述。如上所述，由于駕駛員的心率隨著駕駛員困倦程度的增加而下降，表示心跳信號的頻率分量的分布的譜信號的峰向低頻率側移動。本申請的發(fā)明人進行了以下的測量，以確定最為精確地表示每個駕駛員的困倦程度的頻帶。
首先，本發(fā)明人是多個駕駛員操作駕駛模擬器，并測量在操作期間車輛的橫向偏移量。橫向偏移量，稱為工作性能(WP)被用作駕駛員困倦程度的客觀指標。此外，同時測量駕駛員的心跳信號，并對心跳信號進行FFT處理，以計算譜信號。調查車輛的橫向偏移量的變化(即，WP的變化)與譜信號的每個頻率的信號強度的變化之間的相關性。圖9示出了調查的結果。圖9是車輛的橫向偏移量的變化(即，工作性能(WP)的變化)與譜信號的每個頻率的信號強度的變化之間的相關性的曲線圖。
參照圖9，在清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)處，與WP的相關系數(shù)最小化。這意味著當橫向偏移量變大(WP較小)時，清醒狀態(tài)峰頻率的信號強度下降，以及當橫向偏移量變大(WP較大)時，清醒狀態(tài)峰頻率的信號強度增加。
在圖9所示的示例中，與清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)相反，在大約為0.91Hz的頻率(Fmax)處，與WP的相關系數(shù)最大化。設置困倦程度指標頻帶β以具有相對于0.91Hz的預定帶寬，因此，屬于困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度是駕駛員的困倦程度的指標。
對于多個駕駛員，調查前述WP與譜信號的每個頻率的信號強度之間的相關性，如圖10所示，顯而易見的是，與WP的相關系數(shù)達到最大值的頻率(Fmax)變化較大(1.03±0.12Hz)。因此，如果將特定的頻帶簡單地設置為困倦程度指標頻帶β，困倦程度的指標的精確度各個駕駛員之間有較大變化。圖10是多個駕駛員的特征曲線的曲線圖，每個曲線表明了車輛橫向偏移量的變化與譜信號的每個頻率的信號強度的變化之間的相關性。
為了直接獲得與WP的相關系數(shù)達到最大的頻率(Fmax)，如上所述，需要對WP進行測量。換句話說，僅對心跳信號進行測量的系統(tǒng)，如本實施例一樣，不能直接獲得與WP的相關性達到其最大值的頻率(Fmax)。因此，需要通過可測量的心跳信號，以較高的精確度直接獲得與WP的相關性最大的頻率(Fmax)。為此目的，本申請的發(fā)明人調查了在將每個駕駛員的清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)歸一化為1Hz時，與WP的相關性最大的頻率(Fmax)的變化范圍。在這種情況下，顯而易見的是，與WP的相關性最大的頻率(Fmax)的變化范圍變窄。在圖1 1的示例中，與WP的相關性最大的每個頻率(Fmax)均屬于0.83±0.03Hz的范圍。
因此，將與清醒狀態(tài)峰頻率成預定比例的頻率設置為前述與WP的相關性最大的頻率(Fmax)。于是，將相對于該頻率的頻帶設置為困倦程度指標頻帶β。
圖12示出了在將清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)歸一化為1Hz時，屬于每個頻帶(0.65到0.70Hz、0.70到0.75Hz、0.75到0.80Hz、0.80到0.85Hz以及0.85到0.90Hz)的譜信號的強度與WP之間的相關性。甚至屬于0.65到0.70Hz的頻帶的譜信號的強度與WP之間的相關性也超過0.84。尤其是在0.75到0.90Hz的頻帶中，與WP的相關性超過0.9，在0.80到0.85Hz的頻帶，與WP的相關性最大。圖13是示出了屬于0.80到0.85Hz的頻帶的譜信號的強度的變化和WP的變化的時間圖。從圖13清楚的是，強度和WP具有幾乎相同的變化趨勢。
根據(jù)圖12和13的結果，將65到90％，優(yōu)選地75到90％，更為優(yōu)選地80到85％的范圍內的數(shù)值用作用于計算與WP的相關性最大的頻率(Fmax)的、與清醒狀態(tài)峰頻率(Fmin)的預定比值。因此，能夠精確地獲得與WP的相關性最大的頻率(Fmax)。在計算出與WP的相關性最大的頻率(Fmax)之后，按照這種方式，將具有相對于此頻率的±0.05Hz帶寬的頻帶設置為困倦程度指標頻帶β?？梢园凑諏⑶逍殉潭戎笜祟l帶α的上限和下限頻率分別乘以預定的比例來計算困倦程度指標頻帶β的上限和下限頻率的方式，對困倦程度指標頻帶β進行設置。
參照圖3的流程圖，當在步驟S230中，判斷從開始駕駛起所過去的時間長于T2時，處理進行到步驟S260，以便計算屬于如上設置的清醒程度指標頻帶α的譜信號的強度αp。然后，在步驟S270中，計算屬于困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度βp。然后，在步驟S280中，利用以下等式計算困倦程度評估參數(shù)Sp。
Sp＝βp/(αp+βp)利用此等式計算的困倦程度評估參數(shù)Sp考慮了駕駛員的清醒程度和困倦程度。困倦程度評估參數(shù)Sp連續(xù)地表示0(最大清醒程度)和1(最大困倦程度)之間的困倦程度。因此，能夠通過困倦程度評估參數(shù)Sp的數(shù)值，直接評估駕駛員的困倦程度。
上面，已經(jīng)對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述。但是，根據(jù)本發(fā)明的困倦程度檢測設備并不局限于前述實施例，而且可以對其進行多種修改。
例如，在前述實施例中，通過屬于清醒程度指標頻帶α和困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度αp和βp來計算困倦程度評估參數(shù)Sp?？梢灾桓鶕?jù)屬于困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度βp來檢測駕駛員的困倦程度。當駕駛員的清醒程度較高時，心跳很少下降。包括在心跳信號中的低頻分量微不足道，因此屬于困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度βp變低。另一方面，隨著駕駛員困倦程度的增加，心率的下降變得可以察覺，而且包括在心跳信號中的低頻分量增加。因此，困倦程度指標頻帶β中的譜信號的強度βp增加。由于困倦程度指標頻帶β中的譜信號的強度βp與困倦程度相關，可以只通過屬于困倦程度指標頻帶β的譜信號的強度βp來檢測駕駛員的困倦程度。
在前述實施例中，清醒程度指標頻帶α和困倦程度指標頻帶β具有0.1Hz的帶寬，但是其帶寬并不局限于0.1Hz。此外，在前述實施例中，將在從駕駛員開始駕駛起時間過去了等于或長于T1并等于或短于T2的時間段內所檢測到的譜信號的峰頻率估計為清醒狀態(tài)峰頻率。但是，可以在駕駛員開始駕駛之后，重復地計算譜信號的峰頻率。當在預定時間段內的峰頻率的最大和最小值之間的差等于或小于預定值時，可以將該時間段內的峰頻率的平均值設置為清醒狀態(tài)峰頻率。當駕駛員處于緊張或困倦狀態(tài)時，心跳信號的波峰之間的間隔徘徊或改變。相反，當譜信號的峰頻率的變化較小時，則認為駕駛員既不感到緊張也不感到困倦。因此，可以通過其最大和最小值之間的差來判斷峰頻率的變化量。當變化量較小時，可以將峰頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率。
本發(fā)明的描述實質上只是示例性的，因此，傾向于將并未偏離本發(fā)明的精髓的變化包括在本發(fā)明的范圍內。這種變化并不被認為是偏離本發(fā)明的精神和范圍的。
權利要求
1.一種困倦程度檢測設備，包括檢測裝置，用于檢測測試對象的心跳信號；計算裝置，用于對心跳信號進行頻率分析，并計算表示包括在心跳信號中的頻率分量的分布的譜信號；以及評估裝置，在譜信號中，相對于測試對象清醒狀態(tài)的清醒狀態(tài)峰頻率，將具有比清醒狀態(tài)峰頻率低的頻率的頻帶設置為用于表示困倦程度的困倦程度指標頻帶，并根據(jù)困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度，來評估測試對象的困倦程度。
2.按照權利要求1所述的困倦程度檢測設備，其特征在于所述計算裝置將心跳信號轉換為只具有位于心跳信號的最大峰位置處的峰的信號，并對轉換后的信號進行頻率分析。
3.按照權利要求1或2所述的困倦程度檢測設備，其特征在于當測試對象操作預定設備時，所述評估裝置評估測試對象的困倦程度，并將從測試對象開始操作預定設備開始過去預定時間時的譜信號的峰頻率設置為清醒狀態(tài)峰頻率。
4.按照權利要求3所述的困倦程度檢測設備，其特征在于通過平均多個譜信號的峰頻率，來計算清醒狀態(tài)峰頻率，其中從測試對象開始操作預定設備開始已經(jīng)過去預定時間的時間點開始，針對預定的檢測時間，計算所述多個譜信號。
5.按照權利要求3所述的困倦程度檢測設備，其特征在于從100秒到500秒的范圍內選擇所述預定時間。
6.按照權利要求1所述的困倦程度檢測設備，其特征在于所述評估裝置將包括清醒狀態(tài)峰頻率在內的頻帶設置為清醒程度指標頻帶，并利用清醒程度指標頻帶和困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度來評估測試對象的困倦程度。
7.按照權利要求6所述的困倦程度檢測設備，其特征在于所述評估裝置計算困倦程度評估參數(shù)，困倦程度評估參數(shù)的分母是清醒和困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度的總和，而困倦程度評估參數(shù)的分子是困倦程度指標頻帶中的譜信號的強度。
8.按照權利要求6或7所述的困倦程度檢測設備，其特征在于將清醒程度指標頻帶設置為以清醒狀態(tài)峰頻率為中心，具有±0.05Hz的帶寬。
9.按照權利要求6或7所述的困倦程度檢測設備，其特征在于設置困倦程度指標帶寬，從而包括清醒狀態(tài)峰頻率的65到90％的任意頻率。
10.按照權利要求1或2所述的困倦程度檢測設備，其特征在于當測試對象操作預定的設備時，所述評估裝置評估測試對象的困倦程度，在測試對象開始操作預定的設備之后，所述評估裝置可以重復計算譜信號的峰頻率，當在預定時間段內的最大峰頻率和最小峰頻率之間的差等于或小于預定值時，將此時間段內的峰頻率的平均值設置為清醒狀態(tài)峰頻率。
11.按照權利要求3所述的困倦程度檢測設備，其特征在于所述評估裝置在每次測試對象開始操作設備時，計算清醒狀態(tài)峰頻率，并且所述評估裝置根據(jù)最后的清醒狀態(tài)峰頻率和過去的清醒狀態(tài)峰頻率，確定最終的清醒狀態(tài)峰頻率。
全文摘要
一種困倦程度檢測設備，當從開始駕駛起所過去的時間等于或長于T1并等于或短于T2時，檢測心跳信號。對心跳信號進行FFT處理，以獲得譜信號。通過使用譜信號的峰頻率，估計駕駛員清醒狀態(tài)峰頻率。相對于清醒狀態(tài)峰頻率，設置清醒程度指標頻帶α。相對于通過將清醒狀態(tài)峰頻率與預定比例(65到90％)相乘計算而得的頻率，設置困倦程度指標頻帶β。利用譜信號的強度αp和βp，計算用于表示駕駛員的困倦程度的困倦程度評估參數(shù)Sp(＝βp/ (αp+βp))。
文檔編號A61B5/18GK1572575SQ200410044788
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月18日 優(yōu)先權日2003年5月27日
發(fā)明者河內泰司, 中川剛, 伊藤晶子, 義則毅 申請人:株式會社電裝