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문제 정의
- 각성상태일 때와 졸음상태일 때의 호흡신호 변화를 보기 위하여 30세 남자 운전자를 대상으로 특성실험을 수행하였다. 특성실험을 위해 1분 동안 운전자 호흡 신호에서 peak와 호흡률을 추출하여 분석한 결과, 각성상태일 때의 평균 peak는 2.
- 그러나 전기용량성 압전센서나 PVDF 압전 필름센서가 부착된 의류의 경우 생체신호를 얻기 위해 이런 센서들이 장착된 고가의 특수한 의복을 필요로 하는 단점이 있고 광섬유 호흡센서의 경우는 측정 감도는 우수 하나 부서지기 쉬운 단점이 있어 운전자 졸음 예측에 응용이 매우 어렵다. 본 연구에서는 저가이고 단순한 구조의 호흡기반의 운전자 졸음 감지 시스템에 관한 연구를 수행하였다. 호흡기반 운전자 졸음 감지 시스템은 운전자 복부 부분의 안전벨트에 장착된 압력센서와 신호처리용 개인용 컴퓨터(PC)로 구성되어있어 저가의 단순한 구조(Fig.
- 운전자의 호흡신호로부터 추출된 peak와 호흡률을 기반으로 한 단순하고 저가인 운전자 졸음감지 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 운전자 졸음 감지 시스템은 운전자 안전벨트의 복부 부분에 설치된 운전자의 호흡을 전기신호로 변환하는 압력 센서와 신호처리용 PC로 구성되어있다.
제안 방법
- 그래서 이 평균값들을 사용하여 기준치들을 만든다. 본 연구에서는 peak의 기준치는 정상인의 졸음 상태일 때의 peak가 각성상태일 때의 약 83% 정도 작아진다는 이전 연구결과[9]를 기준으로 설정하고, 호흡률의 기준치는 이전 연구결과에 따르면 각성상태일 때의 호흡률이 졸음상태일 때의 호흡률보다 작다는 언급만 있고 정확한 값을 정의하지 않아서 실험결과를 기반으로 설정한다. 기준치들이 설정된 후 센서로부터 입력되는 호흡신호로부터 운전자의 현재 호흡률과 peak를 추출한다.
- 졸음상태로 판단되면 자동으로 안전벨트에 진동을 주거나 오디오의 볼륨을 갑자기 증가시켜 운전자가 각성상태로 되돌아오게 한다. 본 연구에서는 peak의 기준치는 초기 5분 동안 측정한 운전자 호흡 최대 크기 평균값의 83%로 설정하였고, 호흡률의 기준치도 5분 동안 측정한 호흡률 평균값의 107%로 설정 하여 사용하였다.
- 이 시뮬레이터는 운전석(캐빈), 3채널 32인치 영상 LCD 디스플레이, 메인 컴퓨터, 비주얼 컴퓨터와 신호처리컴퓨터가 들어있는 미니랙, 2축 서버 시스템의 모션플렛폼 등으로 구성돼있다. 운전자 호흡신호를 얻기 위한 압력센서는 차량 시뮬레이터에 있는 안전벨트에 장착하였고 미니랙에 있는 신호처리용 컴퓨터를 사용하여 운전자 호흡에 관련된 신호들을 분석하였다. 운전자의 호흡 신호는 해상도가 16bit인 DAQ(data acquisition)를 사용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하였고 이때 Sampling 주파수는 100Hz를 사용하였다.
- 운전자 호흡신호를 얻기 위한 압력센서는 차량 시뮬레이터에 있는 안전벨트에 장착하였고 미니랙에 있는 신호처리용 컴퓨터를 사용하여 운전자 호흡에 관련된 신호들을 분석하였다. 운전자의 호흡 신호는 해상도가 16bit인 DAQ(data acquisition)를 사용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하였고 이때 Sampling 주파수는 100Hz를 사용하였다. 그리고 디지털로 변환된 신호에서 운전자 졸음 감지를 위한 신호처리는 Labview으로 제작되었다.
- 제일 먼저 우수한 호흡신호를 얻기 위하여 센서의 장착 위치선정을 위한 실험을 수행하였다. 위치선정을 위해 한 개의 압력센서를 가슴 부분에 있는 안전벨트에 설치하였고, 다른 압력센서는 복부 부분의 안전벨트에 설치하였다. 가슴 부분에 설치된 압력센서에서는 아주 미약한 호흡 전기신호가 검출되었으며 복부 부분에 설치된 압력센서에서 크기가 매우 큰 호흡 전기신호를 검출하였다.
- 운전자의 호흡신호를 전기신호로 변환하기 위해 사용된 압력센서는 약 30cm 길이의 PDF 압력센서를 사용하였다. 제일 먼저 우수한 호흡신호를 얻기 위하여 센서의 장착 위치선정을 위한 실험을 수행하였다. 위치선정을 위해 한 개의 압력센서를 가슴 부분에 있는 안전벨트에 설치하였고, 다른 압력센서는 복부 부분의 안전벨트에 설치하였다.
- 1)로 되어 있다. 측정방법은 예측의 정확도를 높이기 위하여 측정된 운전자의 호흡신호에서 호흡의 최대크기와 호흡률을 계산하고 이를 기준으로 운전자의 졸음을 감지한다.
대상 데이터
- 30세 남자 운전자의 호흡 데이터를 사용하여 운전자 졸음 감지 시스템의 응답시간을 조사(그림 6)하였다. 실험에서 사용된 peak 기준치는 2.
- 안전벨트에 설치되는 압력센서는 호흡으로 운전자 복부의 크기가 변하게 되고 이를 안전벨트에 장착된 압력센서가 감지하여 전기신호로 변환한다. 본 연구에서 사용된 압력센서(Interlink Electronics FSR408)는 인가되는 압력이 증가하면 저항 값이 작아지는 Robust Polymer Thick Film(PTF) 압력센서로 센서의 저항 값(R센서)은 아래의 수식으로 표시된다.
- 운전자 졸음 감지 시스템은 운전자 안전벨트의 복부 부분에 설치된 운전자의 호흡을 전기신호로 변환하는 압력 센서와 신호처리용 PC로 구성되어있다. 시스템의 특성들을 조사하기 위하여 30세 남자 운전자와 차량 시뮬레이터를 사용하였고. 이전 연구결과처럼 30세 운전자의 경우 졸음상태일 때의 peak 값이 각성상태일 때보다 83% 이하 보다 작았으며, 호흡률은 10% 이상 더 빨랐고 응답시간은 8.
- 운전자 졸음 감지 시스템의 특성을 조사하기 위해 그림 4의 (주)이노시뮬레이션에서 제작한 차량 시뮬레이터(모델명: iDrive CDS)와 실험데이터의 객관성을 확보하기 위하여 카메라와 시선추적 졸음 감지 장치를 사용하였다. 이 시뮬레이터는 운전석(캐빈), 3채널 32인치 영상 LCD 디스플레이, 메인 컴퓨터, 비주얼 컴퓨터와 신호처리컴퓨터가 들어있는 미니랙, 2축 서버 시스템의 모션플렛폼 등으로 구성돼있다.
- 운전자의 호흡신호를 전기신호로 변환하기 위해 사용된 압력센서는 약 30cm 길이의 PDF 압력센서를 사용하였다. 제일 먼저 우수한 호흡신호를 얻기 위하여 센서의 장착 위치선정을 위한 실험을 수행하였다.
- 운전자 졸음 감지 시스템의 특성을 조사하기 위해 그림 4의 (주)이노시뮬레이션에서 제작한 차량 시뮬레이터(모델명: iDrive CDS)와 실험데이터의 객관성을 확보하기 위하여 카메라와 시선추적 졸음 감지 장치를 사용하였다. 이 시뮬레이터는 운전석(캐빈), 3채널 32인치 영상 LCD 디스플레이, 메인 컴퓨터, 비주얼 컴퓨터와 신호처리컴퓨터가 들어있는 미니랙, 2축 서버 시스템의 모션플렛폼 등으로 구성돼있다. 운전자 호흡신호를 얻기 위한 압력센서는 차량 시뮬레이터에 있는 안전벨트에 장착하였고 미니랙에 있는 신호처리용 컴퓨터를 사용하여 운전자 호흡에 관련된 신호들을 분석하였다.
이론/모형
- 압력센서에서 보내오는 운전자의 호흡정보로부터 운전자 호흡의 최대크기(peak)와 호흡률에 대한 정보를 유추하기 위해 호흡신호에서 peak를 찾는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서 신호의 peak를 찾기 위해 noise threshold digital peak detection 기술[14]을 사용하였다. noise threshold digital peak detection 기술은 threshold보다 큰 신호가 입력될 때부터 peak를 찾기 시작하다가 입력신호가 threshold보다 작은 신호가 입력될 때 peak 찾는 것을 멈춘다.
성능/효과
- 위치선정을 위해 한 개의 압력센서를 가슴 부분에 있는 안전벨트에 설치하였고, 다른 압력센서는 복부 부분의 안전벨트에 설치하였다. 가슴 부분에 설치된 압력센서에서는 아주 미약한 호흡 전기신호가 검출되었으며 복부 부분에 설치된 압력센서에서 크기가 매우 큰 호흡 전기신호를 검출하였다. 실험결과는 정확한 호흡신호를 수집하기 위해서 복부 부분의 안전벨트에 압력센서를 설치하는 것이 더욱 효과적이라는 것을 보여주었고 이를 바탕으로 특성실험들은 호흡신호를 복부 부분의 안전벨트에서 수집하는 것으로 진행하였다.
- 신뢰성이 높은 압력센서의 안전벨트 설치방법을 강구하면 더 빠른 응답 시간을 가지는 졸음감지 시스템을 개발 할 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 압력센서의 위치변화, 주변 노이즈 등에 의하여 오동작이 종종 발생하여 감지신뢰도를 나쁜 영향을 주었다. 이런 문제들을 해결하기 위한 기술개발에 대한 연구 및 운전자 거동 정보, 운전자 시선추적 정보로부터 졸음[15]을 예측하는 기술들 등과 융합한 새로운 기술 개발연구가 수행되어져야 한다.
- 두 오차 값은 측정값들과 비교하여 매우 작아서 무시하였다. 본 실험이 운전자 졸음 감지를 위해 사용되는 호흡률 기준치와 peak 기준치가 타당함을 보여 주었다.
- 예를 들면 복부 호흡이 아닌 흉부호흡의 peak를 검출할 방법을 연구해야 할 것이며 8초 이상의 응답시간을 더욱 빠르게 얻기 위해서는 신뢰성이 높은 압력센서를 안전벨트에 설치하는 방법이 추가적으로 연구 되어야한다. 본 연구는 수행 중 압력센서의 위치변화와 주변 노이즈로 인한 오동작이 종종 발생하여 가끔 감지 신뢰도에 나쁜 영향을 주었다. 그래서 향후에 감지 신뢰도를 높일 수 있는 방법에 대한 연구, 운전자 거동정보, 운전자 시선추적 정보 및 다른 생체신호로부터 졸음을 감지하는 기술 등과 융합한 새로운 기술개발에 대한 연구도 수행되어져야 할 것이다.
- 가슴 부분에 설치된 압력센서에서는 아주 미약한 호흡 전기신호가 검출되었으며 복부 부분에 설치된 압력센서에서 크기가 매우 큰 호흡 전기신호를 검출하였다. 실험결과는 정확한 호흡신호를 수집하기 위해서 복부 부분의 안전벨트에 압력센서를 설치하는 것이 더욱 효과적이라는 것을 보여주었고 이를 바탕으로 특성실험들은 호흡신호를 복부 부분의 안전벨트에서 수집하는 것으로 진행하였다.
- 각성상태일 때와 졸음상태일 때의 호흡신호 변화를 보기 위하여 30세 남자 운전자를 대상으로 특성실험을 수행하였다. 특성실험을 위해 1분 동안 운전자 호흡 신호에서 peak와 호흡률을 추출하여 분석한 결과, 각성상태일 때의 평균 peak는 2.931V이며 졸음상태일 때의 평균 peak는 각성상태의 83% 보다 작은 1.698V였다. 호흡률의 신호분석 결과는 각성상태일 때 평균 4.
- 698V였다. 호흡률의 신호분석 결과는 각성상태일 때 평균 4.615 초이었고 졸음상태일 때는 10% 이상 빨라진 4.138 초이었다. peak의 측정오차는 152uV이고, 호흡률의 측정오차는 20ms 이었다.
후속연구
- 본 연구는 수행 중 압력센서의 위치변화와 주변 노이즈로 인한 오동작이 종종 발생하여 가끔 감지 신뢰도에 나쁜 영향을 주었다. 그래서 향후에 감지 신뢰도를 높일 수 있는 방법에 대한 연구, 운전자 거동정보, 운전자 시선추적 정보 및 다른 생체신호로부터 졸음을 감지하는 기술 등과 융합한 새로운 기술개발에 대한 연구도 수행되어져야 할 것이다. 더 나아가 운전자 졸음에 의한 자동차 사고를 미연에 방지하기 위해 각성상태에서 졸음 상태로 변화하는 순간적 시점을 빠르게 감지하는 기술도 개발되어야 할 것이다.
- 그래서 향후에 감지 신뢰도를 높일 수 있는 방법에 대한 연구, 운전자 거동정보, 운전자 시선추적 정보 및 다른 생체신호로부터 졸음을 감지하는 기술 등과 융합한 새로운 기술개발에 대한 연구도 수행되어져야 할 것이다. 더 나아가 운전자 졸음에 의한 자동차 사고를 미연에 방지하기 위해 각성상태에서 졸음 상태로 변화하는 순간적 시점을 빠르게 감지하는 기술도 개발되어야 할 것이다.
- 이런 문제들을 해결하기 위한 기술개발에 대한 연구 및 운전자 거동 정보, 운전자 시선추적 정보로부터 졸음[15]을 예측하는 기술들 등과 융합한 새로운 기술 개발연구가 수행되어져야 한다. 더 나아가 운전자 졸음에 의한 자동차 사고를 미연에 방지하기 위해서는 각성상태에서 렘수면 상태로의 변화를 시작하는 시점을 감지하는 기술이 개발되어져야한다.
- 본 연구에서 개발한 졸음감지 시스템은 응답 시간이 조금 느린 편이다. 신뢰성이 높은 압력센서의 안전벨트 설치방법을 강구하면 더 빠른 응답 시간을 가지는 졸음감지 시스템을 개발 할 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 압력센서의 위치변화, 주변 노이즈 등에 의하여 오동작이 종종 발생하여 감지신뢰도를 나쁜 영향을 주었다.
- 하지만 아직 보안되어야 하는 점이 많이 있다. 예를 들면 복부 호흡이 아닌 흉부호흡의 peak를 검출할 방법을 연구해야 할 것이며 8초 이상의 응답시간을 더욱 빠르게 얻기 위해서는 신뢰성이 높은 압력센서를 안전벨트에 설치하는 방법이 추가적으로 연구 되어야한다. 본 연구는 수행 중 압력센서의 위치변화와 주변 노이즈로 인한 오동작이 종종 발생하여 가끔 감지 신뢰도에 나쁜 영향을 주었다.
- 특히 호흡의 경우, 각성상태일 때 수면상태(N1, N2, N3, 렘)일 때 보다 호흡의 크기가 크고 호흡 주파수가 빨라진다[9]. 이 사실이 호흡기반 운전자 졸음을 예측할 수 있는 복잡하지 않고 저가의 운전자 졸음감지 기술 개발 가능성을 보여 주었다.
- 그리고 압력센서의 위치변화, 주변 노이즈 등에 의하여 오동작이 종종 발생하여 감지신뢰도를 나쁜 영향을 주었다. 이런 문제들을 해결하기 위한 기술개발에 대한 연구 및 운전자 거동 정보, 운전자 시선추적 정보로부터 졸음[15]을 예측하는 기술들 등과 융합한 새로운 기술 개발연구가 수행되어져야 한다. 더 나아가 운전자 졸음에 의한 자동차 사고를 미연에 방지하기 위해서는 각성상태에서 렘수면 상태로의 변화를 시작하는 시점을 감지하는 기술이 개발되어져야한다.
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