日期：2022-12-02
近年來，由于駕駛員的健康狀況導致的事故不斷增加。預防措施更加需要。因此，我們開發(fā)了使用微波傳感器的車載脈搏傳感器。我們將這種脈搏傳感器安裝在駕駛座上，即使在駕駛時受到很大干擾的狀態(tài)下也能成功，讓您準確估計駕駛者的脈搏率。在本文中，我們講述了有效的信號處理算法，以保持作為車載脈搏傳感器的測量精度。
脈搏傳感器一、脈搏測量原理
在無線電波型脈搏傳感器的情況下，電磁波(微波)從發(fā)送天線Tx輻射到體表，并且反射波被接收天線Rx接收。微波傳感器產(chǎn)生要發(fā)射的發(fā)射波，并在發(fā)射波和接收波混合后輸出I和Q信號。MPU通過A/D轉(zhuǎn)換器對I和Q的模擬信號進行采樣，從I和Q信號中檢測體表的細微運動，從而估計脈搏率。發(fā)射波、接收波和混頻后信號的理論公式由式(1)-(3)表示，I和Q輸出信號的理論公式由式(4)和(5)給出基于等式(3)，僅保留包括低頻多普勒角速度的項，并將 Q 輸出的相位相對于 I 輸出延遲 π/2。
脈搏傳感器二、發(fā)展目標
本次開發(fā)的脈搏傳感器的外觀如圖 4 所示，主要規(guī)格如表 1 所示。如圖2所示，SPI通信設置微波傳感器和加速度傳感器的寄存器進行控制，同時還從加速度傳感器獲取加速度數(shù)據(jù)。加速度數(shù)據(jù)用于檢測由施加到傳感器的沖擊引起的干擾。我們這次開發(fā)的脈搏傳感器可以通過CAN通訊與外部單元配合使用。這種配置實現(xiàn)了小型化，從而可以將脈搏傳感器內(nèi)置到座椅中。此外，我們的開發(fā)目標是實現(xiàn)表 1 所示的有關(guān)脈搏檢測范圍和估計精度的規(guī)格。
脈搏傳感器三、技術(shù)內(nèi)容
我們開發(fā)的脈搏傳感器基于分析無線電波傳感器的IQ Lissajous輸出行為以估計體表運動的技術(shù)。為此，我們準備了一個分析工具，該工具可以觀察 IQ Lissajous，如圖 6 所示，用于開發(fā)。作為評價基準，另外使用能夠檢測容積脈搏波的耳夾式脈搏傳感器作為基準傳感器。以下，將利用微波多普勒傳感器推定的脈搏值稱為“MDS值”，將利用基準傳感器推定的脈搏值稱為“基準(Ref.)值”。通過評估 MDS 值和參考值之間的 RMS(均方根)誤差來顯示脈率估計精度。
脈搏傳感器四、脈動同步檢測
為了從被干擾中提取脈動信號，我們開發(fā)了自己的同步檢測算法。圖 8 顯示了它的輪廓。從觀察體表運動的多普勒角速度信號中提取與脈動的周期分量同步的信號作為脈動信號，并從信號中檢測脈搏以計數(shù)脈搏數(shù)以估計每分鐘的脈搏率(每分鐘)。我們開發(fā)的算法提供關(guān)于估計脈搏率的反饋，以生成模型脈搏波信號，通過串行處理與實際脈動信號同步。模型脈搏波信號通過參照預先存儲了相對于每個脈搏率的脈搏波特性的表來生成。取該模型脈搏波信號與自適應濾波處理后的脈搏信號之間的差值，并更新自適應濾波器的系數(shù)以使該差值的均方最小。通過該操作，自適應濾波處理后的脈動信號與實際的脈動信號同步。
脈搏傳感器五、呼吸諧波的消除
由于我們開發(fā)的算法與周期信號同步，因此可能會錯誤地與脈動以外的周期信號同步。身體呼吸運動是體表的周期性信號。雖然我們假設呼吸體運動可以通過帶通濾波器分離，因為它的頻率低于脈動，但由于脈動的變化相對于呼吸的變化非常微妙，甚至呼吸周期的諧波分量也會影響檢測脈動顯著，有必要控制這種呼吸諧波分量。
脈搏傳感器六、濾波器配置
顯示了消除呼吸諧波的算法的概要。與同步檢測方法的情況一樣，處理由自適應濾波器配置。從多普勒角速度信號中提取呼吸分量以估計其諧波。呼吸諧波通過自適應濾波器，取其與多普勒角速度信號的差值，并更新自適應濾波器的系數(shù)，使該差值的均方最小。另外，將求出差分的信號作為消除了呼吸諧波的信號輸出。由于通過該操作抑制了多普勒角速度信號中的呼吸諧波分量。
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