BÁO cáo NGHIÊN cứu KHOA học kĩ THUẬT THIẾT bị CẢNH báo BUỒN NGỦ tự ĐỘNG THÔNG QUA TRẠNG THÁI của mắt DÀNH CHO NGƯỜI THAM GIA GIAO THÔNG

Cuộc thi khoa học kỹ thuật cấp Quốc gia dành cho học sinhtrung học năm  Đơn vị dự thi: Trường THPT chuyên Lê Hồng Phong Tên đề tài THIẾT BỊ CẢNH BÁO BUỒN NGỦ TỰ ĐỘNG THÔNG QUA TRẠNG THÁI CỦA MẮT DÀNH CHO NGƯỜI THAM GIA GIAO THÔNG Lĩnh vực dự thi KT điện – Cơ khí Đề tài số: 12 Tác giả LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC Phần 1: TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN .5 Phần 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Giới thiệu tổng quan vấn đề nghiên cứu Ý nghĩa nghiên cứu Phần 3: GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU I II Giả thuyết khoa học Tổng quan cấu tạo mắt tượng .9 Tổng quan ngôn ngữ lập trình Python 15 Tổng quan thư viện OpenCV .17 Raspberry Pi B+ 20 Mục đích nghiên cứu 23 Phần 4: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 I II III Kế hoạch nghiên cứu 24 Chi tiết trình nghiên cứu 24 Ngơn ngữ lập trình 24 Tìm hiểu chọn lọc câu lệnh OpenCV .25 Nghiên cứu camera .29 Cài đặt khởi động Raspberry Pi 31 Tiến hành thử nghiệm .35 Phần 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 I II Kết nghiên cứu 45 Chương trình .45 Mắt kính 54 Thảo luận 57 Phần 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .59 Phần 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO .60 PHỤ LỤC 61 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cấu tạo mắt thường người 12 Hình 2: Cơ trực .13 Hình 3: Tròng đen mắt mở 14 Hình 4: Khi nhắm mắt, khơng có sự xuất trịng đen 14 Hình 5: Guido van Rossum 15 Hình 6: Khối lệnh C++ .16 Hình 7: Khối lệnh Python 16 Hình 8: OpenCV dựa cấu trúc IplImage 19 Hình 9: OpenCV dựa cấu trúc cv::Mat 19 Hình 10: Eben Upton .20 Hình 11: Hai Model B B+ 21 Hình 12: Raspberry Pi B+ .23 Hình 13: Khơng gian màu BGR 26 Hình 14: Không gian màu CMYK .27 Hình 15: Khơng gian màu HSV 28 Hình 16: Đường trịn biểu diễn màu sắc .28 Hình 17: Camera Colorvis 29 Hình 18: Đèn hồng ngoại 30 Hình 19: Camera hờng ngoại North 30 Hình 20: Màn hình Raspi – config để thiết lập cho RPi …………………………… 32 Hình 21: Hệ điều hành Raspbian cài đặt thành công 33 Hình 22: OpenCV cài đặt thành cơng Raspbian 34 Hình 23: Hình ảnh camera nhận vào ban đên 35 Hình 24: Đoạn code sử dụng thư viện mp3play 36 Hình 25: Lỡi dùng thư viện mp3play 37 Hình 26: Đoạn code sử dụng thư viên pymedia 38 Hình 27: Lỡi dùng thư viện pymedia 39 Hình 28: Dịng lệnh để tập tin py tự động 40 Hình 29: RPi báo lỡi khơng tự động thực thi tập tin py .41 Hình 30: Tự đợng thành cơng giao diện LXDE 42 Hình 31: Pin Samsung ARUN 3000mAh 43 Hình 32: Pin Samsung ARUN 6000mAh 44 Hình 33: Hình ảnh lúc mắt mở camera chụp lại ở khơng gian màu BGR 45 Hình 34: Hình ảnh sau chuyển từ không gian màu BGR sang HSV 45 Hình 35: Hình ảnh lúc mắt nhắm camera chụp lại ở không gian màu BGR 46 Hình 36: Hình ảnh sau chuyển từ khơng gian màu BGR sang HSV 46 Hình 37: Đoạn code 47 Hình 38: Đoạn code giúp bỏ qua tượng chớp mắt thông thường 48 Hình 39: Đoạn code giúp khơng cịn hạn chế đợ phân giải camera 49 Hình 40 : Đoạn code khắc phục ảnh hưởng ánh sáng 49 Hình 41 : Đoạn code truyền tín hiệu đến tai nghe để phát âm 50 Hình 42 : Đoạn code dừng chương trình 50 Hình 43 : Hình ảnh sau chuyển từ không gian màu BGR sang HSV 51 Hình 44 : Hình ảnh sau chuyển từ không gian màu BGR sang HSV 51 Hình 45 : Tính diện tích điểm ảnh sau chuyển khơng gian màu 52 Hình 46 : Hình ảnh camera nhận mắt nhắm 53 Hình 47 : Play sound để báo hiệu nguy hiểm .53 Hình 48 : Mơ hình sản phẩm 55 Hình 49 : Sản phẩm hồn thiện 56 Hình 50 : Thử nghiệm mơ hình sản phẩm mặt bạn Thảo Linh 56 LỜI CẢM ƠN - Cảm ơn ba mẹ gia đình ủng hợ đợng viên suốt q trình nghiên cứu - Cảm ơn nhà trường tạo điều kiện tham gia sân chơi bổ ích - Cảm ơn thầy, tận tình dẫn giúp đỡ chúng em trình nghiên cứu Phần 1: TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN Thiết bị cảnh báo buồn ngủ tự động thông qua trạng thái mắt dành cho người tham gia giao thông hoạt động dựa sự khác giữahai tượng nhắm mở mắt: mở, tròng đen mắt có diện tích lớn mắt có xu hướng nhắm Tất hình ảnh mắt sẽ mợt camera siêu nhỏ đặt bên mắt kính thu nhận truyền đến mợt chương trình xử lý tích hợp máy tính mini Raspberry Pi B+ Nếu hình ảnh nhận mắt nhắm, chương trình sẽ gửi thông tin đến tai nghe báo hiệu nguy hiểm Câu hỏi nghiên cứu Làm để viết nên mợt chương trình nhận diện trạng thái mắt rơi vào tượng buồn ngủ tự đợng hóa thiết bị? Cơng việc thực hiện Bằng cách sử dụng thư viện OpenCV, thư viện Pygame kết hợp với ngơn ngữ lập trình Python, chương trình viết để nhận diện trạng thái mắt nhắm – mở cải tiến để bỏ qua tượng chớp mắt thông thường người, khắc phục một vài nhược điểm độ phân giải camera.Thiết bị thử nghiệm mắt người cho kết khả quan Phần 2: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu Hiện nay, tai nạn xảy lái xe tình trạng bị mệt mỏi thiếu ngủ Theo thống kê, Đức mỡi năm có khoảng 3.000 tai nạn gây người tham gia giao thông bị mệt mỏi sức Tại Mỹ, theo Cơ quan An tồn giao thơng quốc gia (NHTSA), số lớn nhiều: mỡi năm có đến 100,000 tai nạn mệt mỏi lái xe, khiến 1,500 người chết mỡi năm Các nhà khoa học ước tính khoảng 1020% tai nạn nghiêm trọng xảy người lái xe ngủ gật Riêng ở Việt Nam, theo số liệu thống kê Cục Cảnh sát Giao thông Đường bộ - Đường sắt, số vụ tai nạn giao thông đặc biệt nghiêm trọng lái xe ngủ gật chiếm tới khoảng 30% tổng số tai nạn Khi buồn ngủ, trạng thái sinh lý, giác quan phản xạ người điều khiển xe sẽ chậm lại, độ tỉnh táo giảm, dễ căng thẳng khả xử lý tình kém Các tượng thường thấy ở một tài xế bị coi ngủ gật gờm nhắm mắt thay chớp mắt, đầu lắc lư phía trước rời gật gù phía sau, ánh mắt thường đờ đẫn tập trung hướng một điểm cố định, Nguyên nhân tình trạng b̀n ngủ lái xe chủ yếu bởi tài xế thiếu ngủ hoặc thể mệt mỏi sức Theo anh Trương Quốc Khanh (42 tuổi, ngụ quận Thủ Đức, tài xế bỏ nghề) cho biết anh nhiều lần suýt gây tai họa cho người đường buồn ngủ, sau lần anh định bỏ nghề Anh Trần Quốc Nam - tài xế xe container doanh nghiệp Q.T (quận 2) - hé lộ nguyên nhân: “Nhiều lúc cầm vô lăng mắt lim dim, muốn chợp mắt một lát lại sợ ngủ quên, đến cấm lại không vào thành phố, nên dù buồn ngủ cố chạy” Theo nhận định một cán bộ cảnh sát giao thông công an quận 2, thời gian qua đơn vị chức liên tục quân kiểm tra xe khổ, tải nên nhiều doanh nghiệp vận tải thay đổi phương thức nhằm đối phó với quan chức cho tài xế nghỉ ban ngày tăng cường chạy vào ban đêm Tuy nhiên, tài xế chạy xe tải, xe container tuổi đời trẻ, ban ngày có thời gian rảnh rỡi họ thường tâm vào vui chơi, đến tối tranh thủ chợp mắt vài tiếng rồi phải chạy xe nên thiếu ngủ điều tất yếu Trước thực trạng đó, có khơng nhà khoa học tiến hành nghiên cứu để tìm cách phịng tránh Mợt nhóm nhà nghiên cứu đến từ Đại học Trent (Canada) đề xuất một giải pháp tích hợp hệ thống cảm biến đo nhịp tim ghế ngồi nhằm phát người lái xe có dấu hiệu b̀n ngủ để đưa cảnh báo kịp thời (1) Bên cạnh đó, mợt số nghiên cứu khác hướng đến việc đọc sóng điện não(2) Nhìn chung, hai cơng trình (1),(2) sẽ đạt đến đợ xác cao can thiệp trực tiếp vào hoạt động tim não bộ, phần sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe đối tượng sử dụng can thiệp trực tiếp Với nghiên cứu từ cơng trình (1), hệ thống cảm biến đo nhịp tim phải phụ thuộc vào loại xe điều khiển ghế ngồi Để gắn vào ghế ngồi, hệ thống cảm biến phải nhỏ, gọn, cảm biến nguyên liệu dệt ghế để tránh gây cảm giác khó chịu cho người lái xe Ngoài ra, thiết bị phải liên tục đo lường nhịp tim tài xế – liền, điều sẽ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người bị bệnh tim huyết áp Cịn nghiên cứu từ cơng trình (2), để đảm bảo tính xác, phương pháp đọc sóng điện não phải thực cách cấy điện cực vào não bộ, nhiên điện cực trì, gây tổn hại đến tổ chức xung quanh Hay thiết bị lắp đặt bên ngồi tránh tổn thương thể, nhiên vật liệu cố định điện cực chất silicone, kết hợp một cách chặt chẽ với bộ phận đầu, khoảng cách điện cực 1cm, đợ nhạy thấp Từ mặt hạn chế công trình nghiên cứu (1), (2), chúng tơi có ý tưởng sử dụng camera mini để ghi lại hình ảnh mắt kết hợp với thư viện OpenCV, thư viện Pygame ngơn ngữ lập trình Python để phát hiện tượng ngủ gật người lái xe Khác với hai cơng trình nghiên cứu trên, để nhận biết tượng ngủ gật, dùng một đoạn code đơn giản việc xác định điểm ảnh tính diện tích điểm ảnh đó, kết hợp với mợt camera thu nhận hình ảnh, mợt tai nghe báo hiệu nguy hiểm mợt máy tính mini Raspberry Pi B+ trung tâm xử lý liệu Về bố cục, báo cáo bao gồm: Phần 1: TÓM TẮT NỘI DUNG DỰ ÁN Phần 2: GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Phần 3: GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ PHÁT BIỂU MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Phần 4: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU Phần 5: SỐ LIỆU, KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Phần 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Phần 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO Đề tài bắt đầu từ tháng 9/2014, tính đến nghiên cứu tháng Ý nghĩa nghiên cứu - Nếu nghiên cứu thành cơng, thiết bị sẽ góp phần làm giảm tai nạn giao thông gây tượng ngủ gật, sự mệt mỏi sức người lái xe - Người điều khiển xe sẽ không cần phải dùng chất kích thích cà phê, thuốc lá… có hại cho sức khỏe sử dụng thời gian dài - Thiết bị nhằm mục đích chủ yếu phát hiện tượng ngủ gật, đó, thiết bị ứng dụng vào mục đích khác như: phát học sinh ngủ gật học, đánh giá lực giáo viên… ... ÁN Thiết bị cảnh báo b̀n ngủ tự động thông qua trạng thái mắt dành cho người tham gia giao thông hoạt động dựa sự khác giữahai tượng nhắm mở mắt: mở, trịng đen mắt có diện tích lớn mắt. .. THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Giới thiệu tổng quan vấn đề nghiên cứu Ý nghĩa nghiên cứu Phần 3: GIẢ THUYẾT KHOA HỌC VÀ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU I II Giả thuyết khoa học ... nhận diện trạng thái mắt nhắm – mở cải tiến để bỏ qua tượng chớp mắt thông thường người, khắc phục một vài nhược điểm độ phân giải camera .Thiết bị thử nghiệm mắt người cho kết khả quan Phần