CAPITOLO 6
SISTEMA ESPERTO PER IL RICONOSCIMENTO DEI
FENOMENI DI AFFATICAMENTO ALLA GUIDA
6.1 INTRODUZIONE
Il presente capitolo descrive lo sviluppo di un sistema esperto per la rilevazione del livello di attenzione durante la guida, eseguito in collaborazione con il Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali dell’Università degli Studi di Firenze.
In questo studio il candidato ha seguito l’organizzazione e l’esecuzione dei test di guida e, in particolare, ha provveduto all’acquisizione ed al trattamento preliminare dei dati inviati al Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali dell’Università degli Studi di Firenze per la successiva elaborazione ed analisi finale, curata dal Prof. Dario Vangi, di cui si riportano i risultati all’interno del presente capitolo.
Per una analisi più dettagliata degli studi condotti e delle procedure adottate si rimanda al report “Strumenti di diagnostica per il riconoscimento del livello di attenzione alla guida”, relazione finale del progetto PRIN 2006-2008.
Le variabili di ingresso utilizzate ai fini dello studio, acquisite durante una prima campagna di prove eseguite al simulatore di guida del DIMNP, sono rappresentative dei segnali più facilmente acquisibili su un normale veicolo di serie. In particolare, tra le varie grandezze considerate, quella più idonea si è dimostrata l'angolo di sterzo: il segnale, infatti, sembra poter essere messo in relazione con il livello di attenzione del guidatore, in quanto le correzioni eseguite da quest’ultimo durante l’esercizio della guida, con particolare riferimento ai movimenti lenti e di piccola ampiezza, sembrano avere la tendenza a diminuire all'aumentare della stanchezza e della sonnolenza.
Le modalità con cui il segnale angolo di sterzo varia nel tempo dipendono però anche dal tipo di percorso, per cui si rendono necessarie opportune procedure per tenerne conto. Per gli scopi della ricerca è stata prevista una campagna di prove su simulatore di guida, impiegando un campione di 12 drivers così come descritto nel successivo paragrafo successivo. In termini generali si può affermare che le analisi condotte sul segnale angolo di sterzo hanno evidenziato:
- contenuto in bassa frequenza legato al percorso;
- modulazione a più alta frequenza legata alle piccole correzioni del volante, tipiche di ciascun guidatore.
Come parametri di analisi sono stati considerati l'ampiezza e il numero di oscillazioni per unità di tempo della derivata rispetto al tempo dell'angolo di sterzo: questi sono influenzati, oltre che dallo stile di guida, anche dal tracciato (curva o rettilineo) e dalla velocità media.
6.2 SPERIMENTAZIONE
Il protocollo delle sessioni di guida al simulatore è stato definito dopo alcuni test preliminari volti a sondare le possibilità di analisi offerte dai vari segnali acquisiti durante le guide: in una prima fase, infatti, è stata svolta una campagna sperimentale con una popolazione di 10 drivers che hanno guidato sul percorso autostradale per alcuni minuti a diverse velocità. Le successive analisi dei dati acquisiti hanno permesso di selezionare i segnali più utili ai fini dello studio e la definizione del protocollo di guida per la campagna sperimentale vera e propria.
Alla campagna di indagini hanno partecipato 12 soggetti volontari di diversa fascia di età, di sesso maschile, che hanno seguito il protocollo di prova definito basato su guide in ambito extraurbano, su un percorso autostradale.
Ognuno dei soggetti testati ha affrontato tutte le guide sia in condizioni riposate che in evidenti condizioni di stanchezza, dopo alcuni giorni, a seguito di un numero ridotto di ore di sonno prima del test: in questo modo sono stato ottenuti dati relativi a equivalenti condizioni di guida con due diversi stati di vigilanza del conducente.
Di seguito, si riporta in dettaglio la procedura di prova seguita, elencando le variabili prese in considerazione ai fini dell’analisi dei dati acquisiti:
o stanco (condizioni dovute a privazione di sonno di alcune ore). - Tipo di guida:
o training della durata di 15 min;
o guida normale in autostrada della durata di 5 min;
o guida, della durata di 2 min, con distrazione data da conversazione al telefono cellulare;
o guida, della durata di circa 1 min, con 2 o 3 sbandate improvvise dovute a perdita di aderenza (misura della prontezza di risposta del conducente a riportare il veicolo sulla corsia di marcia). Questi test sono stati effettuati alle sole velocità di 70km=h e 130km=h.
- Velocità di avanzamento costante: o 70km/h;
o 90km/h; o 110km/h; o 130km/h.
La preliminare guida di training è necessaria perché il conducente prenda confidenza con il funzionamento del simulatore di guida: considerata la buona riproduzione delle condizioni effettive di guida, un periodo di 15 min. si è dimostrato più che sufficiente per questo scopo. Con il protocollo così definito, ogni conducente è stato impegnato per un periodo di circa 45-50 min sia per la sessione in condizioni riposate che per quella in condizioni di stanchezza.
L'analisi dei dati registrati durante la prima campagna di prove al simulatore ha permesso al gruppo di ricerca del Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali dell’Università degli Studi di Firenze di individuare quei segnali che meglio caratterizzano lo stile di guida del conducente, in modo da identificare, studiandone le relative variazioni, situazioni di guida in condizioni psico-fisiche non ottimali o inadeguate. I segnali considerati, in particolare, sono di seguito elencati:
- velocità;
- posizione media del volante;
- frequenza dei picchi della derivata temporale della posizione del volante; - ampiezza media dei picchi della derivata temporale della posizione del volante
In Figura 1, ad esempio, si mostra il tipico andamento del segnale angolo di sterzo, acquisito durante una prova; da tale tracciato si può osservare che:
- si riconosce un andamento principale, legato al percorso, e caratterizzato da bassa frequenza;
- alte frequenze direttamente correlate con oscillazioni secondarie sovrapposte all’andamento principale, e legate ai movimenti del volante in seguito alle correzioni apportate dal driver.
Figura 1: andamento del segnale angolo di sterzo
I quattro parametri scelti sono stati messi in relazione con lo stile di guida di ogni singolo guidatore, esplicitando un sistema, basato su logica fuzzy, che ha consentito di descrivere la dipendenza tra le variabili attraverso regole di tipo logico [1] [2].
6.3 RISULTATI SPERIMENTALI
Il sistema esperto messo a punto dal Dipartimento di Meccanica e Tecnologie Industriali dell’Università degli Studi di Firenze sui dati acquisiti dalla campagna di test eseguita presso il laboratorio di simulazione del DIMNP è stato verificato utilizzando altri dati sperimentali ottenuti al simulatore di guida in modo analogo ai dati usati per addestrare il sistema fuzzy. L’analisi di questi dati ha evidenziato come il sistema addestrato è in grado di riconoscere le diverse condizioni di guida con soddisfacente precisione.
Graficando le variazioni percentuali rispetto alla condizione di guida riposata ritenuta come standard ottenuta da diversi guidatori (Figura 2) per le varie modalità di prova, si osserva, non solo la differente entità delle variazioni per ciascun guidatore, ma anche
Figura 2: Variazioni percentuali tra le differenti modalità di prova per 4 conducenti
Da questi risultati si può dedurre che un utilizzo affidabile del sistema esperto fuzzy deve essere basato su un addestramento specifico per ogni conducente, data la grande differenza che può essere riscontrata tra i diversi stili di guida e le diverse reazioni a condizioni di affaticamento alla guida.
In Figura 3 ed in Tabella 1 viene mostrato il riepilogo di tutte le prove per uno specifico conducente e sono evidenziati i valori medi complessivi, anche in termini di differenze percentuali rispetto alla guida riposata standard, per le varie modalità di guida.
Tabella 1: Riepilogo delle prove per uno specifico conducente con funzioni di uscita modificate Prova 70 km/h 90 km/h 110 km/h 130 km/h Media Diff %
Riposato_std 0,349 0,235 0,273 0,385 0,311 0,0
Riposato_cell 0,580 0,532 0,546 0,476 0,533 71,7
Stanco_std 0,450 0,383 0,389 0,418 0,410 31,9
Stanco_cell 0,675 0,631 0,569 0,637 0,628 102,2
6.4 CONCLUSIONI
La metodologia basata sulla definizione di un sistema esperto per il riconoscimento dei fenomeni di affaticamento o di distrazione alla guida attraverso la sperimentazione con il simulatore del DIMNP ha fornito dei risultati molto interessanti, soprattutto in funzione dello sviluppo di strumenti atti ad individuare situazioni di bassa vigilanza da parte del conducente di un autoveicolo.
In particolare si può evidenziare quanto segue:
- il parametro rappresentato dalla derivata temporale del segnale di angolo di sterzo, ed in particolare la frequenza e l’ampiezza dei picchi di questo segnale, si è dimostrato attendibile nel descrivere lo stile di guida di un conducente;
- è necessario calibrare il sistema fuzzy su ogni guidatore, ovvero per ogni stile di guida, non essendo le reazioni alle varie condizioni di guida generalizzabili per tutti gli utenti. Il sistema, pertanto, si potrà verosimilmente utilizzare a bordo di veicoli commerciali per il monitoraggio dello stile di guida, addestrandolo su segnali acquisiti per tutti i potenziali conducenti del veicolo considerato a varie velocità ed in tratti dove è possibile riconoscere le condizioni di marcia (urbana o extraurbana). Una volta effettuato l'addestramento e memorizzato lo stile di guida del conducente all’interno di uno strumento di diagnostica, il sistema potrà valutare le variazioni di comportamento e riconoscere quelle indice di potenziali situazioni di rischio; periodicamente si potrà inoltre chiedere al sistema di verificare il riconoscimento dello stile di guida ed eventualmente di ricalibrarsi.
Si osserva infine che il sistema esperto fuzzy sviluppato può essere potenziato introducendo altre variabili di ingresso, come la posizione e la pressione delle mani sul volante e le azioni sulla pedaliera.
BIBLIOGRAFIA
1. M. Schneider, A. Kandel, Langholz G, and Chew G, Fuzzy expert system tools, John Wiley & Sons, 1996.
2. R. Bartolozzi, F. Frendo, E. Vitale, F. Baronti. F. Lenzi, R. Roncella, D. Vangi, A. Virga, Strumenti di diagnostica per il riconoscimento del livello di attenzione alla
