Contactless biometric sensor for automotive applications

Abstract

Accidents on the road are the biggest unexpected causes of death in the world. Because of this, the prevention of the fatalities is an important target of study and investigation for most of car manufacturers. In 2014 there were 1.25 million deaths on the road worldwide, with 20% of crashes and 12% of near-crashes being caused by drowsy drivers. This dissertation aims to develop a monitoring solution in the automotive world, to measure the heartbeat of the driver, for a future interpretation of your physiological state. Heart rate monitoring from a distance is a powerful tool for health care, when compared to alternative techniques for long-term medical monitoring, that require direct contact with the patient such as: electrodes, oximeter and piezoelectric sensors. Since the heart rate changes along the different stages of drowsiness/fatigue, it is possible to evaluate the drowsy state of the driver using Heart Rate Variability (HRV), by measuring values along the frequency spectrum of the heartbeat. After the analysis of the existing non-contact methods to measure heartbeat, this dissertation will focus on the use of a technology based on radar that includes the versatile ability to function at a distance through the driver´s clothing. The radar that will be integrate on the driver´s seat uses radio waves to detect the heart´s acceleration and the drivers breathing movement. These data can be complemented with other technologies such EEG (Electroencephalography) and eye tracker (monitoring of head and eye movements) to detected the drowsiness state with more reliability [1][2]. Since the signals may contain noise, harmonics and other vehicle induced issues, data filtering will be required [3]. This master thesis will be developed at University of Minho, within the partnership project "INNOVCAR: The Cockpit of the future", with Bosch Car Multimedia. The concept solution must be efficient, comfortable to the user, reliable and have a low cost. The monitoring of the vital signs of the human body can then be used to ultimately avoid accidents and deaths on the road. Through this concept, it will be possible to trigger responses like activating an alarm, stopping the car, or even calling emergency assistance if needed.

Acidentes na estrada são das maiores inesperadas causas de morte no mundo. Devido a este facto, a prevenção destas fatalidades é um importante alvo de estudo e investigação da maioria das empresas de automóveis. Em 2014 existiram cerca de 1.25 milhões de mortes na estrada em todo o mundo, com 20% de acidentes e 12% de possíveis acidentes serem causados por condutores sonolentos. Esta dissertação visa desenvolver uma solução de monitorização para mundo automóvel através da medição do batimento cardíaco do condutor, para uma futura interpretação do seu estado fisiológico. A monitorização do batimento cardíaco à distância é uma poderosa ferramenta para cuidados de saúde, quando comparada com as tecnologias alternativas de monitorização média a longo prazo, que requerem um contacto direto com o paciente, tais como: elétrodos, oxímetro e sensores piezoelétricos. Uma vez que a frequência cardíaca se altera ao longo dos diferentes estados de sonolência/fadiga, é possível avaliar o estado de sonolência do condutor usando a variação da frequência cardíaca (Heart Rate Variability - HRV), pela mediação dos valores do batimento cardíaco em todo o espectro. Após a análise dos métodos de medição de batimento cardíaco sem contato, esta dissertação irá focar-se no uso de uma tecnologia baseada em radar que inclui a versatilidade de monitorizar sem contacto através das roupas do condutor. Este radar será integrado no acento do condutor usando ondas rádio para detetar a aceleração do coração e a respiração do condutor. Estes dados podem ser complementados com outras tecnologias tais como EEG (Electroencephalography) e eye tracker (monitorização dos movimentos dos olhos e cabeça), para detetar sonolência com maior fiabilidade. A partir do momento em que os sinais podem conter ruído, harmónicos e outras interferências provenientes do carro, a filtragem dos dados recolhidos deverá ser tida em consideração. Esta tese de mestrado será desenvolvida na Universidade do Minho, no projeto "INNOVCAR: The Cockpit of the future", em parceria com a Bosch Car Multimedia. O conceito deve ser eficiente, confortável ao utilizador, fiável e ter um custo reduzido. A monitorização de sinais vitais do corpo humano pode ser usada para evitar acidentes ou mortes na estrada. Nas estradas através deste conceito, poderá ser possível ativar respostas como avisos, paragem do carro, ou até mesmo uma chamada de emergência.