采用LabVIEW及CompactRIO為視力障礙人群設(shè)計(jì)半自動車輛

Author(s):
Dr. Dennis Hong - Virginia Polytechnic Institute and State University
Greg Jannaman - Virginia Polytechnic Institute and State University
Kimberly Wenger - Virginia Polytechnic Institute and State University

Industry:
Research, Mechatronics

Products:
NI 9221, NI 9485, NI 9263, FPGA Module, LabVIEW, Real-Time Module, cRIO-9072, CompactRIO

The Challenge:
開發(fā)半自動車輛允許盲人駕駛員在安全駕駛的過程中成功完成操縱、速度控制、并避免碰撞。

The Solution:
采用NI CompactRIO及LabVIEW軟件開發(fā)世界首輛盲人駕駛車輛的功能原型。

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15歲的失明者Ishaan Rostogi(圖片輪椅上)，駕駛由弗吉尼亞理工大學(xué)采用NI技術(shù)設(shè)計(jì)的世界首輛盲人駕駛車輛。

致力于提升并發(fā)揮失明人群經(jīng)常被低估的能力，鼓勵服務(wù)于視力障礙群體的技術(shù)創(chuàng)新開發(fā)，美國國家失明人士聯(lián)合會提出建議，設(shè)計(jì)一種系統(tǒng)來幫助失明人群嘗試從未有過的體驗(yàn)：駕駛。弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)器人與器械實(shí)驗(yàn)室(RoMeLa)是唯一一個接收挑戰(zhàn)的組織。該大學(xué)機(jī)械工程系 于2008年重新建立了高年級設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和大學(xué)生研究項(xiàng)目弗吉尼亞大學(xué)盲人駕駛挑戰(zhàn)(BDC)，他們?yōu)槭澜缡纵v可用的盲人駕駛車輛原型定義了最初的目標(biāo)。

9名大學(xué)生僅花費(fèi)兩個學(xué)期，$3,000 USD經(jīng)費(fèi)就完成了設(shè)計(jì)，盲人駕駛員可安全地實(shí)現(xiàn)三種基本駕駛?cè)蝿?wù)：在由單排的錐形交通路標(biāo)定義的曲線駕駛路線中行進(jìn)；預(yù)先設(shè)定的正常速度行駛；有效的緊急剎車能力以避開與障礙物的碰撞。

我們的原型平臺
從項(xiàng)目的最初開始，盲人駕駛系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)中僅用了NI的產(chǎn)品。我們選擇NI產(chǎn)品的原因是其低成本的原型設(shè)計(jì)平臺、快速的數(shù)據(jù)采集和處理，確保在實(shí)時系統(tǒng)中能最小化時間遲滯、與各類傳感器及設(shè)備的兼容性、苛刻測試環(huán)境下的性能及可靠性、直觀的編程界面、模塊化、尺寸、重量、以及未來開發(fā)中的硬件擴(kuò)展能力。研究人員考察了RoMeLa在各類應(yīng)用中長期使用NI產(chǎn)品的成功經(jīng)驗(yàn)，包括從類人足球機(jī)器人到全自治式車輛。除了盲人駕駛系統(tǒng)，這些應(yīng)用證明了NI軟硬件在機(jī)器人應(yīng)用建模平臺上的多功能性及功能理想性。

環(huán)境感知
目前的盲人駕駛系統(tǒng)由各類傳感器和新穎的非視覺駕駛界面組成，就像附加在沙漠越野汽車上的模塊化系統(tǒng)。我們采用Hokuyo UTM-30LX單平面激光測距儀作為環(huán)境探測器，掃描駕駛環(huán)境中的錐形交通路標(biāo)及其它障礙，并將掃描信息送到板載NI cRIO-9072實(shí)時處理器及實(shí)時可編程門陣列(FPGA)處理目標(biāo)上?，F(xiàn)有的NI設(shè)備驅(qū)動能夠直接支持Hokuyo LRF產(chǎn)品，因?yàn)镹I工程師在UTM-30LX公開發(fā)布之前就提供了自定義驅(qū)動。

運(yùn)行LabVIEW軟件的筆記本電腦提供了支持cRIO-9072的臨時USB連接能力，由于30LX僅有USB接口，不像以前使用的其它多數(shù)模塊可選RS232接口。我們做了進(jìn)一步設(shè)計(jì)使實(shí)時控制器提供USB連接能力，并繞開筆記本電腦采用第三方轉(zhuǎn)換芯片；然而，cRIO-9072與筆記本電腦間的以太網(wǎng)通信對目前的需求來說已經(jīng)足夠了。 筆記本電腦還支持正常視力的乘客被動監(jiān)視所有軟硬件的操作，輕松修改任何啟發(fā)式編程，從而能夠在現(xiàn)場試驗(yàn)中快速標(biāo)定。

其它傳感器根據(jù)車輛的狀態(tài)來采集重要信息，如霍爾效應(yīng)傳感器通過弦絲電位器采集速度信息及操縱角度。我們從這些傳感器采集數(shù)據(jù)，并采用CompactRIO實(shí)時控制器上的高速FPGA直接處理。

非視覺駕駛界面
通過各類傳感器完成駕駛環(huán)境圖像采集后，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過非視覺方式傳送給駕駛員。開發(fā)非視覺駕駛界面 (NVDI) 的最終目標(biāo)是向駕駛員提供高效的信息，最大化駕駛員的環(huán)境感知度，從而快速精確的作出駕駛決策。車輛最初的NVDI上的包含了針對安全性和冗余備份的信息和指示。

對于限速規(guī)則，駕駛員可自如地駕駛直至到達(dá)速度上限，此時座椅安全帶上的震動觸覺的背心會提示駕駛員需要多大的剎車力度來使車輛回到安全速度。如果車輛探測到不可避免的障礙物碰撞，背心會提示駕駛員緊急剎車。

最初的背心測試中，我們采用了自定義電路板來控制電機(jī)馬達(dá)。RS232信號從PC上的LabVIEW軟件傳輸?shù)絇IC控制器，通過控制晶體管和繼電器來驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)背心各種強(qiáng)度的振動。采用CompactRIO以后由于有了NI 9485 8通道繼電器模塊，我們不再需要電路板。電路板的替換縮小了體積，降低了添加硬件時的潛在復(fù)雜度，顯著簡化了軟件編寫，極大縮短了從探測到障礙到電機(jī)馬達(dá)全速振動之間的時間，這點(diǎn)對于駕駛員在緊急情況下的操控是至關(guān)重要的。

對于方向控制，勢場算法提供了道路的生成。完成道路計(jì)算后，系統(tǒng)指示駕駛員如何轉(zhuǎn)向保持車輛方向以及回避障礙物。駕駛員通過耳機(jī)和LabVIEW語音合成軟件得到信息，從而知道方向盤需要轉(zhuǎn)多少個“嘀嗒”聲。與轉(zhuǎn)向柱連接的機(jī)構(gòu)每五度發(fā)出一聲“嘀嗒”聲，提供精確的反饋聲響。

此外，我們開發(fā)了觸覺地圖原型，從概念上類似于高分辨率柵格的可再生盲文。地圖將周圍環(huán)境的圖像真切地顯示在駕駛員的手上。類似曲棍球臺上的小洞，將壓縮空氣通過小孔來描繪激光測距儀探測到的周圍障礙，從而生成物理地圖。該設(shè)備我們稱之為 AirPix，可讓駕駛員“看到”周圍環(huán)境并安全地駕駛通過。聲音和震動觸覺NVDI仍然需要作為備份，但應(yīng)用了該觸覺地圖技術(shù)提供的高帶寬感知特性允許駕駛員使用其它駕駛方式 ，如通過聲音識別軟件來收聽和使用GPS，實(shí)現(xiàn)更高層次的道路規(guī)劃。

NI軟硬件的優(yōu)勢
我們使用NI軟化硬件設(shè)計(jì)了世界上首輛盲人駕駛車輛的原型機(jī)。在資金和開發(fā)時間有限的情況下，NI產(chǎn)品是項(xiàng)目成功的關(guān)鍵，它提供了簡單易用且低成本的原型開發(fā)平臺。LabVIEW直觀的圖形編程界面使機(jī)械工程的大學(xué)生團(tuán)隊(duì)快速有效的創(chuàng)建自定義嵌入式軟件，無需任何文本編程語言的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。

模塊化設(shè)計(jì)及CompactRIO與 I/O模塊的連接性，結(jié)合LabVIEW與外部設(shè)備的廣泛兼容型，確保了系統(tǒng)在未來擴(kuò)展與改進(jìn)時只需最小的精力和成本。實(shí)時FPGA處理目標(biāo)提供了高速的數(shù)據(jù)采集和處理能力，有效地從實(shí)時駕駛環(huán)境下采集到重要數(shù)據(jù)。除了外設(shè)的兼容性，CompactRIO方便合適的尺寸及較輕的重量是目前空間、負(fù)載有限的盲人駕駛車輛的理想選擇。

在大量反復(fù)的整個原型設(shè)計(jì)過程中，NI模塊化產(chǎn)品非常適用于特殊、要求苛刻的測試環(huán)境、車輛平臺的改變、以及項(xiàng)目目標(biāo)的轉(zhuǎn)換。通過使用多功能多用途的NI軟硬件，弗吉尼亞理工大學(xué)盲人駕駛挑戰(zhàn)賽在盲人應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中不斷“創(chuàng)造未來”。

衍生技術(shù)和未來計(jì)劃
在2008 至2009學(xué)年之后的數(shù)月中，弗吉尼亞理工大學(xué)盲人駕駛挑戰(zhàn)賽向超過全國各地的30位各年齡段的失明及弱視者提供了駕駛汽車的機(jī)會。無論是首次坐在駕駛盤前，或是多年后重新駕駛汽車，他們的反應(yīng)都是無比積極、充滿希望的。國內(nèi)及國際媒體的報(bào)道引起了對失明人群能力的強(qiáng)烈關(guān)注，也激發(fā)了合作研究及開發(fā)各領(lǐng)域的新型盲人應(yīng)用技術(shù)的興趣。

各種潛在的衍生技術(shù)是設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)。由于這些設(shè)備在支持盲人駕駛車輛中被證明是有效的，接下來我們可以想象這些設(shè)備可以讓其它駕駛員獲益，如視野不佳、打電話或收發(fā)短消息、打瞌睡、及其它注意力分散的駕駛員。我們能夠?yàn)楦黝愸{駛環(huán)境設(shè)計(jì)提前警告的設(shè)備以及緩解碰撞的系統(tǒng)，尤其是天氣環(huán)境惡劣或低能見度的環(huán)境。

除了汽車應(yīng)用以外，在觸覺人機(jī)界面設(shè)備領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用，尤其是失明行人。非視覺界面可輕松部署到飛機(jī)駕駛艙，目前的技術(shù)使駕駛員在很大程度上依賴視覺能力。在高飽和度的視覺環(huán)境下發(fā)送高帶寬的其它感知信息將極大提升飛行員的環(huán)境感知，這也是操作任何交通工具時的關(guān)鍵。

盡管在未來的很多年中我們不太可能看到盲人駕駛員，但潛在的衍生技術(shù)都能即刻適用于各類領(lǐng)域中。