美國弗吉尼亞理工大學(xué)學(xué)生建造盲人能夠駕駛的汽車

 Author(s):
Stephen J. Mraz - 科技讓盲人能夠駕駛

Industry:
Research, Machines/Mechanics

Products:
Controllers, LabVIEW, Real-Time

The Challenge:
  建造盲人個人能夠駕駛的汽車，并且要求駕駛員能夠在以單車道道路指定的曲線路線駕駛；將速度控制在預(yù)定上限之內(nèi)；并且能夠及時停車防止相撞

The Solution:
  在項(xiàng)目的早期，通過定制電路板控制電機(jī)。板卡帶有PIC微控制器，管理大量晶體管和繼電器，用于以不同強(qiáng)度激活馬甲中的電機(jī)。從運(yùn)行LabVIEW的PC通過RS-232信號發(fā)送需要使用指令。

   為了刺激能夠?yàn)槊と藥砀嘧杂傻募夹g(shù)的發(fā)展，美國國家盲人協(xié)會在2004年向工程師和發(fā)明家提出了一個挑戰(zhàn)：建造盲人個人能夠駕駛的汽車。兩年之后，只有美國弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)器人和機(jī)械實(shí)驗(yàn)室接受了這個挑戰(zhàn)。學(xué)校的機(jī)械工程系和九個本科學(xué)生利用協(xié)會的3000美元撥款和感興趣公司的硬件與軟件捐贈，在這個項(xiàng)目上花了兩年時間。協(xié)會挑戰(zhàn)要求駕駛員能夠在以單車道道路指定的曲線路線駕駛；將速度控制在預(yù)定上限之內(nèi)；并且能夠及時停車防止相撞。

   由于資金有限，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)（現(xiàn)在稱為盲人駕駛員項(xiàng)目）從相對簡單的越野車開始，將它調(diào)整為適合新駕駛員的車輛。

   最初的步驟之一是添加Hokuyo UTM-30LX單平面激光測距儀，起到類似雷達(dá)的作用。傳感器將車輛前方物體的范圍和距離數(shù)據(jù)傳送到NI的CompactRIO實(shí)時控制器上?？刂破靼現(xiàn)PGA，處理目標(biāo)，并將測距儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相關(guān)信息，使駕駛員能夠用于保持在路面上駕駛，并且不與障礙物（錐形桶）相撞。

   運(yùn)行NI LabVIEW程序的控制器能夠支持USB功能，因?yàn)闇y距儀只能通過USB工作。同時筆記本和控制器之間通過以太網(wǎng)通訊。筆記本還讓有視力的乘客和開發(fā)員監(jiān)視所有的硬件和軟件操作，為現(xiàn)場快速標(biāo)定修改程序。控制器還從霍爾傳感器接收車輛速度的反饋以及弦絲電位計發(fā)送的駕駛角度。

   當(dāng)然困難的部分是將傳感器信息傳達(dá)給盲人駕駛員。他們所選擇的方法是利用駕駛員的其他感觀，例如聽覺和觸覺。舉例而言，駕駛員身穿連接多個電機(jī)的馬甲。每個電機(jī)以不同的強(qiáng)度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。為了保持在速度上限之內(nèi)，其中一個電機(jī)旋轉(zhuǎn)指示需要剎車，旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)度與所需的剎車力量相關(guān)。如果控制器將所有的輸入數(shù)據(jù)解釋為前方有一個無法避免的障礙物，馬甲中的另一個電機(jī)將會旋轉(zhuǎn)，指示駕駛員立即停車。

    在項(xiàng)目的早期，通過定制電路板控制電機(jī)。板卡帶有PIC微控制器，管理大量晶體管和繼電器，用于以不同強(qiáng)度激活馬甲中的電機(jī)。運(yùn)行LabVIEW的 PC通過RS-232信號發(fā)送需要使用指令。但是，在團(tuán)隊(duì)獲得了CompactRIO控制器時，他們發(fā)現(xiàn)可以使用NI 9458八通道繼電器模塊取代電路板，這樣不僅縮小了硬件大小，并且簡化了支持軟件。更為重要的是，它縮短了檢測到障礙物到電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)之間的時間，這在行車的緊要關(guān)頭是非常關(guān)鍵的因素。

   對于駕駛，方向盤的一個機(jī)制是在每次“點(diǎn)擊”時偏轉(zhuǎn)5°?？刂破髦械膭萘鏊惴▽⒓す鈹?shù)據(jù)映射到合適的通道中。之后，控制器使用語音生成模塊告訴駕駛員需要“點(diǎn)擊”多少次以及向哪個方向偏轉(zhuǎn)。

    團(tuán)隊(duì)同時開發(fā)了觸覺地圖，以便駕駛員了解他們所在的位置。這個扁平的手持設(shè)備在一個表面上有小洞，與沙壺球游戲桌相似。在特定的小孔（象素）中發(fā)出壓縮空氣表示激光范圍搜索器探測到的障礙物。地圖稱為AirPix，讓駕駛員“感覺”到障礙物，并繞過他們。

  在過去的那個夏天，團(tuán)隊(duì)讓30個盲人或有視覺缺陷的人坐在方向盤后，體驗(yàn)駕駛汽車的感覺。無論這是他們的第一次駕駛，或是多年后重新握起方向盤，他們的反應(yīng)都特別積極。實(shí)際上，一個團(tuán)隊(duì)成員半開玩笑地說：“我們需要和駕駛員說，不要在停車場吃面包圈?！?/p>

駕駛員志愿者還提出了許多改進(jìn)汽車的建議，團(tuán)隊(duì)將會評估這些反饋并設(shè)法在今年實(shí)現(xiàn)。