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1 TheChallenge: 開發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。 2 TheSolution: 采用NICompactRIO及LabVIEW軟件開發世界首輛盲人駕駛車輛的功能原型。 致力于提升并發揮失明人群經常被低估的能力，鼓勵服務于視力障礙群體的技術創新開發，美國國家失明人士聯合會提出建議，設計一種系統來幫助失明人群嘗試從未有過的體驗：駕駛。弗吉尼亞理工大學的機器人與器械實驗室(RoMeLa)是唯一一個接收挑戰的組織。該大學機械工程系于2008年重新建立了高年級設計團隊和大學生研究項目弗吉尼亞大學盲人駕駛挑戰(BDC)，他們為世界首輛可用的盲人駕駛車輛原型定義了最初的目標。 9名大學生僅花費兩個學期，$3,000USD經費就完成了設計，盲人駕駛員可安全地實現三種基本駕駛任務：在由單排的錐形交通路標定義的曲線駕駛路線中行進；預先設定的正常速度行駛；有效的緊急剎車能力以避開與障礙物的碰撞。 3 我們的原型平臺 從項目的最初開始，盲人駕駛系統的軟硬件設計中僅用了NI的產品。我們選擇NI產品的原因是其低成本的原型設計平臺、快速的數據采集和處理，確保在實時系統中能最小化時間遲滯、與各類傳感器及設備的兼容性、苛刻測試環境下的性能及可靠性、直觀的編程界面、模塊化、尺寸、重量、以及未來開發中的硬件擴展能力。研究人員考察了RoMeLa在各類應用中長期使用NI產品的成功經驗，包括從類人足球機器人到全自治式車輛。除了盲人駕駛系統，這些應用證明了NI軟硬件在機器人應用建模平臺上的多功能性及功能理想性。 4 環境感知 目前的盲人駕駛系統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。我們采用HokuyoUTM-30LX單平面激光測距儀作為環境探測器，掃描駕駛環境中的錐形交通路標及其它障礙，并將掃描信息送到板載NIcRIO-9072實時處理器及實時可編程門陣列(FPGA)處理目標上。現有的NI設備驅動能夠直接支持HokuyoLRF產品，因為NI工程師在UTM-30LX公開發布之前就提供了自定義驅動。 運行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模塊可選RS232接口。我們做了進一步設計使實時控制器提供USB連接能力，并繞開筆記本電腦采用第三方轉換芯片；然而，cRIO-9072與筆記本電腦間的以太網通信對目前的需求來說已經足夠了。筆記本電腦還支持正常視力的乘客被動監視所有軟硬件的操作，輕松修改任何啟發式編程，從而能夠在現場試驗中快速標定。 其它傳感器根據車輛的狀態來采集重要信息，如霍爾效應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據，并采用CompactRIO實時控制器上的高速FPGA直接處理。 5 非視覺駕駛界面 通過各類傳感器完成駕駛環境圖像采集后，我們對數據進行處理并通過非視覺方式傳送給駕駛員。開發非視覺駕駛界面(NVDI)的最終目標是向駕駛員提供高效的信息，最大化駕駛員的環境感知度，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。 對于限速規則，駕駛員可自如地駕駛直至到達速度上限，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馬達。RS232信號從PC上的LabVIEW軟件傳輸到PIC控制器，通過控制晶體管和繼電器來驅動電機實現背心各種強度的振動。采用CompactRIO以后由于有了NI94858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馬達全速振動之間的時間，這點對于駕駛員在緊急情況下的操控是至關重要的。 對于方向控制，勢場算法提供了道路的生成。完成道路計算后，系統指示駕駛員如何轉向保持車輛方向以及回避障礙物。駕駛員通過耳機和LabVIEW語音合成軟件得到信息，從而知道方向盤需要轉多少個“嘀嗒”聲。與轉向柱連接的機構每五度發出一聲“嘀嗒”聲，提供精確的反饋聲響。 此外，我們開發了觸覺地圖原型，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。該設備我們稱之為AirPix，可讓駕駛員“看到”周圍環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，但應用了該觸覺地圖技術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，實現更高層次的道路規劃。 6 NI軟硬件的優勢 我們使用NI軟化硬件設計了世界上首輛盲人駕駛車輛的原型機。在資金和開發時間有限的情況下，NI產品是項目成功的關鍵，它提供了簡單易用且低成本的原型開發平臺。LabVIEW直觀的圖形編程界面使機械工程的大學生團隊快速有效的創建自定義嵌入式軟件，無需任何文本編程語言的專業經驗。 模塊化設計及CompactRIO與I/O模塊的連接性，結合LabVIEW與外部設備的廣泛兼容型，確保了系統在未來擴展與改進時只需最小的精力和成本。實時FPGA處理目標提供了高速的數據采集和處理能力，有效地從實時駕駛環境下采集到重要數據。除了外設的兼容性，CompactRIO方便合適的尺寸及較輕的重量是目前空間、負載有限的盲人駕駛車輛的理想選擇。 在大量反復的整個原型設計過程中，NI模塊化產品非常適用于特殊、要求苛刻的測試環境、車輛平臺的改變、以及項目目標的轉換。通過使用多功能多用途的NI軟硬件，弗吉尼亞理工大學盲人駕駛挑戰賽在盲人應用技術領域中不斷“創造未來”。 7 衍生技術和未來計劃 在2008至2009學年之后的數月中，弗吉尼亞理工大學盲人駕駛挑戰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，他們的反應都是無比積極、充滿希望的。國內及國際媒體的報道引起了對失明人群能力的強烈關注，也激發了合作研究及開發各領域的新型盲人應用技術的興趣。 各種潛在的衍生技術是設計過程中的重點。由于這些設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備可以讓其它駕駛員獲益，如視野不佳、打電話或收發短消息、打瞌睡、及其它注意力分散的駕駛員。我們能夠為各類駕駛環境設計提前警告的設備以及緩解碰撞的系統，尤其是天氣環境惡劣或低能見度的環境。 除了汽車應用以外，在觸覺人機界面設備領域也有潛在的應用，尤其是失明行人。非視覺界面可輕松部署到飛機駕駛艙，目前的技術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境下發送高帶寬的其它感知信息將極大提升飛行員的環境感知，這也是操作任何交通工具時的關鍵。 盡管在未來的很多年中我們不太可能看到盲人駕駛員，但潛在的衍生技術都能即刻適用于各類領域中。 |
