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挑戰：為DARPA挑戰賽開發一輛參賽智能車，可自動穿越郊區環境。 方案：使用NI LabVIEW圖形化開發環境與NI硬件平臺對智能車進行快速開發、測試以及原型，從而贏得挑戰賽。 DARPA城市挑戰賽要求路上車輛在城市環境中無人駕駛行駛。在整個賽程中，全自主的無人車要在不到6小時中行駛60英里，并在道路、十字路口、停車場等交通環境里行駛。比賽開始時，一份任務文檔規定了比賽道路中的檢查站，參賽車輛必須按規定駛過。 為了盡快到達檢查站，賽車通過對限速、可能的道路阻塞、交通狀況等因素的考慮，選擇合適的行駛路線。賽車在行駛中還必須遵守交通規則，與有人駕駛車輛及其它無人車輛間的正確交互。賽車需在規定車道內行駛，對其它車輛的車速或超車做出安全的反應。此外，在十字路口必須依照路權規則安全行駛，規避靜態或動態的障礙物，時速達到30 mph。 我們的Victor Tango車隊僅有12個月用于賽車開發，且必須滿足前所未有的挑戰。我們將設計分為四個主要部分：基礎平臺、感知、規劃、及通信。 每部分都充分利用了美國國家儀器公司軟硬件的優勢。NI硬件有助于連接車輛已有系統，為操作人員提供界面。我們采用LabVIEW 圖形化編程環境來開發軟件，包括通信構架、傳感器處理和目標識別算法、激光測距儀和基于視覺的路況探測、高級駕駛行為、及底層車輛接口。 基礎平臺 Odin是由福特2005年的Escape Hybrid改裝的無人駕駛車輛。通過NI CompactRIO系統與Escape的系統連接，實現對節流閥、轉向裝置、變速、及剎車的線傳控制。車隊采用LabVIEW及LabVIEW控制設計及仿真模塊開發道路曲率及速度控制系統，通過LabVIEW Real-Time及LabVIEW FPGA模塊發布到CompactRIO系統，創建獨立的車輛平臺。我們還采用LabVIEW 觸摸板模塊為NI TPC-2006觸摸板計算機開發用戶界面，并安裝于車輛儀表盤上。 感知 為滿足賽車在城市挑戰賽中的行為需求，Odin必須能夠自行定位，探測路況周邊環境及正確車道，感知道路上的所有障礙，并能正確的將障礙識別為汽車。因此，Odin上安裝了許多傳感器，包括在緩沖器平面上安裝的三臺IBEO四面激光測距儀(LRFs)，在車頂架上安裝的四臺SICK LRF和兩個計算機視覺攝像頭，以及Novatel高精度GPS/IMU系統。 針對每種感知需求，設計中都采用了多個傳感器，以確保最大的真實性及可靠性。為實現靈活的傳感器組合，規劃軟件忽略了原始傳感器數據，采用特定任務組件生成的獨立傳感器感知信息集。定位組件包括LabVIEW Kalman濾波器，用于跟蹤賽車的位置及方向。道路探測組件采用NI視覺開發模塊，通過攝像頭及LRF數據的組合，確定臨近路段的路況環境及車道位置。目標分類組件采用LabVIEW來處理IBEO數據，探測障礙并將其分類為靜態或動態；動態障礙預報器預測道路及其它車輛的行駛動向。 規劃 Odin上的規劃軟件采用混合審議-反應模型，將上層決策與下層響應分配到不同組件。兩類組件以獨立頻率同步運行，這樣車輛就能對緊急狀況做出響應，同時又無需重新規劃整條路徑。分離決策組件后，便可獨立對每個系統進行測試，并實現并行開發，這對于縮短城市挑戰賽前的設計時間表來說非常重要。 路徑規劃組件采用A*搜索算法做出路徑選擇判斷，從而行駛過所有檢查點。駕駛行為組件采用基于行為的LabVIEW狀態機構架，負責讓賽車遵守交通規則，并引導賽車沿規劃路徑行駛。運動規劃組件采用迭代軌跡搜索避免障礙，并將賽車引導到期望的路徑上。然后，系統將運動方案送到車輛接口，并轉換為激勵器控制信號。 通信 整個通信框架的開發都采用了LabVIEW。我們實現了SAE AS-4無人系統聯合體系結構(JAUS)協議，可進行自動化、動態配置，并提高了城市挑戰賽軟件在未來的可重用性及商業潛力。同時，我們將每個軟件模塊作為JAUS組件，所有模塊間的交互均在該LabVIEW框架內實現。每個軟件模塊作為獨立組件，可在Windows或Linux®操作系統中異步運行。有了這一通信主構架， LabVIEW編寫的軟件模塊與其它語言編寫的模塊的交互、重用變得異常容易。 LabVIEW的優勢 LabVIEW為我們的團隊提供了成功的編成環境，主要有以下原因。作為主要由機械工程師組成的團隊，無需計算機學科背景，就能采用LabVIEW開發高級、高層的感知及規劃算法。此外，LabVIEW與硬件之間簡單的交互操作，提高了實現傳感器處理及車輛控制中高定時精度要求進程的能力。 LabVIEW還提供直觀且易用的調試環境，可實時執行及監測源代碼，輕松實現硬件在環調試。LabVIEW環境使測試時間最大化，實現了快速原型設計及大量設計循環。縮短了參加城市挑戰賽及開發設計本身的時間表。這些能力對車隊的成功至關重要。 我們成功通過LabVIEW及NI硬件開發了無人駕駛賽車，完成了城市挑戰賽，這些對機器人技術來說是從未嘗試過的挑戰。Odin是僅有的一輛全面采用LabVIEW的賽車，并且取得了第三名的成績，僅比領先者慢了幾分鐘。 作者： Patrick Currier - Virginia Polytechnic Institute and State University Jesse Hurdus - TORC Technologies, LLC , Virginia Polytechnic Institute and State University Dr. Al Wicks - Virginia Polytechnic Institute and State University Dr. Charles Reinholtz - Embry Riddle Aeronautical University NI公司供稿 |
