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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。

　　The Challenge:

　　開發(fā)半自動(dòng)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。

　　"在資金和開發(fā)時(shí)間有限的情況下，NI產(chǎn)品在項(xiàng)目成功中起到了關(guān)鍵作用，它提供了簡單易用、低成本的原型開發(fā)平臺(tái)。"

　　致力于提升并發(fā)揮失明人群經(jīng)常被低估的能力，鼓勵(lì)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(huì)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(gè)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(jí)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(gè)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(tái)

　　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(tái)、快速的數(shù)據(jù)采集和處理，確保在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中能最小化時(shí)間遲滯、與各類傳感器及設(shè)備的兼容性、苛刻測(cè)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(tái)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(cè)距儀作為環(huán)境探測(cè)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(shí)處理器及實(shí)時(shí)可編程門陣列(FPGA)處理目標(biāo)上。現(xiàn)有的NI設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)。

　　運(yùn)行LabVIEW軟件的筆記本電腦提供了支持cRIO-9072的臨時(shí)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(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)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(duì)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(duì)安全性和冗余備份的信息和指示。

　　對(duì)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(shí)座椅安全帶上的震動(dòng)觸覺的背心會(huì)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(cè)到不可避免的障礙物碰撞，背心會(huì)提示駕駛員緊急剎車。

　　最初的背心測(cè)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(hào)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(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)背心各種強(qiáng)度的振動(dòng)。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(shí)的潛在復(fù)雜度，顯著簡化了軟件編寫，極大縮短了從探測(cè)到障礙到電機(jī)馬達(dá)全速振動(dòng)之間的時(shí)間，這點(diǎn)對(duì)于駕駛員在緊急情況下的操控是至關(guān)重要的。

　　對(duì)于方向控制，勢(shì)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(gè)“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(tái)上的小洞，將壓縮空氣通過小孔來描繪激光測(cè)距儀探測(cè)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(dòng)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(shí)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(shì)

　　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(shí)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(tái)。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(shí)只需最小的精力和成本。實(shí)時(shí)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(shí)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(gè)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(cè)試環(huán)境、車輛平臺(tái)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(huì)。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(duì)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(shí)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。