采用LabVIEW及CompactRIO为视力障碍人群设计半自动车辆

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:
开发半自动车辆允许盲人驾驶员在安全驾驶的过程中成功完成操纵、速度控制、并避免碰撞。

The Solution:
采用NI CompactRIO及LabVIEW软件开发世界首辆盲人驾驶车辆的功能原型。

Gallery

15岁的失明者Ishaan Rostogi(图片轮椅上)，驾驶由弗吉尼亚理工大学采用NI技术设计的世界首辆盲人驾驶车辆。

致力于提升并发挥失明人群经常被低估的能力，鼓励服务于视力障碍群体的技术创新开发，美国国家失明人士联合会提出建议，设计一种系统来帮助失明人群尝试从未有过的体验：驾驶。弗吉尼亚理工大学的机器人与器械实验室(RoMeLa)是唯一一个接收挑战的组织。该大学机械工程系 于2008年重新建立了高年级设计团队和大学生研究项目弗吉尼亚大学盲人驾驶挑战(BDC)，他们为世界首辆可用的盲人驾驶车辆原型定义了最初的目标。

9名大学生仅花费两个学期，$3,000 USD经费就完成了设计，盲人驾驶员可安全地实现三种基本驾驶任务：在由单排的锥形交通路标定义的曲线驾驶路线中行进；预先设定的正常速度行驶；有效的紧急刹车能力以避开与障碍物的碰撞。

我们的原型平台
从项目的最初开始，盲人驾驶系统的软硬件设计中仅用了NI的产品。我们选择NI产品的原因是其低成本的原型设计平台、快速的数据采集和处理，确保在实时系统中能最小化时间迟滞、与各类传感器及设备的兼容性、苛刻测试环境下的性能及可靠性、直观的编程界面、模块化、尺寸、重量、以及未来开发中的硬件扩展能力。研究人员考察了RoMeLa在各类应用中长期使用NI产品的成功经验，包括从类人足球机器人到全自治式车辆。除了盲人驾驶系统，这些应用证明了NI软硬件在机器人应用建模平台上的多功能性及功能理想性。

环境感知
目前的盲人驾驶系统由各类传感器和新颖的非视觉驾驶界面组成，就像附加在沙漠越野汽车上的模块化系统。我们采用Hokuyo UTM-30LX单平面激光测距仪作为环境探测器，扫描驾驶环境中的锥形交通路标及其它障碍，并将扫描信息送到板载NI cRIO-9072实时处理器及实时可编程门阵列(FPGA)处理目标上。现有的NI设备驱动能够直接支持Hokuyo LRF产品，因为NI工程师在UTM-30LX公开发布之前就提供了自定义驱动。

运行LabVIEW软件的笔记本电脑提供了支持cRIO-9072的临时USB连接能力，由于30LX仅有USB接口，不像以前使用的其它多数模块可选RS232接口。我们做了进一步设计使实时控制器提供USB连接能力，并绕开笔记本电脑采用第三方转换芯片；然而，cRIO-9072与笔记本电脑间的以太网通信对目前的需求来说已经足够了。 笔记本电脑还支持正常视力的乘客被动监视所有软硬件的操作，轻松修改任何启发式编程，从而能够在现场试验中快速标定。

其它传感器根据车辆的状态来采集重要信息，如霍尔效应传感器通过弦丝电位器采集速度信息及操纵角度。我们从这些传感器采集数据，并采用CompactRIO实时控制器上的高速FPGA直接处理。

非视觉驾驶界面
通过各类传感器完成驾驶环境图像采集后，我们对数据进行处理并通过非视觉方式传送给驾驶员。开发非视觉驾驶界面 (NVDI) 的最终目标是向驾驶员提供高效的信息，最大化驾驶员的环境感知度，从而快速精确的作出驾驶决策。车辆最初的NVDI上的包含了针对安全性和冗余备份的信息和指示。

对于限速规则，驾驶员可自如地驾驶直至到达速度上限，此时座椅安全带上的震动触觉的背心会提示驾驶员需要多大的刹车力度来使车辆回到安全速度。如果车辆探测到不可避免的障碍物碰撞，背心会提示驾驶员紧急刹车。

最初的背心测试中，我们采用了自定义电路板来控制电机马达。RS232信号从PC上的LabVIEW软件传输到PIC控制器，通过控制晶体管和继电器来驱动电机实现背心各种强度的振动。采用CompactRIO以后由于有了NI 9485 8通道继电器模块，我们不再需要电路板。电路板的替换缩小了体积，降低了添加硬件时的潜在复杂度，显著简化了软件编写，极大缩短了从探测到障碍到电机马达全速振动之间的时间，这点对于驾驶员在紧急情况下的操控是至关重要的。

对于方向控制，势场算法提供了道路的生成。完成道路计算后，系统指示驾驶员如何转向保持车辆方向以及回避障碍物。驾驶员通过耳机和LabVIEW语音合成软件得到信息，从而知道方向盘需要转多少个“嘀嗒”声。与转向柱连接的机构每五度发出一声“嘀嗒”声，提供精确的反馈声响。

此外，我们开发了触觉地图原型，从概念上类似于高分辨率栅格的可再生盲文。地图将周围环境的图像真切地显示在驾驶员的手上。类似曲棍球台上的小洞，将压缩空气通过小孔来描绘激光测距仪探测到的周围障碍，从而生成物理地图。该设备我们称之为 AirPix，可让驾驶员“看到”周围环境并安全地驾驶通过。声音和震动触觉NVDI仍然需要作为备份，但应用了该触觉地图技术提供的高带宽感知特性允许驾驶员使用其它驾驶方式 ，如通过声音识别软件来收听和使用GPS，实现更高层次的道路规划。

NI软硬件的优势
我们使用NI软化硬件设计了世界上首辆盲人驾驶车辆的原型机。在资金和开发时间有限的情况下，NI产品是项目成功的关键，它提供了简单易用且低成本的原型开发平台。LabVIEW直观的图形编程界面使机械工程的大学生团队快速有效的创建自定义嵌入式软件，无需任何文本编程语言的专业经验。

模块化设计及CompactRIO与 I/O模块的连接性，结合LabVIEW与外部设备的广泛兼容型，确保了系统在未来扩展与改进时只需最小的精力和成本。实时FPGA处理目标提供了高速的数据采集和处理能力，有效地从实时驾驶环境下采集到重要数据。除了外设的兼容性，CompactRIO方便合适的尺寸及较轻的重量是目前空间、负载有限的盲人驾驶车辆的理想选择。

在大量反复的整个原型设计过程中，NI模块化产品非常适用于特殊、要求苛刻的测试环境、车辆平台的改变、以及项目目标的转换。通过使用多功能多用途的NI软硬件，弗吉尼亚理工大学盲人驾驶挑战赛在盲人应用技术领域中不断“创造未来”。

衍生技术和未来计划
在2008 至2009学年之后的数月中，弗吉尼亚理工大学盲人驾驶挑战赛向超过全国各地的30位各年龄段的失明及弱视者提供了驾驶汽车的机会。无论是首次坐在驾驶盘前，或是多年后重新驾驶汽车，他们的反应都是无比积极、充满希望的。国内及国际媒体的报道引起了对失明人群能力的强烈关注，也激发了合作研究及开发各领域的新型盲人应用技术的兴趣。

各种潜在的衍生技术是设计过程中的重点。由于这些设备在支持盲人驾驶车辆中被证明是有效的，接下来我们可以想象这些设备可以让其它驾驶员获益，如视野不佳、打电话或收发短消息、打瞌睡、及其它注意力分散的驾驶员。我们能够为各类驾驶环境设计提前警告的设备以及缓解碰撞的系统，尤其是天气环境恶劣或低能见度的环境。

除了汽车应用以外，在触觉人机界面设备领域也有潜在的应用，尤其是失明行人。非视觉界面可轻松部署到飞机驾驶舱，目前的技术使驾驶员在很大程度上依赖视觉能力。在高饱和度的视觉环境下发送高带宽的其它感知信息将极大提升飞行员的环境感知，这也是操作任何交通工具时的关键。

尽管在未来的很多年中我们不太可能看到盲人驾驶员，但潜在的衍生技术都能即刻适用于各类领域中。