LabVIEW 及 CompactRIO 为视力障碍人群设计 半自动车辆.doc

LabVIEW 及 CompactRIO 为视力障碍人群设计 半自动车辆在资金和开发时间 有限的情况下，NI 产品在项目成功中起 到了关键作用，它提 供了简单易用、低成 本的原型开发平 台。- Dr. Dennis Hong, Virginia Polytechnic Institute and State UniversityThe 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。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。Author (s):Dr. Dennis Hong - Virginia Polytechnic Institute and State UniversityGreg Jannaman - Virginia Polytechnic Institute and State UniversityKimberly Wenger - Virginia Polytechnic Institute and State University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。1/7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。Author Information:Dr. Dennis HongVirginia Polytechnic Institute and State University dhongvt. edu15岁的失明者 Ishaan Rostogi(图 片轮椅上