Author(s):
Stephen J. Mraz - 科技讓盲人能夠駕駛

Industry:
Research, Machines/Mechanics

Products:
Controllers, LabVIEW, Real-Time

The Challenge:
  建造盲人個人能夠駕駛的汽車，并且要求駕駛員能夠在以單車道道路指定的曲線路線駕駛；將速度控制在預(yù)定上限之內(nèi)；并且能夠及時停車防止相撞

The Solution:
  在項目的早期，通過定制電路板控制電機。板卡帶有PIC微控制器，管理大量晶體管和繼電器，用于以不同強度激活馬甲中的電機。從運行LabVIEW的PC通過RS-232信號發(fā)送需要使用指令。

   為了刺激能夠為盲人帶來更多自由的技術(shù)的發(fā)展，美國國家盲人協(xié)會在2004年向工程師和發(fā)明家提出了一個挑戰(zhàn)：建造盲人個人能夠駕駛的汽車。兩年之后，只有美國弗吉尼亞理工大學(xué)的機器人和機械實驗室接受了這個挑戰(zhàn)。學(xué)校的機械工程系和九個本科學(xué)生利用協(xié)會的3000美元撥款和感興趣公司的硬件與軟件捐贈，在這個項目上花了兩年時間。協(xié)會挑戰(zhàn)要求駕駛員能夠在以單車道道路指定的曲線路線駕駛；將速度控制在預(yù)定上限之內(nèi)；并且能夠及時停車防止相撞。

   由于資金有限，美國弗吉尼亞理工大學(xué)的團隊（現(xiàn)在稱為盲人駕駛員項目）從相對簡單的越野車開始，將它調(diào)整為適合新駕駛員的車輛。

   最初的步驟之一是添加Hokuyo UTM-30LX單平面激光測距儀，起到類似雷達的作用。傳感器將車輛前方物體的范圍和距離數(shù)據(jù)傳送到NI的CompactRIO實時控制器上?？刂破靼現(xiàn)PGA，處理目標，并將測距儀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相關(guān)信息，使駕駛員能夠用于保持在路面上駕駛，并且不與障礙物（錐形桶）相撞。

   運行NI LabVIEW程序的控制器能夠支持USB功能，因為測距儀只能通過USB工作。同時筆記本和控制器之間通過以太網(wǎng)通訊。筆記本還讓有視力的乘客和開發(fā)員監(jiān)視所有的硬件和軟件操作，為現(xiàn)場快速標定修改程序?？刂破鬟€從霍爾傳感器接收車輛速度的反饋以及弦絲電位計發(fā)送的駕駛角度。

   當然困難的部分是將傳感器信息傳達給盲人駕駛員。他們所選擇的方法是利用駕駛員的其他感觀，例如聽覺和觸覺。舉例而言，駕駛員身穿連接多個電機的馬甲。每個電機以不同的強度進行旋轉(zhuǎn)。為了保持在速度上限之內(nèi)，其中一個電機旋轉(zhuǎn)指示需要剎車，旋轉(zhuǎn)的強度與所需的剎車力量相關(guān)。如果控制器將所有的輸入數(shù)據(jù)解釋為前方有一個無法避免的障礙物，馬甲中的另一個電機將會旋轉(zhuǎn)，指示駕駛員立即停車。

    在項目的早期，通過定制電路板控制電機。板卡帶有PIC微控制器，管理大量晶體管和繼電器，用于以不同強度激活馬甲中的電機。運行LabVIEW的 PC通過RS-232信號發(fā)送需要使用指令。但是，在團隊獲得了CompactRIO控制器時，他們發(fā)現(xiàn)可以使用NI 9458八通道繼電器模塊取代電路板，這樣不僅縮小了硬件大小，并且簡化了支持軟件。更為重要的是，它縮短了檢測到障礙物到電機開始旋轉(zhuǎn)之間的時間，這在行車的緊要關(guān)頭是非常關(guān)鍵的因素。

   對于駕駛，方向盤的一個機制是在每次“點擊”時偏轉(zhuǎn)5°?？刂破髦械膭萘鏊惴▽⒓す鈹?shù)據(jù)映射到合適的通道中。之后，控制器使用語音生成模塊告訴駕駛員需要“點擊”多少次以及向哪個方向偏轉(zhuǎn)。

    團隊同時開發(fā)了觸覺地圖，以便駕駛員了解他們所在的位置。這個扁平的手持設(shè)備在一個表面上有小洞，與沙壺球游戲桌相似。在特定的小孔（象素）中發(fā)出壓縮空氣表示激光范圍搜索器探測到的障礙物。地圖稱為AirPix，讓駕駛員“感覺”到障礙物，并繞過他們。

  在過去的那個夏天，團隊讓30個盲人或有視覺缺陷的人坐在方向盤后，體驗駕駛汽車的感覺。無論這是他們的第一次駕駛，或是多年后重新握起方向盤，他們的反應(yīng)都特別積極。實際上，一個團隊成員半開玩笑地說：“我們需要和駕駛員說，不要在停車場吃面包圈。”

駕駛員志愿者還提出了許多改進汽車的建議，團隊將會評估這些反饋并設(shè)法在今年實現(xiàn)。