美国弗吉尼亚理工大学学生建造盲人能够驾驶的汽车

 Author(s):
Stephen J. Mraz - 科技让盲人能够驾驶

Industry:
Research, Machines/Mechanics

Products:
Controllers, LabVIEW, Real-Time

The Challenge:
  建造盲人个人能够驾驶的汽车，并且要求驾驶员能够在以单车道道路指定的曲线路线驾驶；将速度控制在预定上限之内；并且能够及时停车防止相撞

The Solution:
  在项目的早期，通过定制电路板控制电机。板卡带有PIC微控制器，管理大量晶体管和继电器，用于以不同强度激活马甲中的电机。从运行LabVIEW的PC通过RS-232信号发送需要使用指令。

   为了刺激能够为盲人带来更多自由的技术的发展，美国国家盲人协会在2004年向工程师和发明家提出了一个挑战：建造盲人个人能够驾驶的汽车。两年之后，只有美国弗吉尼亚理工大学的机器人和机械实验室接受了这个挑战。学校的机械工程系和九个本科学生利用协会的3000美元拨款和感兴趣公司的硬件与软件捐赠，在这个项目上花了两年时间。协会挑战要求驾驶员能够在以单车道道路指定的曲线路线驾驶；将速度控制在预定上限之内；并且能够及时停车防止相撞。

   由于资金有限，美国弗吉尼亚理工大学的团队（现在称为盲人驾驶员项目）从相对简单的越野车开始，将它调整为适合新驾驶员的车辆。

   最初的步骤之一是添加Hokuyo UTM-30LX单平面激光测距仪，起到类似雷达的作用。传感器将车辆前方物体的范围和距离数据传送到NI的CompactRIO实时控制器上。控制器包含FPGA，处理目标，并将测距仪数据转换成相关信息，使驾驶员能够用于保持在路面上驾驶，并且不与障碍物（锥形桶）相撞。

   运行NI LabVIEW程序的控制器能够支持USB功能，因为测距仪只能通过USB工作。同时笔记本和控制器之间通过以太网通讯。笔记本还让有视力的乘客和开发员监视所有的硬件和软件操作，为现场快速标定修改程序。控制器还从霍尔传感器接收车辆速度的反馈以及弦丝电位计发送的驾驶角度。

   当然困难的部分是将传感器信息传达给盲人驾驶员。他们所选择的方法是利用驾驶员的其他感观，例如听觉和触觉。举例而言，驾驶员身穿连接多个电机的马甲。每个电机以不同的强度进行旋转。为了保持在速度上限之内，其中一个电机旋转指示需要刹车，旋转的强度与所需的刹车力量相关。如果控制器将所有的输入数据解释为前方有一个无法避免的障碍物，马甲中的另一个电机将会旋转，指示驾驶员立即停车。

    在项目的早期，通过定制电路板控制电机。板卡带有PIC微控制器，管理大量晶体管和继电器，用于以不同强度激活马甲中的电机。运行LabVIEW的 PC通过RS-232信号发送需要使用指令。但是，在团队获得了CompactRIO控制器时，他们发现可以使用NI 9458八通道继电器模块取代电路板，这样不仅缩小了硬件大小，并且简化了支持软件。更为重要的是，它缩短了检测到障碍物到电机开始旋转之间的时间，这在行车的紧要关头是非常关键的因素。

   对于驾驶，方向盘的一个机制是在每次“点击”时偏转5°。控制器中的势力场算法将激光数据映射到合适的通道中。之后，控制器使用语音生成模块告诉驾驶员需要“点击”多少次以及向哪个方向偏转。

    团队同时开发了触觉地图，以便驾驶员了解他们所在的位置。这个扁平的手持设备在一个表面上有小洞，与沙壶球游戏桌相似。在特定的小孔（象素）中发出压缩空气表示激光范围搜索器探测到的障碍物。地图称为AirPix，让驾驶员“感觉”到障碍物，并绕过他们。

  在过去的那个夏天，团队让30个盲人或有视觉缺陷的人坐在方向盘后，体验驾驶汽车的感觉。无论这是他们的第一次驾驶，或是多年后重新握起方向盘，他们的反应都特别积极。实际上，一个团队成员半开玩笑地说：“我们需要和驾驶员说，不要在停车场吃面包圈。”

驾驶员志愿者还提出了许多改进汽车的建议，团队将会评估这些反馈并设法在今年实现。