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挑戰：為DARPA挑戰賽開(kāi)發(fā)一輛參賽智能車(chē)，可自動(dòng)穿越郊區環(huán)境。 方案：使用NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境與NI硬件平臺對智能車(chē)進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)、測試以及原型，從而贏(yíng)得挑戰賽。 DARPA城市挑戰賽要求路上車(chē)輛在城市環(huán)境中無(wú)人駕駛行駛。在整個(gè)賽程中，全自主的無(wú)人車(chē)要在不到6小時(shí)中行駛60英里，并在道路、十字路口、停車(chē)場(chǎng)等交通環(huán)境里行駛。比賽開(kāi)始時(shí)，一份任務(wù)文檔規定了比賽道路中的檢查站，參賽車(chē)輛必須按規定駛過(guò)。 為了盡快到達檢查站，賽車(chē)通過(guò)對限速、可能的道路阻塞、交通狀況等因素的考慮，選擇合適的行駛路線(xiàn)。賽車(chē)在行駛中還必須遵守交通規則，與有人駕駛車(chē)輛及其它無(wú)人車(chē)輛間的正確交互。賽車(chē)需在規定車(chē)道內行駛，對其它車(chē)輛的車(chē)速或超車(chē)做出安全的反應。此外，在十字路口必須依照路權規則安全行駛，規避靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的障礙物，時(shí)速達到30 mph。 我們的Victor Tango車(chē)隊僅有12個(gè)月用于賽車(chē)開(kāi)發(fā)，且必須滿(mǎn)足前所未有的挑戰。我們將設計分為四個(gè)主要部分：基礎平臺、感知、規劃、及通信。 每部分都充分利用了美國國家儀器公司軟硬件的優(yōu)勢。NI硬件有助于連接車(chē)輛已有系統，為操作人員提供界面。我們采用LabVIEW 圖形化編程環(huán)境來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，包括通信構架、傳感器處理和目標識別算法、激光測距儀和基于視覺(jué)的路況探測、高級駕駛行為、及底層車(chē)輛接口。 基礎平臺 Odin是由福特2005年的Escape Hybrid改裝的無(wú)人駕駛車(chē)輛。通過(guò)NI CompactRIO系統與Escape的系統連接，實(shí)現對節流閥、轉向裝置、變速、及剎車(chē)的線(xiàn)傳控制。車(chē)隊采用LabVIEW及LabVIEW控制設計及仿真模塊開(kāi)發(fā)道路曲率及速度控制系統，通過(guò)LabVIEW Real-Time及LabVIEW FPGA模塊發(fā)布到CompactRIO系統，創(chuàng )建獨立的車(chē)輛平臺。我們還采用LabVIEW 觸摸板模塊為NI TPC-2006觸摸板計算機開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面，并安裝于車(chē)輛儀表盤(pán)上。 感知 為滿(mǎn)足賽車(chē)在城市挑戰賽中的行為需求，Odin必須能夠自行定位，探測路況周邊環(huán)境及正確車(chē)道，感知道路上的所有障礙，并能正確的將障礙識別為汽車(chē)。因此，Odin上安裝了許多傳感器，包括在緩沖器平面上安裝的三臺IBEO四面激光測距儀(LRFs)，在車(chē)頂架上安裝的四臺SICK LRF和兩個(gè)計算機視覺(jué)攝像頭，以及Novatel高精度GPS/IMU系統。 針對每種感知需求，設計中都采用了多個(gè)傳感器，以確保最大的真實(shí)性及可靠性。為實(shí)現靈活的傳感器組合，規劃軟件忽略了原始傳感器數據，采用特定任務(wù)組件生成的獨立傳感器感知信息集。定位組件包括LabVIEW Kalman濾波器，用于跟蹤賽車(chē)的位置及方向。道路探測組件采用NI視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊，通過(guò)攝像頭及LRF數據的組合，確定臨近路段的路況環(huán)境及車(chē)道位置。目標分類(lèi)組件采用LabVIEW來(lái)處理IBEO數據，探測障礙并將其分類(lèi)為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)；動(dòng)態(tài)障礙預報器預測道路及其它車(chē)輛的行駛動(dòng)向。 規劃 Odin上的規劃軟件采用混合審議-反應模型，將上層決策與下層響應分配到不同組件。兩類(lèi)組件以獨立頻率同步運行，這樣車(chē)輛就能對緊急狀況做出響應，同時(shí)又無(wú)需重新規劃整條路徑。分離決策組件后，便可獨立對每個(gè)系統進(jìn)行測試，并實(shí)現并行開(kāi)發(fā)，這對于縮短城市挑戰賽前的設計時(shí)間表來(lái)說(shuō)非常重要。 路徑規劃組件采用A*搜索算法做出路徑選擇判斷，從而行駛過(guò)所有檢查點(diǎn)。駕駛行為組件采用基于行為的LabVIEW狀態(tài)機構架，負責讓賽車(chē)遵守交通規則，并引導賽車(chē)沿規劃路徑行駛。運動(dòng)規劃組件采用迭代軌跡搜索避免障礙，并將賽車(chē)引導到期望的路徑上。然后，系統將運動(dòng)方案送到車(chē)輛接口，并轉換為激勵器控制信號。 通信 整個(gè)通信框架的開(kāi)發(fā)都采用了LabVIEW。我們實(shí)現了SAE AS-4無(wú)人系統聯(lián)合體系結構(JAUS)協(xié)議，可進(jìn)行自動(dòng)化、動(dòng)態(tài)配置，并提高了城市挑戰賽軟件在未來(lái)的可重用性及商業(yè)潛力。同時(shí)，我們將每個(gè)軟件模塊作為JAUS組件，所有模塊間的交互均在該LabVIEW框架內實(shí)現。每個(gè)軟件模塊作為獨立組件，可在Windows或Linux®操作系統中異步運行。有了這一通信主構架， LabVIEW編寫(xiě)的軟件模塊與其它語(yǔ)言編寫(xiě)的模塊的交互、重用變得異常容易。 LabVIEW的優(yōu)勢 LabVIEW為我們的團隊提供了成功的編成環(huán)境，主要有以下原因。作為主要由機械工程師組成的團隊，無(wú)需計算機學(xué)科背景，就能采用LabVIEW開(kāi)發(fā)高級、高層的感知及規劃算法。此外，LabVIEW與硬件之間簡(jiǎn)單的交互操作，提高了實(shí)現傳感器處理及車(chē)輛控制中高定時(shí)精度要求進(jìn)程的能力。 LabVIEW還提供直觀(guān)且易用的調試環(huán)境，可實(shí)時(shí)執行及監測源代碼，輕松實(shí)現硬件在環(huán)調試。LabVIEW環(huán)境使測試時(shí)間最大化，實(shí)現了快速原型設計及大量設計循環(huán)�？s短了參加城市挑戰賽及開(kāi)發(fā)設計本身的時(shí)間表。這些能力對車(chē)隊的成功至關(guān)重要。 我們成功通過(guò)LabVIEW及NI硬件開(kāi)發(fā)了無(wú)人駕駛賽車(chē)，完成了城市挑戰賽，這些對機器人技術(shù)來(lái)說(shuō)是從未嘗試過(guò)的挑戰。Odin是僅有的一輛全面采用LabVIEW的賽車(chē)，并且取得了第三名的成績(jì)，僅比領(lǐng)先者慢了幾分鐘。 作者： Patrick Currier - Virginia Polytechnic Institute and State University Jesse Hurdus - TORC Technologies, LLC , Virginia Polytechnic Institute and State University Dr. Al Wicks - Virginia Polytechnic Institute and State University Dr. Charles Reinholtz - Embry Riddle Aeronautical University NI公司供稿 |
