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拆解:专为残疾司机设计的半自动驾驶汽车

时间:2019-02-01 作者:Brian Santo 阅读:
若让你设计一款让严重残疾人士也能开车的系统,你会怎么做?艾睿电子用半自动驾驶汽车(SAM)项目回答了这个问题。SAM团队的工程师主要依靠现货(OTS)产品,并设计了一些市面上买不到的东西,集成了一个系统,它可以获取传感器输入并将其发送到线控驱动系统。

若让你设计一款让严重残疾人士也能开车的系统,你会怎么做?艾睿电子用半自动驾驶汽车(SAM)项目回答了这个问题。SAM团队的工程师主要依靠现货(OTS)产品,并设计了一些市面上买不到的东西,集成了一个系统,它可以获取传感器输入并将其发送到线控驱动系统。

通常,拆解的目的是破解系统,去发现制造商因各种原因(例如产品安全性、产品完整性、知识产权或IP保护等)而密封起来的东西。但艾睿总是愿意说SAM汽车中采用了哪些东西,所以这不是典型的拆解。本文提供了一个相当完整的系统组成清单,包括艾睿设计的人机接口(HMI)控制器的物料清单(BOM)。

简而言之,SAM汽车是采用两个关键的传感器系统驱动。它上面有一组四个运动跟踪摄像头,用来捕获驾驶员的头部运动以实现转向。还有一个呼吸(sip/puff)传感器用来测量压力:驾驶员通过一根管子吸气实现制动,并通过呼气实现加速。还有一个GPS导航系统,可以帮助防止汽车完全偏离行驶方向。传感器数据经过处理后会发送到一个线控驱动系统,这个系统是由一家分包商提供。其他详细信息可参阅EETimes的相关报道《How to build a car for someone who can’t drive》。

许多关键工作都是通过软件完成的,包括导航系统的微调,以及如何使用传感器数据来控制车辆。

大多数不直接用于驾驶的物理子系统(包括输入传感器、线控执行器以及辅助驾驶故障保护装置)都被安装在驾驶员背后。第一辆SAM车是在一辆雪佛兰Corvette上改装的,这些子系统都放在了后备箱里,详情请见如下图片。

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对于帮助四肢瘫痪的驾驶员操纵车辆所必需的大部分子系统,艾睿电子的SAM项目团队使用雪佛兰Corvette Stingray的后备箱来安放。(来源:艾睿电子)

呼吸控制器

呼吸控制器不仅可以测量压力来控制加速和制动,还可以用于向驾驶员提供这些程度的反馈信息(比如视觉、听觉和触觉)。这一电路板上的关键元器件包括:

  • NXP(原飞思卡尔)K64微控制器,它集成了120MHz Cortex MCU、1MB闪存和256KB SRAM。
  • MPXV7025GP压力传感器(NXP)
  • SGTL5000立体声音频编解码器(NXP)
  • PCA9626B 24 LED驱动器(NXP)
  • 各种以太网供电(PoE)支持器件(ADI)
  • 以太网PHY(Microchip)

该电路板的BOM还包括一些EEPROM、多家厂商提供的电阻、电容和开关,以及其他器件。

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NXP提供的MPXV7025GP压力传感器。(来源:艾睿电子)

导航计算机

SAM工程师Josh Willis表示,导航计算机用于“汇集转向和汽油/制动值,然后充当手动开关,通过CAN总线与线控驱动系统连接。”上面的照片中它就是Nitrogen 6X Guidance PC,即一个蓝色的盒子,位于汽车后备箱的右下角。Nitrogen 6X单板计算机(SBC)是款现货产品。它基于NXP i.MX 6 ARM-Cortex A9处理器,标配1GB DDR3和千兆以太网。艾睿向Boundary Devices请求做了一次修改,即支持PoE功能。

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SAM汽车团队主要依靠现货子系统。当需要做修改时,通常是添加PoE支持。(来源:艾睿电子)

摄像头系统

SAM汽车的驾驶舱内有四个摄像头,用来跟踪头部运动。它们都是现货产品,即OptiTrack(NaturalPoint)的Prime 13W。这种13M像素的摄像头,其帧率为240fps,并带有PoE接口。

摄像头PC是另一款现货系统——Portwell的嵌入式计算机PCS-8311P。它基于第5代Intel酷睿处理器,支持4个PoE接口。

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SAM汽车使用四个红外摄像头(OptiTrack Prime 13W)来跟踪驾驶员的头部运动。驾驶员只要转动头部,即可改变汽车的行驶方向。(来源:艾睿电子)

IoT系统

IoT系统主要用于远程信息处理。其核心是研华的ARK-2121V嵌入式计算机。该计算机基于Intel Atom处理器,(当然)也支持PoE。它虽然可以配置,但基本上是一个现货系统。研华嵌入式计算机与Digi WR44 Transport(无线通信调制解调器)和Digi XBEE无线模块相结合,形成了一个环境感应系统。艾睿团队为分析跟踪和系统监控编写了定制应用程序,Willis指出。

其他系统

在原型SAM和随后的修改版中,艾睿电子都是外包的线控系统。最初使用的是由Electronic Mobility Controls开发的AEVIT(高级电子车辆接口技术)系统。在新版本中,线控驱动系统是由Paravan提供。它也集成了多个系统,这样在向许多系统增加三重冗余时,就可以减少单独盒子的数量。GPS系统包括Novatel和Torq的现货设备。

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升级版SAM汽车集成了一些系统,并增加了三重冗余。(来源:艾睿电子)

改造这项技术

艾睿的SAM项目旨在展示可能实现怎样的应用,然后将所开发的软硬件设计经验分享出来,而不要求IP保护。

从演示来看,这项技术使一位四肢瘫痪的前赛车手实现了驾驶雪佛兰Corvette在公路上行驶。该系统现已更新,目前正用于帮助其他身体残疾人士在街上驾驶各种车辆。这项技术对于想要做类似事情的人来说也绝对可以使用。

这项技术还有可能改造用来帮助任何有严重运动限制的人,让他们能够有效、安全地操纵除汽车以外的其他设备。此外,由于该系统的关键要素是HMI,因此也可以用它来为没有身体残疾的人设计系统,例如可以通过改造该技术来帮助用户更好地执行某项任务,或者远程执行某项任务,或者同时执行多项任务。

如上所述,艾睿电子会同时提供硬件和软件设计,并为有兴趣使用它们的公司提供设计帮助。不过,请认真询问哦。如果您有兴趣,请联系艾睿电子的Josh Willis

注:艾睿电子是ASPENCORE的母公司,ASPENCORE媒体网络包括EE Times、EDN、Electronic Products等行业媒体。

本文为《电子技术设计》20192月刊杂志文章。

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