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- 智能導(dǎo)盲杖融合傳感器技術(shù),幫助視障者一路暢行
- 來源:賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2017/2/14
以傳感器融合(sensor fusion)實(shí)現(xiàn)的障礙物偵測技術(shù),是目前正在開發(fā)的自動(dòng)駕駛車輛之核心,汽車產(chǎn)業(yè)在該技術(shù)方面的進(jìn)展迅速,但是否有可能將同樣的傳感器融合技術(shù)整合到可穿戴式裝置,讓視障者受惠?一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)試圖開發(fā)可攜、可穿戴的多傳感器低功耗空間探索暨障礙物偵測系統(tǒng),催生一枝智能導(dǎo)盲杖。
目前有一群研究人員接受了這個(gè)挑戰(zhàn),這是歐洲一項(xiàng)簡稱INSPEX之“整合式智能空間探索系統(tǒng)(Integrated Smart Spatial Exploration System)”研發(fā)計(jì)劃的一部分;根據(jù)法國研究機(jī)構(gòu)CEA Tech旗下的科技研究所Leti表示,研究團(tuán)隊(duì)試圖開發(fā)可攜、可穿戴的多傳感器低功耗空間探索暨障礙物偵測系統(tǒng),目標(biāo)是催生一枝嵌入INSPEX系統(tǒng)的導(dǎo)盲杖,配備能提供回饋障礙物位置的3D空間音頻回饋周邊裝置。 20170210 Leti NT03P1(圖片來源:Leti)
要實(shí)現(xiàn)目標(biāo),研究團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)超越目前自動(dòng)駕駛車輛水平好幾步的技術(shù);首先這個(gè)任務(wù)的需求包括設(shè)計(jì)能適應(yīng)各種天氣與能見度的障礙物偵測系統(tǒng),也就是能在煙霧、塵埃、霧霾、暴雨/雪以及黑暗中都能運(yùn)作、對自動(dòng)駕駛車輛來說并非易事的偵測技術(shù)。
第二,該團(tuán)隊(duì)需要大幅降低該可攜式系統(tǒng)的重量與功耗;第三,或許也是最重要的,則是可靠度。Leti表示,INSPEX系統(tǒng)的潛在應(yīng)用包括無人機(jī)與智能制造(組裝設(shè)備、保全設(shè)備),以及導(dǎo)引視障者:“它會被使用于適合所有環(huán)境的實(shí)時(shí)性3D偵測,隊(duì)障礙物的位置發(fā)出警報(bào)──包括室內(nèi)與室外所有未知的固定與移動(dòng)障礙物!
INSPEX系統(tǒng)采用各種傳感器技術(shù),包括光達(dá)(LiDAR)、超寬帶(UWB)雷達(dá)以及MEMS超音波;該計(jì)劃協(xié)調(diào)人、Leti研究總監(jiān)Suzanne Lesecq對EE Times表示,該計(jì)劃是由Horizon 2020 (歐盟最大的研究與創(chuàng)新計(jì)劃)所贊助,在1月1日正式啟動(dòng),期望能在36個(gè)月(2019年)能有圓滿結(jié)局。
Lesecq承諾,研究團(tuán)隊(duì)將在2017年12月:“先有第一次的概念驗(yàn)證...驗(yàn)證我們的方案!倍A(yù)期中的要素是:“在低功耗微控制器上融合數(shù)種距離感測技術(shù),建立使用者周遭環(huán)境的地圖!彼峒耙环NLeti開發(fā)的“Σ融合(sigma fusion)”技術(shù)。
適合所有氣象條件
該偵測系統(tǒng)需要能適用所有氣象條件,Lesecq表示:“這確實(shí)是非常大的挑戰(zhàn),這也是我們?yōu)槭裁创蛩悴捎枚鄻踊木嚯x感測技術(shù),包括合作伙伴們提供的芯片上光達(dá)、MEMS超音波以及UWB射頻雷達(dá)。”
她指出:“我們的目標(biāo)是讓INSPEX系統(tǒng)能在不同的氣象條件(包括雨、雪與沙塵暴)、寬廣的溫度范圍(通常是-20°C~40°C)、還有低能見度(夜間、霧霾等)下運(yùn)作;環(huán)境感測模塊將有助于根據(jù)不同的環(huán)境狀態(tài)來重新配置系統(tǒng)!
而考慮到INSPEX系統(tǒng)是需要安裝在導(dǎo)盲杖中,其目標(biāo)功耗是?對此Lesecq表示:“我們將該行動(dòng)式偵測裝置的目標(biāo)功耗訂在500mW;”她坦承這會是非常大的挑戰(zhàn),因?yàn)橛?jì)劃合作伙伴所提供的距離傳感器實(shí)際功耗:“問題實(shí)際上也不真的在于功耗本身,而是電池的尺寸,我們會需要確保該系統(tǒng)能一整天順利運(yùn)作不需要充電。”Lesecq并指出,要打造一款真正好用的行動(dòng)裝置,其重量比須要盡可能減輕,最好低于200公克(gram)。
預(yù)期將會進(jìn)駐INSPEX系統(tǒng)的各種距離感測技術(shù)中包括了UWB雷達(dá),它與一般的雷達(dá)系統(tǒng)有什么不同?Lesecq解釋:“雷達(dá)技術(shù)是以所使用的載波訊號波形(carrier signal waveform)來定義,以及其訊號之頻譜占用!
典型的調(diào)頻連續(xù)波(frequency modulated continuous wave,F(xiàn)MCW)雷達(dá),波形是連續(xù)的調(diào)頻──即線性調(diào)頻(chirp),UWB雷達(dá)的波形則是短脈沖,并因此會有占用較大頻譜:“UWB意味著訊號是在3~10GHz頻段,訊號帶寬是脈沖載波頻率的至少20%!
系統(tǒng)配置
Lesecq指出,該系統(tǒng)的第一個(gè)原型將會是為視障者量身打造,這種導(dǎo)盲杖預(yù)計(jì)能在2018年12月問世:“配備整合于原型中的所有測距技術(shù)。”
除了導(dǎo)盲杖之外,要讓整個(gè)系統(tǒng)能為用戶順利運(yùn)作,還需要其他哪些周邊裝置?更重要的是,其中會用到那些技術(shù)?Lesecq解釋,障礙物的位置會是透過一種配備擴(kuò)增實(shí)境3D音頻接口的外掛式耳機(jī)來提供:“這種耳機(jī)將與智能型手機(jī)連結(jié),而手機(jī)則是透過藍(lán)牙低功耗技術(shù)與行動(dòng)式偵測裝置通訊;”如下圖所顯示分成三種裝置的整體解決方案。
第一,行動(dòng)偵測裝置會整合研發(fā)計(jì)劃伙伴提供的數(shù)種距離感測技術(shù)(如前面提到的芯片上光達(dá)、MEMS超音波以及UWB雷達(dá)),這需要在計(jì)劃期間進(jìn)行優(yōu)化,以符合功耗預(yù)算;這些距離感測技術(shù)的選擇,取決于該行動(dòng)式偵測裝置在不同環(huán)境(溫濕度、亮度與能見度)與特殊情況(路面坑洞、階梯)下偵測眾多不同障礙物之性能。
其他兩種裝置則包括智能型手機(jī)以及耳機(jī);具體來說,針對這種應(yīng)用,將以耳外式耳機(jī)整合擴(kuò)增實(shí)境音頻接口(Augmented Reality Audio Interface)以提供空間3D聲音回饋;這種回饋會把由耳機(jī)中內(nèi)建的姿勢與航向參考系統(tǒng)(AHRS)追蹤的頭部姿勢納入考慮。
情境感知(Context-aware)通訊則將把用戶與智能環(huán)境整合,例如智能交通號志、導(dǎo)航信標(biāo)以及與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)裝置相關(guān)聯(lián)的ID卷標(biāo);Lesecq還指出,用戶的行動(dòng)偵測裝置也能整合地圖繪制(mapping)應(yīng)用程序。
參與INSPEX系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目成員除了Leti還包括歐洲的多所大學(xué)與研究機(jī)構(gòu);Lesecq表示最終原型將在2019年9月完成,提供給視障者在實(shí)際生活情況中進(jìn)行評估。
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