NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境與NI硬件平臺(tái)，開發(fā)無人駕駛賽車

挑戰(zhàn)：為DARPA挑戰(zhàn)賽開發(fā)一輛參賽智能車，可自動(dòng)穿越郊區(qū)環(huán)境。

方案：使用NI LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境與NI硬件平臺(tái)對(duì)智能車進(jìn)行快速開發(fā)、測試以及原型，從而贏得挑戰(zhàn)賽。

DARPA城市挑戰(zhàn)賽要求路上車輛在城市環(huán)境中無人駕駛行駛。在整個(gè)賽程中，全自主的無人車要在不到6小時(shí)中行駛60英里，并在道路、十字路口、停車場等交通環(huán)境里行駛。比賽開始時(shí)，一份任務(wù)文檔規(guī)定了比賽道路中的檢查站，參賽車輛必須按規(guī)定駛過。

為了盡快到達(dá)檢查站，賽車通過對(duì)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。賽車在行駛中還必須遵守交通規(guī)則，與有人駕駛車輛及其它無人車輛間的正確交互。賽車需在規(guī)定車道內(nèi)行駛，對(duì)其它車輛的車速或超車做出安全的反應(yīng)。此外，在十字路口必須依照路權(quán)規(guī)則安全行駛，規(guī)避靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的障礙物，時(shí)速達(dá)到30 mph。

我們的Victor Tango車隊(duì)僅有12個(gè)月用于賽車開發(fā)，且必須滿足前所未有的挑戰(zhàn)。我們將設(shè)計(jì)分為四個(gè)主要部分：基礎(chǔ)平臺(tái)、感知、規(guī)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(shì)。NI硬件有助于連接車輛已有系統(tǒng)，為操作人員提供界面。我們采用LabVIEW 圖形化編程環(huán)境來開發(fā)軟件，包括通信構(gòu)架、傳感器處理和目標(biāo)識(shí)別算法、激光測距儀和基于視覺的路況探測、高級(jí)駕駛行為、及底層車輛接口。

基礎(chǔ)平臺(tái)

Odin是由福特2005年的Escape Hybrid改裝的無人駕駛車輛。通過NI CompactRIO系統(tǒng)與Escape的系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)流閥、轉(zhuǎn)向裝置、變速、及剎車的線傳控制。車隊(duì)采用LabVIEW及LabVIEW控制設(shè)計(jì)及仿真模塊開發(fā)道路曲率及速度控制系統(tǒng)，通過LabVIEW Real-Time及LabVIEW FPGA模塊發(fā)布到CompactRIO系統(tǒng)，創(chuàng)建獨(dú)立的車輛平臺(tái)。我們還采用LabVIEW 觸摸板模塊為NI TPC-2006觸摸板計(jì)算機(jī)開發(fā)用戶界面，并安裝于車輛儀表盤上。

感知

為滿足賽車在城市挑戰(zhàn)賽中的行為需求，Odin必須能夠自行定位，探測路況周邊環(huán)境及正確車道，感知道路上的所有障礙，并能正確的將障礙識(shí)別為汽車。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(tái)IBEO四面激光測距儀（LRFs），在車頂架上安裝的四臺(tái)SICK LRF和兩個(gè)計(jì)算機(jī)視覺攝像頭，以及Novatel高精度GPS/IMU系統(tǒng)。

針對(duì)每種感知需求，設(shè)計(jì)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(xiàn)靈活的傳感器組合，規(guī)劃軟件忽略了原始傳感器數(shù)據(jù)，采用特定任務(wù)組件生成的獨(dú)立傳感器感知信息集。定位組件包括LabVIEW Kalman濾波器，用于跟蹤賽車的位置及方向。道路探測組件采用NI視覺開發(fā)模塊，通過攝像頭及LRF數(shù)據(jù)的組合，確定臨近路段的路況環(huán)境及車道位置。目標(biāo)分類組件采用LabVIEW來處理IBEO數(shù)據(jù)，探測障礙并將其分類為靜態(tài)或動(dòng)態(tài)；動(dòng)態(tài)障礙預(yù)報(bào)器預(yù)測道路及其它車輛的行駛動(dòng)向。

規(guī)劃

Odin上的規(guī)劃軟件采用混合審議-反應(yīng)模型，將上層決策與下層響應(yīng)分配到不同組件。兩類組件以獨(dú)立頻率同步運(yùn)行，這樣車輛就能對(duì)緊急狀況做出響應(yīng)，同時(shí)又無需重新規(guī)劃整條路徑。分離決策組件后，便可獨(dú)立對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試，并實(shí)現(xiàn)并行開發(fā)，這對(duì)于縮短城市挑戰(zhàn)賽前的設(shè)計(jì)時(shí)間表來說非常重要。

路徑規(guī)劃組件采用A*搜索算法做出路徑選擇判斷，從而行駛過所有檢查點(diǎn)。駕駛行為組件采用基于行為的LabVIEW狀態(tài)機(jī)構(gòu)架，負(fù)責(zé)讓賽車遵守交通規(guī)則，并引導(dǎo)賽車沿規(guī)劃路徑行駛。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃組件采用迭代軌跡搜索避免障礙，并將賽車引導(dǎo)到期望的路徑上。然后，系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)方案送到車輛接口，并轉(zhuǎn)換為激勵(lì)器控制信號(hào)。

通信

整個(gè)通信框架的開發(fā)都采用了LabVIEW。我們實(shí)現(xiàn)了SAE AS-4無人系統(tǒng)聯(lián)合體系結(jié)構(gòu)（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(zhàn)賽軟件在未來的可重用性及商業(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(nèi)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)軟件模塊作為獨(dú)立組件，可在Windows或Linux?操作系統(tǒng)中異步運(yùn)行。有了這一通信主構(gòu)架， LabVIEW編寫的軟件模塊與其它語言編寫的模塊的交互、重用變得異常容易。

LabVIEW的優(yōu)勢(shì)

LabVIEW為我們的團(tuán)隊(duì)提供了成功的編成環(huán)境，主要有以下原因。作為主要由機(jī)械工程師組成的團(tuán)隊(duì)，無需計(jì)算機(jī)學(xué)科背景，就能采用LabVIEW開發(fā)高級(jí)、高層的感知及規(guī)劃算法。此外，LabVIEW與硬件之間簡單的交互操作，提高了實(shí)現(xiàn)傳感器處理及車輛控制中高定時(shí)精度要求進(jìn)程的能力。

LabVIEW還提供直觀且易用的調(diào)試環(huán)境，可實(shí)時(shí)執(zhí)行及監(jiān)測源代碼，輕松實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)調(diào)試。LabVIEW環(huán)境使測試時(shí)間最大化，實(shí)現(xiàn)了快速原型設(shè)計(jì)及大量設(shè)計(jì)循環(huán)。縮短了參加城市挑戰(zhàn)賽及開發(fā)設(shè)計(jì)本身的時(shí)間表。這些能力對(duì)車隊(duì)的成功至關(guān)重要。

我們成功通過LabVIEW及NI硬件開發(fā)了無人駕駛賽車，完成了城市挑戰(zhàn)賽，這些對(duì)機(jī)器人技術(shù)來說是從未嘗試過的挑戰(zhàn)。Odin是僅有的一輛全面采用LabVIEW的賽車，并且取得了第三名的成績，僅比領(lǐng)先者慢了幾分鐘。