一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)試圖開(kāi)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(cè)系統(tǒng)，催生一枝智能導(dǎo)盲杖...

 

以傳感器融合(sensor fusion)實(shí)現(xiàn)的障礙物偵測(cè)技術(shù)，是目前正在開(kāi)發(fā)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛之核心，汽車(chē)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)整合到可穿戴設(shè)備，讓視障者受惠？

 

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(jiǎn)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(guó)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(kāi)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(cè)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空間音頻回饋周邊設(shè)備。

要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)必須開(kāi)發(fā)超越目前自動(dòng)駕駛車(chē)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(jiàn)度的障礙物偵測(cè)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(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)說(shuō)并非易事的偵測(cè)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(wú)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(huì)被使用于適合所有環(huán)境的實(shí)時(shí)性3D偵測(cè)，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(duì)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；”而預(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(cè)技術(shù)，建立使用者周遭環(huán)境的地圖。”她提及一種Leti開(kāi)發(fā)的“Σ融合(sigma fusion)”技術(shù)。

 

 

該偵測(cè)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(cè)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(jiàn)度(夜間、霧霾等)下運(yùn)作；環(huán)境感測(cè)模塊將有助于根據(jù)不同的環(huán)境狀態(tài)來(lái)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(duì)此Lesecq表示：“我們將該行動(dòng)式偵測(cè)設(shè)備的目標(biāo)功耗訂在500mW；”她坦承這會(huì)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(wèn)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(huì)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)設(shè)備，其重量比須要盡可能減輕，最好低于200公克(gram)。

 

預(yù)期將會(huì)進(jìn)駐INSPEX系統(tǒng)的各種距離感測(cè)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)是以所使用的載波信號(hào)波形(carrier signal waveform)來(lái)定義，以及其信號(hào)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(huì)有占用較大頻譜：“UWB意味著訊號(hào)是在3~10GHz頻段，信號(hào)帶寬是脈沖載波頻率的至少20%。”

 

Lesecq指出，該系統(tǒng)的第一個(gè)原型將會(huì)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(wèn)世：“配備整合于原型中的所有測(cè)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設(shè)備？更重要的是，其中會(huì)用到那些技術(shù)？Lesecq解釋，障礙物的位置會(huì)是透過(guò)一種配備擴(kuò)增實(shí)境3D音頻接口的外掛式耳機(jī)來(lái)提供：“這種耳機(jī)將與智能手機(jī)連結(jié)，而手機(jī)則是透過(guò)藍(lán)牙低功耗技術(shù)與移動(dòng)式偵測(cè)設(shè)備通訊；”如下圖所顯示分成三種設(shè)備的整體解決方案。

第一， 移動(dòng)偵測(cè)設(shè)備會(huì)整合研發(fā)計(jì)劃伙伴提供的數(shù)種距離感測(cè)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(cè)技術(shù)的選擇，取決于該行動(dòng)式偵測(cè)設(shè)備在不同環(huán)境(溫濕度、亮度與能見(jiàn)度)與特殊情況(路面坑洞、階梯)下偵測(cè)眾多不同障礙物之性能。

 

其他兩種設(shè)備則包括智能手機(jī)以及耳機(jī)；具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)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(huì)把由耳機(jī)中內(nèi)建的姿勢(shì)與航向參考系統(tǒng)(AHRS)追蹤的頭部姿勢(shì)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(hào)志、導(dǎo)航信標(biāo)以及與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備相關(guān)聯(lián)的ID卷標(biāo)；Lesecq還指出，用戶的行動(dòng)偵測(cè)設(shè)備也能整合地圖繪制(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(píng)估。