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集传感器于一身,智能导盲杖帮助视障者一路畅行

以传感器融合(sensor fusion)实现的障碍物侦测技术,是目前正在开发的自动驾驶车辆之核心,汽车产业在该技术方面的进展迅速,但是否有可能将同样的传感器融合技术整合到可穿戴式装置,让视障者受惠?一个研究团队试图开发可携、可穿戴的多传感器低功耗空间探索暨障碍物侦测系统,催生一枝智能导盲杖。

目前有一群研究人员接受了这个挑战,这是欧洲一项简称INSPEX之“整合式智能空间探索系统(Integrated Smart Spatial Exploration System)”研发计划的一部分;根据法国研究机构CEA Tech旗下的科技研究所Leti表示,研究团队试图开发可携、可穿戴的多传感器低功耗空间探索暨障碍物侦测系统,目标是催生一枝嵌入INSPEX系统的导盲杖,配备能提供回馈障碍物位置的3D空间音频回馈周边装置。
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(图片来源:Leti)NPVesmc

要实现目标,研究团队必须开发超越目前自动驾驶车辆水平好几步的技术;首先这个任务的需求包括设计能适应各种天气与能见度的障碍物侦测系统,也就是能在烟雾、尘埃、雾霾、暴雨/雪以及黑暗中都能运作、对自动驾驶车辆来说并非易事的侦测技术。NPVesmc

第二,该团队需要大幅降低该可携式系统的重量与功耗;第三,或许也是最重要的,则是可靠度。Leti表示,INSPEX系统的潜在应用包括无人机与智能制造(组装设备、保全设备),以及导引视障者:“它会被使用于适合所有环境的实时性3D侦测,队障碍物的位置发出警报──包括室内与室外所有未知的固定与移动障碍物。”NPVesmc

INSPEX系统采用各种传感器技术,包括光达(LiDAR)、超宽带(UWB)雷达以及MEMS超音波;该计划协调人、Leti研究总监Suzanne Lesecq对EE Times表示,该计划是由Horizon 2020 (欧盟最大的研究与创新计划)所赞助,在1月1日正式启动,期望能在36个月(2019年)能有圆满结局。NPVesmc

Lesecq承诺,研究团队将在2017年12月:“先有第一次的概念验证...验证我们的方案。”而预期中的要素是:“在低功耗微控制器上融合数种距离感测技术,建立使用者周遭环境的地图。”她提及一种Leti开发的“Σ融合(sigma fusion)”技术。NPVesmc

适合所有气象条件

该侦测系统需要能适用所有气象条件,Lesecq表示:“这确实是非常大的挑战,这也是我们为什么打算采用多样化的距离感测技术,包括合作伙伴们提供的芯片上光达、MEMS超音波以及UWB射频雷达。”NPVesmc

她指出:“我们的目标是让INSPEX系统能在不同的气象条件(包括雨、雪与沙尘暴)、宽广的温度范围(通常是-20°C~40°C)、还有低能见度(夜间、雾霾等)下运作;环境感测模块将有助于根据不同的环境状态来重新配置系统。”NPVesmc

而考虑到INSPEX系统是需要安装在导盲杖中,其目标功耗是?对此Lesecq表示:“我们将该行动式侦测装置的目标功耗订在500mW;”她坦承这会是非常大的挑战,因为计划合作伙伴所提供的距离传感器实际功耗:“问题实际上也不真的在于功耗本身,而是电池的尺寸,我们会需要确保该系统能一整天顺利运作不需要充电。”Lesecq并指出,要打造一款真正好用的行动装置,其重量比须要尽可能减轻,最好低于200公克(gram)。NPVesmc

预期将会进驻INSPEX系统的各种距离感测技术中包括了UWB雷达,它与一般的雷达系统有什么不同?Lesecq解释:“雷达技术是以所使用的载波讯号波形(carrier signal waveform)来定义,以及其讯号之频谱占用。”NPVesmc

典型的调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)雷达,波形是连续的调频──即线性调频(chirp),UWB雷达的波形则是短脉冲,并因此会有占用较大频谱:“UWB意味着讯号是在3~10GHz频段,讯号带宽是脉冲载波频率的至少20%。”NPVesmc

系统配置

Lesecq指出,该系统的第一个原型将会是为视障者量身打造,这种导盲杖预计能在2018年12月问世:“配备整合于原型中的所有测距技术。”NPVesmc

除了导盲杖之外,要让整个系统能为用户顺利运作,还需要其他哪些周边装置?更重要的是,其中会用到那些技术?Lesecq解释,障碍物的位置会是透过一种配备扩增实境3D音频接口的外挂式耳机来提供:“这种耳机将与智能型手机连结,而手机则是透过蓝牙低功耗技术与行动式侦测装置通讯;”如下图所显示分成三种装置的整体解决方案。NPVesmc

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(图片来源:Leti)NPVesmc

第一,行动侦测装置会整合研发计划伙伴提供的数种距离感测技术(如前面提到的芯片上光达、MEMS超音波以及UWB雷达),这需要在计划期间进行优化,以符合功耗预算;这些距离感测技术的选择,取决于该行动式侦测装置在不同环境(温湿度、亮度与能见度)与特殊情况(路面坑洞、阶梯)下侦测众多不同障碍物之性能。NPVesmc

其他两种装置则包括智能型手机以及耳机;具体来说,针对这种应用,将以耳外式耳机整合扩增实境音频接口(Augmented Reality Audio Interface)以提供空间3D声音回馈;这种回馈会把由耳机中内建的姿势与航向参考系统(AHRS)追踪的头部姿势纳入考虑。NPVesmc

情境感知(Context-aware)通讯则将把用户与智能环境整合,例如智能交通号志、导航信标以及与物联网(IoT)装置相关联的ID卷标;Lesecq还指出,用户的行动侦测装置也能整合地图绘制(mapping)应用程序。NPVesmc

参与INSPEX系统研发项目成员除了Leti还包括欧洲的多所大学与研究机构;Lesecq表示最终原型将在2019年9月完成,提供给视障者在实际生活情况中进行评估。NPVesmc

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Junko Yoshida
ASPENCORE全球联席总编辑,首席国际特派记者。曾任把口记者(beat reporter)和EE Times主编的Junko Yoshida现在把更多时间用来报道全球电子行业,尤其关注中国。 她的关注重点一直是新兴技术和商业模式,新一代消费电子产品往往诞生于此。 她现在正在增加对中国半导体制造商的报道,撰写关于晶圆厂和无晶圆厂制造商的规划。 此外,她还为EE Times的Designlines栏目提供汽车、物联网和无线/网络服务相关内容。 自1990年以来,她一直在为EE Times提供内容。
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