如果讓你設計一款讓行動能力嚴重受限的人士也能開車的系統,你會怎麼做?電子零組件代理商艾睿電子(Arrow Electronics)用一個代號為「SAM (Semi-Autonomous Motorcar,半自動駕駛車)」的開發專案回答了這個問題。參與SAM專案的工程師主要利用現貨(off-the-shelf,OTS)產品並自己動手設計了一些市面上買不到的東西,整合出可擷取感測器輸入資料並將之饋入汽車線控驅動(drive-by-wire)系統的解決方案。

拆解分析之目的通常是把系統拆開,探索製造商因各種理由──例如產品安全性、產品完整性、智慧財產權(IP)保護等──而密封起來的東西;但對於SAM車殼裡面的東西,Arrow總是願意分享。所以本文不是典型的拆解分析,而是提供了一個相當完整的系統組成清單,包括Arrow設計的人機介面(HMI)控制器的物料清單(BOM)。

簡而言之,SAM是採用兩個關鍵的感測器系統驅動。它上面有四個一組的運動追蹤攝影機,用來擷取駕駛員的頭部運動以實現轉向;還有一個呼/吸(sip/puff)感測器用來測量壓力:駕駛員透過一根管子吸氣(sip)來煞車,並以呼氣(puff)來加速。車上還配備GPS導航系統,用以防止汽車完全偏離行駛方向。感測器資料經過處理後饋送至由一家分包商提供的線控驅動系統。

許多關鍵任務都是透過軟體完成的,包括導航系統的微調,以及如何使用感測器資料來控制車輛。而大多數不直接用於駕駛的實體子系統──包括輸入感測器、線控驅動致動器(actuator)以及輔助駕駛故障保護裝置(co-driver failsafe apparatus)──都被安裝在駕駛員背後。

第一輛SAM車是用雪佛蘭(Chevy) Corvette車款改裝,上述子系統都安裝在後行李廂中,如圖1。

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圖1:Arrow的SAM專案團隊改裝一輛雪佛蘭Corvette Stingray,在後行李廂安裝了能幫助四肢癱瘓駕駛人操縱車輛所需的大部分子系統(來源:Arrow Electronics)

呼/吸控制器

呼/吸控制器不僅可以測量壓力來控制車輛加速和煞車,還可以用來提供駕駛人相關層面的資訊回饋(如視覺、聽覺和觸覺)。該控制器電路板上的關鍵零組件包括:

  • NXP (原Freescale) K64微控制器,它整合了一個120MHz Cortex MCU、1MB快閃記憶體和256KB SRAM;
  • MPXV7025GP壓力感測器(NXP);
  • SGTL5000身歷聲音訊轉碼器(NXP);
  • PCA9626B 24 LED驅動器(NXP);
  • 各種支援乙太網路供電(PoE)的元件(ADI);
  • 乙太網路PHY (Microchip)。

該電路板的BOM表上還包括一些EEPROM,來自不同廠商的各種電阻、電容和開關,以及其他零組件。

導航電腦

SAM團隊工程師Josh Willis表示,導航電腦(guidance computer)用以「彙集轉向和油門/煞車值,然後充當手動開關,透過CAN匯流排與線控驅動系統介接。」在圖1 (後行李廂右下角)可以看到一個藍色的盒子,就是Nitrogen 6X導航電腦;那是一款單板電腦(SBC)現貨產品,以NXP i.MX 6 Arm-Cortex A9處理器為基礎,配備1GB容量 DDR3和Gigabit乙太網路。Arrow還請供應商Boundary Devices做了一次功能修改,即添加PoE支援的功能(圖2)。

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圖2:SAM團隊主要利用現貨子系統;需要請原廠修改的通常是添加PoE功能支援這類情況(來源:Arrow Electronics)

攝影機系統

SAM車內的駕駛艙有四個攝影機,用以追蹤駕駛人頭部運動(圖3);它們也都是現貨產品,包括美商Natural Point旗下OptiTrack品牌的Prime 13W──這款1,300萬像素的攝影機支援240fps,並配備PoE介面。

攝影機PC也是現貨——Portwell的嵌入式電腦PCS-8311P;它採用第5代Intel酷睿(Core)處理器,支援4個PoE介面。

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圖3:SAM使用四個紅外線攝影機(OptiTrack Prime 13W)來追蹤駕駛人的頭部運動;駕駛人只要轉動頭部就可改變車子的行進方向(來源:Arrow Electronics)

IoT系統

物聯網(IoT)系統主要是扮演車載資通訊系統(telematics);該系統核心是研華(Advantech)的ARK-2121V嵌入式電腦,採用Intel Atom處理器,(當然)也支援PoE。這款電腦雖然是可配置(configurable)的,但基本上也是現貨系統。研華嵌入式電腦結合Digi的WR44 Transport蜂巢式通訊數據機、XBEE無線模組,可編程為一套環境感測器(environmental)。Wills指出,Arrow團隊為分析追蹤和系統監控打造了客製化應用程式。

其他系統

在SAM原型車和隨後的修改版本中,Arrow都是採用外包商的線控系統;一開始用的是由美商Electronic Mobility Controls開發的AEVIT (advanced electronic vehicle interface technology)系統,新版本則是採用另一家美國業者Paravan提供的線控系統。後者也是整合性系統,如此在為眾多系統增加三重備援(triple redundancy)時,就可以減少獨立盒子的數量(圖4)。GPS系統則包括Novatel和Torq的現貨產品。

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圖4:升級版SAM整合了一些系統,並增加了三重備援(來源:Arrow Electronics)

造福大眾

Arrow的SAM專案旨在展示可能實現的解決方案,然後分享所有軟硬體設計經驗,不主張IP所有權。這個專案所開發的技術讓一位四肢癱瘓的前賽車手得以駕駛雪佛蘭Corvette在公路上行駛;同樣的系統一直持續更新,目前正應用於幫助其他身障者能在街上駕駛各種車輛。這項技術對於想要做類似事情的人來說,也絕對可以使用。

而這項技術也可能進行改造,用來幫助任何行動受限的人,讓他們能夠有效、安全地操縱車子以外的其他設備。此外,由於該系統的關鍵元素是人機介面,這也可以用來為非身障者設計系統,例如可以透過改造該技術來幫助使用者更輕鬆執行某項任務,或者從遠端執行某項任務、在同一時間執行多項任務。 Arrow的Willis表示,該公司也可以提供SAM的硬體和軟體設計資訊,為有興趣使用它們的客戶提供設計協助。

(參考原文:Teardown: The Semi-Autonomous Motorcar for disabled drivers,by Brian Santo)