智能小車發(fā)展應(yīng)用研究

何武劍 邱浩峰 曲曉坤 陳迦勒 孫俊巧 余騰龍

摘 要：智能小車是一種可以通過(guò)預(yù)先給予其特定的指令，從而使其完成預(yù)期目標(biāo)的設(shè)備。智能小車可以在很大程度上減少人員的工作量，又因其自身良好的循跡、避障等功能，所以被廣泛地應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、物流、家居等領(lǐng)域。智能小車在智能制造領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展中有著不可或缺的地位。本研究針對(duì)智能小車的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，從經(jīng)濟(jì)、科技等方面對(duì)所采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出智能小車市場(chǎng)的應(yīng)用及發(fā)展的主要走向與趨勢(shì)，進(jìn)一步研究未來(lái)智能小車的發(fā)展應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能小車;應(yīng)用;發(fā)展現(xiàn)狀;趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TP23 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）11-0026-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.11.005

Research on the Development and Application of Smart Cars

HE Wujian1，2? ? QIU Haofeng1，2? ? QU Xiaokun1，2? ? CHEN Jiale 1，2? ? SUN Junqiao1，2? ? YU Tenglong 1

（1.Tianjin Vocational and Technical Normal University，Tianjin 300222，China;

2.Tianjin High-end Intelligent Machine Tool Engineering Research Center，Tianjin? 300222，China）

Abstract：A smart trolley is a device that can give it specific instructions in advance，allowing it to accomplish its intended goals.Smart car because it can greatly reduce the work of personnel and their own good tracking，obstacle avoidance and other functions，so widely used in the military，medical，logistics，home and other aspects，intelligent car in the future in the field of intelligent manufacturing research and development occupies an indispensable position，this article for the development status of smart cars，application areas for market research，according to the information collected from the economy，technology and other aspects of data analysis，to get the main direction and trend of the application and development of the smart car market.In this way，the development and application prospects of smart cars in the future will be further studied.

Keywords：smart car;application;development status;trend

0 引言

當(dāng)代社會(huì)，智能化產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，智能化產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景將更加多元，而智能小車作為一種集合多種功能為一體的智能移動(dòng)裝置，可應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、物流、家居等各種領(lǐng)域。本研究對(duì)智能小車的技術(shù)、應(yīng)用及發(fā)展等方面進(jìn)行調(diào)查與研究。

1 智能小車概念

智能小車是一種可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境中自動(dòng)完成工作的設(shè)備，不需要人為管理和操作就能夠完成目標(biāo)工作。其主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器三部分組成，通過(guò)三者相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的運(yùn)作。

傳感器是智能小車的“五官”，其主要用于感知和接收外界信號(hào)，并將接收到的信號(hào)傳遞給控制器進(jìn)行處理，傳感器主要由循跡模塊、避障模塊及超聲波模塊等模塊組成。

控制器是智能小車的“大腦”，主要對(duì)傳感器傳遞來(lái)的信號(hào)進(jìn)行分析，再將控制信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行器。

執(zhí)行器是智能小車的“四肢”，可以根據(jù)控制器所傳遞的信號(hào)來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)于智能小車來(lái)說(shuō)，其最具有代表性的執(zhí)行器就是車輪。

2 智能小車發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能制造等技術(shù)的高速發(fā)展，作為這些技術(shù)領(lǐng)域交叉點(diǎn)的智能小車，世界各國(guó)都對(duì)其進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)，時(shí)至今日已取得了諸多成果。

2.1 國(guó)外智能小車發(fā)展背景

最早的智能小車是斯坦福研究院（SRI）人工智能中心于1966—1972年成功研制的，其名為Shakey[1]。Shakey是由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線通信系統(tǒng)進(jìn)行控制的，但當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度非常緩慢，導(dǎo)致Shakey需要數(shù)小時(shí)的時(shí)間來(lái)感知和分析環(huán)境，并規(guī)劃行動(dòng)路徑。

日本的智能小車是在1967—1972年由日本稻田大學(xué)研發(fā)的。這是世界上第一臺(tái)人形機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人不僅能與人對(duì)話，還能在視覺(jué)系統(tǒng)的引導(dǎo)下在室內(nèi)走動(dòng)和抓取物體。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

德國(guó)在1985年開(kāi)始研發(fā)智能工業(yè)機(jī)器人，其僅用了十年時(shí)間就取得了重大突破，這次的研發(fā)成果為德國(guó)由“工業(yè)2.0”向“工業(yè)3.0”的發(fā)展起到了推動(dòng)作用。

2.2 國(guó)外智能小車發(fā)展成果

美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)研發(fā)了一款車身包含多種傳感器的智能小車，小車在行駛過(guò)程中通過(guò)傳感器所感知到的數(shù)據(jù)來(lái)不斷調(diào)整車身，并且在車中搭載了雷達(dá)系統(tǒng)，極大程度地實(shí)現(xiàn)了車輛和信息的融合。

日本大阪大學(xué)采用航位推測(cè)系統(tǒng)（Dead Reckoning system）技術(shù)對(duì)智能小車的定位功能進(jìn)行研究，航位推測(cè)系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼以及定位計(jì)來(lái)確定智能小車的轉(zhuǎn)向角，從而實(shí)現(xiàn)智能小車的定位功能。

對(duì)國(guó)外關(guān)于智能小車的相關(guān)研究進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，美國(guó)卡爾基梅隆大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院、斯特拉斯堡（Strasbourg）實(shí)驗(yàn)中心、韓國(guó)理工大學(xué)以及奔馳公司在智能車輛領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先地位。

2.3 國(guó)內(nèi)智能小車發(fā)展背景

我國(guó)對(duì)智能小車的研究始于20世紀(jì)80年代。1980年，國(guó)家立項(xiàng)了“遙控駕駛的防核化偵察車”項(xiàng)目，而我國(guó)首輛智能小車于1989年由國(guó)防科技大學(xué)研制成功。

20世紀(jì)90年代，清華大學(xué)通過(guò)采用圖像識(shí)別功能實(shí)現(xiàn)了智能車輛的自動(dòng)導(dǎo)航，該智能車輛采用垂直式的結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)二維色彩攝像機(jī)及超聲波測(cè)量獲取路況信息，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制。

1994年，吉林大學(xué)成功研制了一款具有自動(dòng)駕駛功能的智能車輛，該智能車通過(guò)GPS控制系統(tǒng)、光電編碼器、CCD攝像機(jī)及三維激光測(cè)距儀等儀器來(lái)完成信息的獲取，再通過(guò)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、避障系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)車體的控制。

2.4 國(guó)內(nèi)智能小車發(fā)展成果

自古以來(lái)我國(guó)都是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)。在農(nóng)業(yè)方面，我國(guó)已成功研制出多種類型的智能蔬果采摘移動(dòng)機(jī)器人。智能蔬果采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)智能移動(dòng)產(chǎn)品的重要組成部分，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ蚕嗬^取得了一些階段性成果。例如，用于采摘黃瓜的“黃瓜采摘機(jī)器人”，其系統(tǒng)融合了多種傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘對(duì)象的信息獲取、成熟度判別，最后根據(jù)識(shí)別到的成熟黃瓜的位置進(jìn)行避障采摘。該類智能蔬果采摘機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)、快速搜索、果實(shí)成熟度辨別、空間定位、自動(dòng)采摘等功能。

應(yīng)用于物流行業(yè)中的AGV（Automated Guided Vehicle）小車是一輛安裝有電磁、光學(xué)、視覺(jué)等自動(dòng)引導(dǎo)裝置的運(yùn)輸小車，可在無(wú)人駕駛的情況下進(jìn)行貨物運(yùn)輸工作，其動(dòng)力來(lái)源是能夠自動(dòng)充電的蓄電池。AGV小車的核心是控制管理系統(tǒng)，其主要由圖形監(jiān)控系統(tǒng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、反射板導(dǎo)航系統(tǒng)、激光引導(dǎo)系統(tǒng)以及自動(dòng)充電系統(tǒng)組成。AGV小車通過(guò)視覺(jué)軟件對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度特征匹配，在進(jìn)行標(biāo)定轉(zhuǎn)換、定量計(jì)算后再把信號(hào)發(fā)送給系統(tǒng)進(jìn)行具體位置及距離的計(jì)算[2]，從而驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行取放料操作。

3 智能小車技術(shù)應(yīng)用特征

智能小車是一個(gè)集多種功能于一體的系統(tǒng)，其應(yīng)用技術(shù)由硬件技術(shù)和軟件技術(shù)兩部分組成[3]，二者相互配合，從而實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)作。

3.1 硬件技術(shù)

目前，智能小車的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)多是以51單片機(jī)、Arduino、STM32、樹莓派為基礎(chǔ)，結(jié)合智能小車的工作環(huán)境，從而安裝其他特定的功能模塊。智能小車常用的模塊主要有5種。①循跡模塊。其工作原理是紅外發(fā)光二極管不斷發(fā)射紅外線，發(fā)射出的紅外線被物體反射后，繼而被紅外接收器接收，并輸出信號(hào)到控制主板進(jìn)行處理，再對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)黑線和小車位置進(jìn)行判斷，從而控制小車沿黑線行進(jìn)。循跡模塊在智能小車行進(jìn)過(guò)程中主要發(fā)揮著檢測(cè)障礙的作用。②避障模塊。其工作原理是采用超聲波傳感器對(duì)前方進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到前方有不可穿越的障礙物時(shí)，便避過(guò)障礙物，其能夠很好地判斷小車在行進(jìn)過(guò)程中是否有不可穿越的障礙[4]。③超聲波模塊。其主要功能是對(duì)距離進(jìn)行測(cè)量，由于其信息處理流程比較簡(jiǎn)單、快速且價(jià)格不高，因此被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器人的測(cè)距、定位中，且超聲波的檢測(cè)距離很遠(yuǎn)，不易受外界因素的干擾，因此其也被廣泛地應(yīng)用于具有穩(wěn)定性要求的場(chǎng)合中。④藍(lán)牙模塊。該模塊是一種集成了藍(lán)牙功能的PCBA板，是集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合，其功能是完成設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，按功能可分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)模塊和藍(lán)牙語(yǔ)音模塊，藍(lán)牙模塊在智能小車中的無(wú)線音頻、遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。⑤Wi-Fi模塊。該模塊在智能化產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍非常廣，Wi-Fi模塊對(duì)產(chǎn)品設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)起著非常重要的作用，是產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。

3.2 軟件技術(shù)

智能小車的軟件一般是采用Python、c、c++、Java等語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的。智能小車的內(nèi)置程序通過(guò)計(jì)算發(fā)出相應(yīng)指令，智能小車傳感器所接收的信號(hào)經(jīng)過(guò)編程軟件所編寫的程序分析，再將結(jié)果反饋給執(zhí)行部分做出動(dòng)作[5]。

4 智能小車的應(yīng)用

4.1 在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用

在軍事領(lǐng)域中，智能小車能夠代替士兵在核污染、生化污染等污染嚴(yán)重的區(qū)域開(kāi)展軍事偵察、搜索、污染物采集以及危爆物品的處理等危險(xiǎn)工作，從而避免出現(xiàn)人員傷亡。在軍事行動(dòng)中，智能小車還能夠較隱蔽地完成監(jiān)視、巡邏等軍事任務(wù)，在很大程度上能夠提升獲取信息的精準(zhǔn)性和實(shí)時(shí)性，擴(kuò)大偵察范圍。

美國(guó)機(jī)器人公司iRobot研發(fā)出了一款可用于拆彈的機(jī)器人，其可對(duì)陸地上的炸彈進(jìn)行安全拆除。該拆彈機(jī)器人可在自身范圍2 m內(nèi)提起100 kg重的物體，還可在有斜坡障礙存在的環(huán)境中，在傾斜角為45°的巖坡上移動(dòng)，甚至還可搭載68 kg重的軍資攀爬樓梯，在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮著極大的作用。

4.2 在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域中，智能小車可以運(yùn)送醫(yī)療器械、標(biāo)本、醫(yī)療廢棄品等。智能小車在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用可以有效解決以下問(wèn)題：因用于醫(yī)用物品配送的人力資源過(guò)多，導(dǎo)致的人力資源浪費(fèi)問(wèn)題;因人為配送不及時(shí)，影響診療服務(wù)質(zhì)量問(wèn)題;人為配送出現(xiàn)的送錯(cuò)、損壞、丟失等問(wèn)題。例如，由ROBO醫(yī)療研發(fā)出的RoboGo醫(yī)用無(wú)人車，該智能小車使用激光導(dǎo)航、超聲波避障等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛的全自動(dòng)運(yùn)輸配送功能，代替人工進(jìn)行運(yùn)送標(biāo)本、藥品、醫(yī)療器械等物料，能夠滿足醫(yī)院80%以上的物品運(yùn)輸需求，補(bǔ)充醫(yī)院原有的物流系統(tǒng)，提供安全、高效、準(zhǔn)確、靈活的自動(dòng)化運(yùn)輸方案。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

4.3 在物流運(yùn)輸領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，物流行業(yè)中的貨物裝卸、運(yùn)輸、收貨、倉(cāng)儲(chǔ)等都在向無(wú)人化和機(jī)械化方向發(fā)展，智能小車應(yīng)用于物流行業(yè)，可節(jié)約大量的人力資源，從而實(shí)現(xiàn)物流領(lǐng)域的降本增效，推動(dòng)物流產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在物流運(yùn)輸行業(yè)中應(yīng)用AGV小車，可解決大部分運(yùn)輸難題。相比于傳統(tǒng)人工作業(yè)，采用AGV小車的物流具有3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。①自動(dòng)作業(yè)、自動(dòng)優(yōu)化路線。傳統(tǒng)物流分揀是靠手工來(lái)完成的，工作效率低且工作量大，而采用AGV小車后，只需將要分揀的貨物放到AGV貨物架上，就能夠?qū)⒇浖茏詣?dòng)搬運(yùn)到目的地，從而提高了工作效率。②實(shí)現(xiàn)精細(xì)化、信息化物流管理。AGV小車能夠與現(xiàn)代物流技術(shù)配合使用，且能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的自動(dòng)存取功能，從而在搬運(yùn)過(guò)程中保證精細(xì)化作業(yè)、信息化處理，使物流管理更加智能化。③自動(dòng)診斷。AGV小車因?yàn)槭侵悄芑a(chǎn)品，所以其具有一定的自我診斷功能，在工作過(guò)程中若發(fā)生問(wèn)題，其能夠及時(shí)進(jìn)行診斷并處理，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無(wú)人化生產(chǎn)。

5 對(duì)智能小車未來(lái)發(fā)展的思考

智能小車無(wú)論是在功能上、便攜程度上，還是在可應(yīng)用領(lǐng)域范圍上都具有非常大的優(yōu)勢(shì)，這也說(shuō)明智能小車在未來(lái)能夠有更大的發(fā)展空間。

5.1 智能小車已進(jìn)入大面積應(yīng)用狀態(tài)

就目前而言，智能小車的發(fā)展已相對(duì)成熟，也與其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域緊密聯(lián)系，延伸出了終端設(shè)備、特設(shè)服務(wù)、增值服務(wù)等多種新產(chǎn)品的服務(wù)設(shè)施，涵蓋20多類產(chǎn)品，已全面覆蓋軍事、醫(yī)療、物流、民生服務(wù)等領(lǐng)域。智能小車正在不斷向著公民化、大眾化的方向發(fā)展，如此發(fā)展趨勢(shì)下，智能小車最終必將走向千家萬(wàn)戶，可以預(yù)見(jiàn)智能小車應(yīng)用的全面覆蓋時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

5.2 智能小車與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展

當(dāng)今時(shí)代是智能制造與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，從德國(guó)“工業(yè)4.0”到美國(guó)“先進(jìn)制造伙伴戰(zhàn)略”再到英國(guó)“高價(jià)值戰(zhàn)略”，可見(jiàn)全球主要工業(yè)國(guó)家正在加快布局工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，搶占國(guó)際制造業(yè)的制高點(diǎn)。而智能小車作為智能制造與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)交叉結(jié)合的產(chǎn)品，必將成為未來(lái)發(fā)展方向。如今5G時(shí)代的到來(lái)將促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，從而為智能小車與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展提供了更大的發(fā)展機(jī)遇。

5.3 智能小車的發(fā)展已成為大勢(shì)所趨

從20世紀(jì)末開(kāi)始，隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車從代步工具向智能移動(dòng)機(jī)器人（也稱輪式機(jī)器人）轉(zhuǎn)變，智能小車就是此次轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志，其包含多方面高新技術(shù)，是新時(shí)代智能制造技術(shù)發(fā)展的代表之一，也是全球智能制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。近年來(lái)，我國(guó)相繼出臺(tái)了包括《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》在內(nèi)的一系列促進(jìn)智能制造發(fā)展的相關(guān)政策，推動(dòng)了制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程[6]，為智能小車發(fā)展創(chuàng)造了更加有利的環(huán)境。

6 結(jié)論

整體而言，智能小車是計(jì)算機(jī)、傳感、通信、人工智能、自動(dòng)控制等技術(shù)的集合，將環(huán)境感知、自動(dòng)決策、自動(dòng)駕駛等功能融為一體，是典型的現(xiàn)代高新技術(shù)結(jié)合體。近年來(lái)，智能小車不論是應(yīng)用或技術(shù)都有了非常大的進(jìn)步，而且因其可以搭載多種模塊以及強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，被廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域。如今在智能制造技術(shù)高度發(fā)展的時(shí)代，智能小車在智能制造市場(chǎng)中占據(jù)著很大的比重，且每年呈上升趨勢(shì)，在未來(lái)幾年內(nèi)的發(fā)展也將更為迅猛。

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