基于人工智能的全自動共享挪車機(jī)器人

楊子奕 付洪亮 竇文韜 徐穎 李曙萌

摘?要：城市停車車位日趨緊張，高效利用空間的全自動停車場成為解決車位緊張的有效手段之一，并且越來越受歡迎。但受限于停車場布局規(guī)劃的固定性，其靈活性不高，不適用普通車位緊張的小空間。大型停車場的全自動挪車器依托場地基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)車輛的自動挪移，對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性大，其在停車場的推廣和應(yīng)用中受到很大限制?；诖?，本文提出一種應(yīng)用在任何停車空間中的共享式自動識別挪車機(jī)器人，采用簡便可移動的挪車裝置設(shè)計和獨立的運行系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)共享實現(xiàn)挪車任務(wù)。全自動共享挪車機(jī)器人使用方便，有效實現(xiàn)行車道或停車場車輛的挪移，提升停車空間利用效率。

關(guān)鍵詞：道路及鐵道工程；自動挪車；交通管理；感應(yīng)控制

Abstract：The?city?parking?space?is?becoming?increasingly?tight.The?fully?automatic?parking?lot?with?efficient?use?of?space?has?become?one?of?the?effective?means?to?solve?the?shortage?of?parking?space，and?is?becoming?more?and?more?popular.But?limited?by?the?fixed?layout?planning?of?the?parking?lot，its?flexibility?is?not?high，not?suitable?for?ordinary?parking?space?tight?small?space.The?fully?automatic?car?scooters?in?large?parking?lots?rely?on?the?site?infrastructure?to?realize?the?automatic?movement?of?vehicles，which?is?highly?dependent?on?the?infrastructure，so?their?promotion?and?application?in?parking?lots?are?greatly?restricted.Based?on?this，this?paper?proposes?a?shared?automatic?recognition?of?car?moving?robot?applied?in?any?parking?space，which?adopts?simple?and?portable?car?moving?device?design?and?independent?operation?system，and?realizes?the?task?of?car?moving?through?network?sharing.The?automatic?carsharing?robot?is?easy?to?use，effectively?realizing?the?moving?of?vehicles?in?the?lane?or?parking?lot，and?improving?the?utilization?efficiency?of?parking?space.

Keywords：Road?and?railway?engineering；Automatic?moving?car；Traffic?management；Induction?control

在我國，隨著機(jī)動車的保有量持續(xù)增加，在方便了人們交通出行的同時，我們的交通環(huán)境也出現(xiàn)了一定的問題，車輛事故的發(fā)生率逐年增加，機(jī)動車停放面積逐年減少。起初，社會上采用增加交通供給的方式來緩解這一現(xiàn)象，這種做法在早期頗有成效，但是隨著我國機(jī)動車保有量的增長，此方法逐漸變得捉襟見肘。

早些年間，國外學(xué)者Anthony?Downs就以提出著名的當(dāng)斯定律來解釋這一方法所可能產(chǎn)生的問題。根據(jù)當(dāng)斯定律我們可以得知“在政府對城市交通不進(jìn)行有效管制和控制的情況下，新建的道路設(shè)施會誘發(fā)新的交通量，而交通需求總是傾向于超過交通供給”，因此在目前，修建交通設(shè)施方面已經(jīng)基本處于飽和狀態(tài)，進(jìn)行交通管理和采取有效的交通手段緩解交通事故對于交通運行的影響就顯得尤為重要。

1?研究背景

目前，在城市道路的各項交通管理中，基本重點都在于城市相關(guān)交通的動態(tài)規(guī)劃、城市交通的控制，以及城市道路的疏導(dǎo)等方面，往往會疏于對靜態(tài)交通的規(guī)劃與管理。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在大多數(shù)城市中，每輛汽車的平均年行駛時間不足500個小時，剩余的時間通常都是處于一個靜止?fàn)顟B(tài)，在我國“停車難”基本已經(jīng)成為大多數(shù)大中城市的通病，也成為城市發(fā)展的一個制約因素。首先，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，機(jī)動車保有量的大幅增長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了城市在建設(shè)初期所規(guī)劃的停車位數(shù)量。其次，停車場的空間利用率低也是一個非常嚴(yán)重的問題，由于駕駛員自身存在差異，駕駛技術(shù)上下不一。如何提升停車質(zhì)量的和提高停車位的使用面積是目前城市停車問題面臨的一大難題。由于城市用地面積有限，建設(shè)停車場不能無休止地進(jìn)行，因此，改善停車質(zhì)量，充分利用有限的停車空間，成為解決城市停車問題的關(guān)鍵瓶頸。

2?研究意義

交通的發(fā)展與現(xiàn)在的智能網(wǎng)聯(lián)是密不可分的，通過交通各類因素與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，可以將以往交通的人、車、路、環(huán)境等分散的交通要素結(jié)合成一個有機(jī)整體，形成一個個物聯(lián)網(wǎng)中的智能節(jié)點，將交通活動中的各類信息要素按照需求進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的傳遞。

交通與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，現(xiàn)在的重點雖然在于各類動態(tài)交通流的規(guī)劃中，但靜態(tài)交通同樣可以與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，提升靜態(tài)交通的管理能力，優(yōu)化靜態(tài)交通的服務(wù)水平。

3?系統(tǒng)框架

本產(chǎn)品基于智能制造技術(shù)，采用智能識別、定位、目標(biāo)追蹤技術(shù)，走在2025中國“智”造前沿；5G的全面啟動，整個社會正在向“萬物互聯(lián)”的方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也將迎來前所未有的歷史機(jī)遇，我們抓住這一新的發(fā)展趨勢，利用oneNet中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署，為智能硬件提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，實現(xiàn)產(chǎn)品與互聯(lián)網(wǎng)溝通連接；現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，系統(tǒng)框架如圖1所示。

車輛接觸點感應(yīng)模塊。車輛接觸點感應(yīng)模塊主要分為車輛上的信號發(fā)生器和設(shè)備上的接收器。此系統(tǒng)主要應(yīng)用感應(yīng)限位開關(guān)等元件，在限位開關(guān)處于上方時信號燈亮為紅色，將信號發(fā)生器放置到車輛應(yīng)有的位置上，設(shè)備上的接收器將所發(fā)出信號進(jìn)行接收，當(dāng)已經(jīng)對準(zhǔn)時，雙方結(jié)合一起，限位開關(guān)下限位開啟，接收器信號燈紅燈斷開，綠燈連通，反應(yīng)已經(jīng)完美接觸。

視頻檢測顯示模塊。視頻檢測顯示模塊主要反映車輛底部的損壞已經(jīng)達(dá)到無法可視的隱患情況，防止出現(xiàn)因為車輛本身原因?qū)е碌氖芰c選擇錯誤，出現(xiàn)二次損壞。

信號感應(yīng)控制模塊。信號感應(yīng)控制模塊主要用于人工進(jìn)行的信號發(fā)出、控制設(shè)備的移動、傳動裝置的升降和視頻檢測的方向等，對設(shè)備發(fā)出指令進(jìn)行控制。

信號執(zhí)行模塊。信號執(zhí)行模塊位于設(shè)備本身，負(fù)責(zé)對信號控制模塊發(fā)出的信號指令進(jìn)行分辨，執(zhí)行信號控制模塊的指令。

電機(jī)啟動模塊。電機(jī)啟動模塊設(shè)置位于設(shè)備旁，負(fù)責(zé)對設(shè)備的升降模塊進(jìn)行供電，保證設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。在傳動裝置的選擇上面，我們選用了螺紋電機(jī)，再鎖定螺紋電機(jī)的橫向轉(zhuǎn)動后，利用其螺紋完成高度的升降。

電機(jī)升降高度控制模塊。電機(jī)升降高度控制模塊用限位開關(guān)連接信號燈的方式來直觀展現(xiàn)出高度是否合適，用信號燈的多次轉(zhuǎn)變來完成高度的抬升。

4?數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

4.1?車輛結(jié)合點位置采集

我們采用相應(yīng)形狀符合可以鑲嵌的契合裝置，一端可以位于車輛的受力點，一端位于傳動裝置的末端，可以在對車輛受力點進(jìn)行搜索時完美契合，防止出現(xiàn)受力點斜出導(dǎo)致車輛不平衡情況。

4.2?車輛底部情況數(shù)據(jù)采集

我們采用視頻檢測器，將設(shè)想端置于設(shè)備的底部伸出端，將所拍攝的視頻傳輸?shù)讲僮髡叩囊苿佣?，方便操作者清楚地觀察車輛底部的實際情況，做出適合的判斷。

5?信號控制機(jī)

采用stm32單片機(jī)作為控制系統(tǒng)；在產(chǎn)品研究后期會采用PLC、系統(tǒng)化單片機(jī)作為控制系統(tǒng)；OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，即在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和真實設(shè)備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應(yīng)用平臺。平臺能夠幫助使用者輕松實現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品使用部署。

控制電路方面，我們利用紅外線進(jìn)行信號的發(fā)送和接收，紅外遙控裝置是由一個發(fā)射裝置和一個接收裝置組成的，發(fā)射和接收裝置應(yīng)用一套編碼原理，在信號的傳輸過程中傳輸?shù)闹皇羌t外光束信號的強(qiáng)弱變化。在發(fā)射端，根據(jù)發(fā)射原理，將信號轉(zhuǎn)換成不同強(qiáng)弱的紅外光束，然后通過發(fā)光二極管將不同強(qiáng)弱的紅外光束發(fā)射出去；而在接收端，同樣也是根據(jù)同一協(xié)議里面的解碼原理，對不同強(qiáng)弱的紅外光束進(jìn)行相應(yīng)的解碼。發(fā)射端是由一個51系列單片機(jī)、一個紅外發(fā)射管和四個物理按鍵組成。在接收端是由一個51系列單片機(jī)、一個紅外接收管和四個LED發(fā)光二極管組成。

6?電機(jī)啟動與升降控制模塊

電機(jī)啟動采取電池供電和電源線供電兩種方式，在對于升降裝置的選用上，采用了正反轉(zhuǎn)式螺紋電機(jī)，并且在螺紋電機(jī)內(nèi)部防止上下兩個限位開關(guān)，使上限位開關(guān)與電機(jī)的正轉(zhuǎn)和綠燈相結(jié)合，下限位開關(guān)與電機(jī)的反轉(zhuǎn)和紅燈相結(jié)合，實現(xiàn)電機(jī)的升降可控與高度的可視化處理。

7?經(jīng)濟(jì)可行性分析

目前，在大型基礎(chǔ)設(shè)施中，人車矛盾愈演愈烈，挪車需求進(jìn)一步擴(kuò)大，本產(chǎn)品能夠以現(xiàn)有的stm32單片機(jī)和OneNET中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有的電機(jī)、千斤頂及紅外遙控裝置等設(shè)備，無須另外購置硬件設(shè)備，除去算法開發(fā)、軟件編程等開支，建設(shè)成本較低，可行性高。

8?技術(shù)可行性分析

本項目挪車器底部的輪子可以挪動特定車輛，該設(shè)計方式既有利于電機(jī)帶動千斤頂工作，而且能進(jìn)行拖車，從挪車器的整體結(jié)構(gòu)來看，其結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。當(dāng)出現(xiàn)挪車需求時挪車器的視頻檢測模板和接觸點感應(yīng)模板先進(jìn)行工作，然后電機(jī)運作，升降機(jī)構(gòu)中間采用雙向絲桿設(shè)計，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)其升降，該裝置具有的創(chuàng)新優(yōu)勢總結(jié)如下：

（1）升降機(jī)構(gòu)設(shè)計有限位功能，當(dāng)升起到指定高度時，觸發(fā)限位開關(guān)，電源斷電。當(dāng)下降到一定位置時，同樣會觸發(fā)限位開關(guān)，電源斷電。這樣不會接觸升降機(jī)構(gòu)的極限位而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的損壞，起到保護(hù)的作用。

（2）升降機(jī)構(gòu)全部采用電機(jī)驅(qū)動升降，不用消耗人力操作，使用起來更省力，更方便，在升降高度上更具有精確性，防止出現(xiàn)車輛傾斜等危險狀況。

（3）本項目挪車器實現(xiàn)了人工智能化挪車，將人工的挪車行為轉(zhuǎn)化為機(jī)械智能化的人工智能行為，為未來自動挪車器的發(fā)展提供了新思路。

（4）單個升降機(jī)構(gòu)可以單獨連接控制器使用，使用方式更靈活，使用場合更多樣，更可適用于車輛應(yīng)急更換輪子或臨時檢修等一系列緊急情況。

（5）小型汽車整體升降挪車裝置體積不大，且一個人便可以操作，對于居民外出較遠(yuǎn)或是道路管理等場合使用較多，在一定程度上解決了挪車難的問題。

綜上所述，結(jié)合現(xiàn)代科技發(fā)展情況，本產(chǎn)品所需要的視頻檢測技術(shù)、信號感應(yīng)技術(shù)均已成熟，將其運用到電動挪車領(lǐng)域均可行。

9?總結(jié)

本文設(shè)計的是一個可以被應(yīng)用在小空間停車場、多種道路路段中，不需要基礎(chǔ)設(shè)施支撐，可以挪走無駕駛員或損壞的車輛讓出生命通道，也可以縮小停放車輛之間的間距，大大節(jié)省車位空間的挪車機(jī)器人。在現(xiàn)代社會用地資源日趨緊張的情況下，本挪車機(jī)器人可以更好地增加停車場地的使用空間，也可以更方便、快捷地移動受損、干擾路況的車輛，減少交通延誤，增加道路的通行能力，但目前研究仍存在幾個方面的問題。首先是受力點分析選擇和材料選擇方向的問題，如何選擇有承受能力的材料，并且選擇最適合材料的受力點，這個問題仍有待攻克，同時挪車器要保持自己先進(jìn)行，在保持先進(jìn)行的同時，還要適合國家的法律法規(guī)，遵從國家的交通規(guī)劃，相關(guān)方面仍需有待下一步的研究，并且要進(jìn)行更多的實地試驗，進(jìn)一步提高裝置的實用性和適用性。

10?展望

近年來，中國制造業(yè)整體的轉(zhuǎn)型升級，智能制造加速發(fā)展，不少細(xì)分領(lǐng)域都孕育著新機(jī)遇，如智能制造五大關(guān)鍵技術(shù)的識別技術(shù)和實時定位系統(tǒng)、信息物理融合系統(tǒng)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)等。這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展成果都為本項目的后續(xù)研究奠定了堅實的基礎(chǔ)。因此，本項目的未來前景非常樂觀，并且已經(jīng)初步擁有相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)。放眼前景，一個好的、完善的智能交通服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)該不僅僅是注重于解決一個或幾個狹隘的問題，更應(yīng)考慮交通4E的各個方面，為更多的道路問題和國家交通政策提供相應(yīng)的解決方案，更好地提供個性化的服務(wù)，在未來的交通管理中發(fā)揮自己的獨特作用。

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作者簡介：楊子奕（2000—?），男，山東青島人，學(xué)士，研究方向：交通工程。