智能小車發展應用研究

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預先給予其特定的指令，從而使其完成預期目標的設備。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，所以被廣泛地應用于軍事、醫療、物流、家居等領域。智能小車在智能制造領域的未來發展中有著不可或缺的地位。本研究針對智能小車的發展現狀、應用領域進行市場調查，從經濟、科技等方面對所采集到的信息進行數據分析，得出智能小車市場的應用及發展的主要走向與趨勢，進一步研究未來智能小車的發展應用前景。

關鍵詞：智能小車;應用;發展現狀;趨勢

中圖分類號：TP23 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：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

當代社會，智能化產品已被廣泛地應用于各個領域。隨著5G時代的到來，智能化產品的應用場景將更加多元，而智能小車作為一種集合多種功能為一體的智能移動裝置，可應用于軍事、醫療、物流、家居等各種領域。本研究對智能小車的技術、應用及發展等方面進行調查與研究。

1 智能小車概念

智能小車是一種可以按照預先設定的模式在一個環境中自動完成工作的設備，不需要人為管理和操作就能夠完成目標工作。其主要由傳感器、控制器、執行器三部分組成，通過三者相互配合來實現自身的運作。

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，并將接收到的信號傳遞給控制器進行處理，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”，主要對傳感器傳遞來的信號進行分析，再將控制信號發送給執行器。

執行器是智能小車的“四肢”，可以根據控制器所傳遞的信號來執行相應的動作，對于智能小車來說，其最具有代表性的執行器就是車輪。

2 智能小車發展現狀

隨著電子技術、計算機技術、傳感器技術、智能制造等技術的高速發展，作為這些技術領域交叉點的智能小車，世界各國都對其進行研究與開發，時至今日已取得了諸多成果。

2.1 國外智能小車發展背景

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是由兩臺計算機通過無線通信系統進行控制的，但當時的計算機運算速度非常緩慢，導致Shakey需要數小時的時間來感知和分析環境，并規劃行動路徑。

日本的智能小車是在1967—1972年由日本稻田大學研發的。這是世界上第一臺人形機器人，這臺機器人不僅能與人對話，還能在視覺系統的引導下在室內走動和抓取物體。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

德國在1985年開始研發智能工業機器人，其僅用了十年時間就取得了重大突破，這次的研發成果為德國由“工業2.0”向“工業3.0”的發展起到了推動作用。

2.2 國外智能小車發展成果

美國俄亥俄州立大學研發了一款車身包含多種傳感器的智能小車，小車在行駛過程中通過傳感器所感知到的數據來不斷調整車身，并且在車中搭載了雷達系統，極大程度地實現了車輛和信息的融合。

日本大阪大學采用航位推測系統（Dead Reckoning system）技術對智能小車的定位功能進行研究，航位推測系統通過旋轉編碼以及定位計來確定智能小車的轉向角，從而實現智能小車的定位功能。

對國外關于智能小車的相關研究進行分析可以發現，美國卡爾基梅隆大學、美國麻省理工學院、斯特拉斯堡（Strasbourg）實驗中心、韓國理工大學以及奔馳公司在智能車輛領域的研究處于領先地位。

2.3 國內智能小車發展背景

我國對智能小車的研究始于20世紀80年代。1980年，國家立項了“遙控駕駛的防核化偵察車”項目，而我國首輛智能小車于1989年由國防科技大學研制成功。

20世紀90年代，清華大學通過采用圖像識別功能實現了智能車輛的自動導航，該智能車輛采用垂直式的結構體系，通過二維色彩攝像機及超聲波測量獲取路況信息，從而實現導航控制。

1994年，吉林大學成功研制了一款具有自動駕駛功能的智能車輛，該智能車通過GPS控制系統、光電編碼器、CCD攝像機及三維激光測距儀等儀器來完成信息的獲取，再通過微機測控系統、通訊系統、避障系統等實現對車體的控制。

2.4 國內智能小車發展成果

自古以來我國都是一個農業大國。在農業方面，我國已成功研制出多種類型的智能蔬果采摘移動機器人。智能蔬果采摘機器人作為農業智能移動產品的重要組成部分，具有很大的發展潛力，也相繼取得了一些階段性成果。例如，用于采摘黃瓜的“黃瓜采摘機器人”，其系統融合了多種傳感器，可實現對采摘對象的信息獲取、成熟度判別，最后根據識別到的成熟黃瓜的位置進行避障采摘。該類智能蔬果采摘機器人能夠實現在非結構環境下的自主導航運動、快速搜索、果實成熟度辨別、空間定位、自動采摘等功能。

應用于物流行業中的AGV（Automated Guided Vehicle）小車是一輛安裝有電磁、光學、視覺等自動引導裝置的運輸小車，可在無人駕駛的情況下進行貨物運輸工作，其動力來源是能夠自動充電的蓄電池。AGV小車的核心是控制管理系統，其主要由圖形監控系統、無線電通信系統、信息采集系統、反射板導航系統、激光引導系統以及自動充電系統組成。AGV小車通過視覺軟件對目標進行高精度特征匹配，在進行標定轉換、定量計算后再把信號發送給系統進行具體位置及距離的計算[2]，從而驅動小車進行取放料操作。

3 智能小車技術應用特征

智能小車是一個集多種功能于一體的系統，其應用技術由硬件技術和軟件技術兩部分組成[3]，二者相互配合，從而實現小車的運作。

3.1 硬件技術

目前，智能小車的設計與開發多是以51單片機、Arduino、STM32、樹莓派為基礎，結合智能小車的工作環境，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光二極管不斷發射紅外線，發射出的紅外線被物體反射后，繼而被紅外接收器接收，并輸出信號到控制主板進行處理，再對電機驅動模塊進行控制，通過對黑線和小車位置進行判斷，從而控制小車沿黑線行進。循跡模塊在智能小車行進過程中主要發揮著檢測障礙的作用。②避障模塊。其工作原理是采用超聲波傳感器對前方進行檢測，若檢測到前方有不可穿越的障礙物時，便避過障礙物，其能夠很好地判斷小車在行進過程中是否有不可穿越的障礙[4]。③超聲波模塊。其主要功能是對距離進行測量，由于其信息處理流程比較簡單、快速且價格不高，因此被廣泛應用于各類機器人的測距、定位中，且超聲波的檢測距離很遠，不易受外界因素的干擾，因此其也被廣泛地應用于具有穩定性要求的場合中。④藍牙模塊。該模塊是一種集成了藍牙功能的PCBA板，是集成藍牙功能的芯片基本電路集合，其功能是完成設備的無線網絡通信，按功能可分為藍牙數據模塊和藍牙語音模塊，藍牙模塊在智能小車中的無線音頻、遠程控制及自動化領域應用廣泛。⑤Wi-Fi模塊。該模塊在智能化產品中的應用范圍非常廣，Wi-Fi模塊對產品設備的聯網和遠程控制的實現起著非常重要的作用，是產品實現智能化的關鍵。

3.2 軟件技術

智能小車的軟件一般是采用Python、c、c++、Java等語言開發的。智能小車的內置程序通過計算發出相應指令，智能小車傳感器所接收的信號經過編程軟件所編寫的程序分析，再將結果反饋給執行部分做出動作[5]。

4 智能小車的應用

4.1 在軍事領域中的應用

在軍事領域中，智能小車能夠代替士兵在核污染、生化污染等污染嚴重的區域開展軍事偵察、搜索、污染物采集以及危爆物品的處理等危險工作，從而避免出現人員傷亡。在軍事行動中，智能小車還能夠較隱蔽地完成監視、巡邏等軍事任務，在很大程度上能夠提升獲取信息的精準性和實時性，擴大偵察范圍。

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

4.2 在醫療領域中的應用

在醫療領域中，智能小車可以運送醫療器械、標本、醫療廢棄品等。智能小車在醫療領域中的應用可以有效解決以下問題：因用于醫用物品配送的人力資源過多，導致的人力資源浪費問題;因人為配送不及時，影響診療服務質量問題;人為配送出現的送錯、損壞、丟失等問題。例如，由ROBO醫療研發出的RoboGo醫用無人車，該智能小車使用激光導航、超聲波避障等技術，從而實現無人駕駛的全自動運輸配送功能，代替人工進行運送標本、藥品、醫療器械等物料，能夠滿足醫院80%以上的物品運輸需求，補充醫院原有的物流系統，提供安全、高效、準確、靈活的自動化運輸方案。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

4.3 在物流運輸領域中的應用

目前，物流行業中的貨物裝卸、運輸、收貨、倉儲等都在向無人化和機械化方向發展，智能小車應用于物流行業，可節約大量的人力資源，從而實現物流領域的降本增效，推動物流產業的轉型升級。在物流運輸行業中應用AGV小車，可解決大部分運輸難題。相比于傳統人工作業，采用AGV小車的物流具有3點優勢。①自動作業、自動優化路線。傳統物流分揀是靠手工來完成的，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，就能夠將貨架自動搬運到目的地，從而提高了工作效率。②實現精細化、信息化物流管理。AGV小車能夠與現代物流技術配合使用，且能夠實現點對點的自動存取功能，從而在搬運過程中保證精細化作業、信息化處理，使物流管理更加智能化。③自動診斷。AGV小車因為是智能化產品，所以其具有一定的自我診斷功能，在工作過程中若發生問題，其能夠及時進行診斷并處理，實現高效、經濟、靈活的無人化生產。

5 對智能小車未來發展的思考

智能小車無論是在功能上、便攜程度上，還是在可應用領域范圍上都具有非常大的優勢，這也說明智能小車在未來能夠有更大的發展空間。

5.1 智能小車已進入大面積應用狀態

就目前而言，智能小車的發展已相對成熟，也與其他產業領域緊密聯系，延伸出了終端設備、特設服務、增值服務等多種新產品的服務設施，涵蓋20多類產品，已全面覆蓋軍事、醫療、物流、民生服務等領域。智能小車正在不斷向著公民化、大眾化的方向發展，如此發展趨勢下，智能小車最終必將走向千家萬戶，可以預見智能小車應用的全面覆蓋時代已經到來。

5.2 智能小車與互聯網融合發展

當今時代是智能制造與互聯網技術快速發展的時代，從德國“工業4.0”到美國“先進制造伙伴戰略”再到英國“高價值戰略”，可見全球主要工業國家正在加快布局工業互聯網，搶占國際制造業的制高點。而智能小車作為智能制造與互聯網技術交叉結合的產品，必將成為未來發展方向。如今5G時代的到來將促進互聯網的發展，從而為智能小車與互聯網融合發展提供了更大的發展機遇。

5.3 智能小車的發展已成為大勢所趨

從20世紀末開始，隨著信息技術的廣泛應用，汽車從代步工具向智能移動機器人（也稱輪式機器人）轉變，智能小車就是此次轉變的重要標志，其包含多方面高新技術，是新時代智能制造技術發展的代表之一，也是全球智能制造技術發展的一個重要方向。近年來，我國相繼出臺了包括《“十四五”智能制造發展規劃》在內的一系列促進智能制造發展的相關政策，推動了制造業數字化、網絡化、智能化發展進程[6]，為智能小車發展創造了更加有利的環境。

6 結論

整體而言，智能小車是計算機、傳感、通信、人工智能、自動控制等技術的集合，將環境感知、自動決策、自動駕駛等功能融為一體，是典型的現代高新技術結合體。近年來，智能小車不論是應用或技術都有了非常大的進步，而且因其可以搭載多種模塊以及強大的環境適應能力，被廣泛地應用于各領域。如今在智能制造技術高度發展的時代，智能小車在智能制造市場中占據著很大的比重，且每年呈上升趨勢，在未來幾年內的發展也將更為迅猛。

參考文獻：

[1] 曹敏，宋磊，陳科帆.智能車輛的發展近況與關鍵技術分析[J].山東工業技術，2015（3）：1.

[2] 呂開旺，王明睿，劉振國，等.視覺引導機器人協作AGV上下料系統研究[J].制造業自動化，2022，（1）：123-126.

[3] 鄭茂江.淺談循跡智能小車設計與應用[J].山東工業技術，2019（1）：6.

[4] 王冠博，趙一帆，郭嘉，等.循跡避障智能小車的實驗設計[J].實驗科學與技術，2021（5）：38-42，47.

[5] 李辰霄，韋曉蕾.自動化技術在機械設計中的應用探析[J].中國設備工程，2022（2）：95-96.

[6] 智能制造發展及其未來路徑[J].中國工業和信息化，2022（1）：24-25.E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122