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。基于此，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(dú)立的運(yùn)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(yùn)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(yùn)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)讲僮髡叩囊苿佣耍奖悴僮髡咔宄赜^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(yùn)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(dú)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(yùn)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(dú)特作用。

參考文獻(xiàn)：

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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。