一種尋跡與標定定位的自動停車運載平臺

邵晶 王建坤 劉玉健 張若蘭 韓素立 戰衛俠

[摘 要] “傳感器技術”是測控技術與儀器專業本科生培養的專業核心課程，涉及了物理、機械、電路等多種專業知識。課程中重點講解了傳感器的基本原理與特性，介紹了傳感器的典型應用場合。但是整個課程內容相對獨立，跨越性較大，結構性較差，難以整體把握和理解。在該課程教學中，采取了項目教學，以研制一種尋跡與標定定位的自動停車AGV（Automated Guided Vehicle）運載平臺為例，從工業化低成本要求角度出發，選用多種傳感器實現AGV的自動尋跡運行和雙重定位，提高了教學效果和質量，增強了學習興趣，培養了自學能力，提高了創新能力。

[關鍵詞] 傳感器技術;測控技術與儀器;停車AGV

一、引言

伴隨著我國經濟戰略轉型和山東省新舊動能轉化重大工程的實施，迫切需要大量的儀器類專業人才，而測控技術與儀器專業本科人才需要具備機、電、光、控制、信息處理等多學科專業知識，正在成為就業市場的新寵[1]。“傳感器技術”是測控技術與儀器本科學生培養的一門專業性的核心必修課，該科目的本科課程整體教學內容各組成部分之間相對獨立，課程自身的教學理論體系不突出，缺乏課程整體感[2]。盡管這些教學內容中的有些內容在我校先修課程“大學物理”“數字電子技術”“模擬電子技術”“單片機原理與接口”“測控電路”等課程中均有所涉及，但這幾門課對學生來說晦澀難懂且根據學生的成績來看并不理想，教材中各章節關聯性較差，內容跨越較大，缺乏與實際工程應用的銜接。

針對以上教學難點，本專業在“傳感器技術”教學中實施了項目教學，在對該課程的教學進行深入研究和分析的基礎上，以一種基于尋跡與標定定位的自動停車AGV運載平臺為題，選用合理的傳感器和測試方案，實現自動尋跡和雙重定位功能，采用項目教學將教學內容與學習實踐有機結合[3-7]，以提高教學效果。

二、傳感器技術項目教學背景

汽車是當下社會首選交通工具，但隨著社會發展，汽車保有量大幅提高，汽車在為日常出行提供諸多便利的同時，也帶來了極大的安全和效率方面的困擾。一方面由于停車場空間狹小導致停車、取車過程中剮蹭、撞擊事件頻發;另一方面人工停車效率低，停車所需時間長。因此，智能停車、集成化停車成為社會大眾的迫切需求。現階段解決停車問題的主要方式是對停車場進行大規模土建改造。這種方式需要征地搬遷，投入成本較大。然而，采用AGV停車方案，工作方式靈活，不需大規模修建專用停車場地，僅需對現有停車場進行簡單改造，便可投入使用，是一種優選解決方案[8-10 ]。但是，目前市場上現有AGV定位方案并不成熟，不能直接應用于停車系統，仍需要進一步技術改進[ 11 ]。

針對此問題，本作品設計了一種基于尋跡與標定定位的自動停車運載平臺。運載平臺主要由運動轉向系統、尋跡系統、定位系統、升降系統、數據傳輸系統、控制器等組成。特別是通過編碼器與定點標識傳感器實現雙重定位，通過舵輪機構實現轉向動力雙集成，通過光電攝像頭實現尋跡，解決停車難的問題[ 12 - 14 ]。

三、AGV停車平臺功能設計思路

AGV引導方式通常有多種，其中最多的就是紅外引導、超聲波引導、電磁感應引導、光電引導等。從中選擇線性CCD來進行尋跡，線性CCD屬于光電尋跡。常規的磁尋跡是由磁采集傳感器檢測磁條上方100Gauss的微弱磁場，根據微弱磁場計算磁條相對于車體中線的偏差，確保AGV跟蹤磁條穩定前行，然而磁尋跡的方式，大多都是在路面鋪設磁條，干擾性大，甚至于需要在路面埋磁釘，工程巨大，且磁條凸起在地表，容易造成通行障礙;不同于磁尋跡，光電攝像頭線性CCD尋跡是采集256個像素點，將光學圖像轉化為數字信號，利用PID控制調節中線，確保AGV直行，并且具有響應速度快，靈敏度高，性能穩定的優點[ 15 ]，因此選用線性CCD進行尋跡。

在運載平臺中，為實現精準停車入庫，采用雙重定位的方法，先用編碼器進行粗略定位，再用定點標識傳感器進行精確定位。由于所選的編碼器精度較低，且地面凹陷或光滑時易出現打滑現象，導致編碼器定位不準確，所以這時就需要定點標識傳感器來進行精確定位，達到精準停車的目的。

運載平臺中的定點標識傳感器采用霍爾傳感器實現精確定位。目標車庫前放置一個相應的特殊標記，可以由磁釘、二維碼等標記。利用二維碼標記對精度會有很大的要求，且地面鋪設的二維碼長時間使用會造成磨損，易識別不出造成系統故障;相對于二維碼，磁釘體積小，更易識別，具有更大的優勢，所以選用霍爾傳感器。當霍爾傳感器檢測到特殊標記磁釘時，發送指令進行轉向。

這幾種傳感器在一種基于尋跡與標定定位的自動停車運載平臺中均有所涉及，對傳感器課程的講解大有助益。

四、AGV整車搭建及調試

一種基于尋跡與標定定位的自動停車運載平臺由機械部分和電控部分組成。機械部分主要由車身和底盤組成（如圖1所示），車身和底盤又可分為運動轉向系統、尋跡系統、定位系統、升降系統四部分。運動轉向系統由舵機、驅動輪、萬向輪以及驅動輪上的編碼器組成，驅動輪采用大減速比的減速器，舵機控制方向，二者相結合具有體積小扭力大的特點;尋跡系統由光電攝像頭線性CCD組成，檢測地面所規劃的線路進行尋跡;定位系統由粗略定位的編碼器和精確定位的霍爾傳感器組成;升降系統由固定機械升降組成。電控部分由控制器、光電攝像頭、數據傳輸模塊、編碼器模塊、測距模塊、障礙物檢測模塊、測重模塊等多種傳感器構成。

以進入車位1（如圖2所示）為例，運載平臺接收用戶命令，由光電攝像頭檢測地面所做運動標識進行尋跡，運載平臺尋找到用戶車。升降臺將車抬離地面，沿軌跡進行橫向運動，當霍爾傳感器識別特定標記磁釘1時，轉向輪在舵機的控制下右轉90°，由橫向運動變為縱向運動，檢測到車位1內的磁釘2時停車，實現精準入庫;取車時，運載平臺按以上步驟進入車位1，將用戶車托起，沿軌跡進行縱向運動，檢測到磁釘1后舵機轉向，由縱向運動變為橫向運動，將車取出。

五、項目教學的一些討論

獨立自學是大學生必須掌握的能力，也是所培養人才將來能否很好進入社會的重要條件。本次項目教學過程中，學生往往會遇到各種問題，這時會考驗學生的自學能力，通過自學以及同學幫助，克服種種困難，既有效地提高了學生的綜合自學能力，也相應地提高了學生的自信心。

本次項目教學是“傳感器技術”這門課程的一種很好地呈現載體，對于這門課知識零散，各部分相對獨立，關聯性低，缺乏整體感的特點，一種基于尋跡與標定定位的自動停車運載平臺集成度高，在過程中將教學內容與學習實踐有機結合，讓學生所學知識更易消化。

六、結語

針對“傳感器技術”這門專業課程本身具有工程性、實用性、全面性較強的特點，并且為了提高教學質量，以解決停車問題為題，利用多種傳感器及AGV技術的一種基于尋跡與標定定位的自動停車運載平臺，實施項目教學，通過典型項目實現理論和實踐相結合的教學方法，不僅加深了學生對傳感技術的理解，而且獲得了應有的知識，取得了良好的課程教學效果。

致謝：感謝青島茂源停車設備制造有限公司對本項目教學的大力幫助與技術支持。

參考文獻

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