智能小车发展应用研究

何武剑 邱浩峰 曲晓坤 陈迦勒 孙俊巧 余腾龙

摘 要：智能小车是一种可以通过预先给予其特定的指令，从而使其完成预期目标的设备。智能小车可以在很大程度上减少人员的工作量，又因其自身良好的循迹、避障等功能，所以被广泛地应用于军事、医疗、物流、家居等领域。智能小车在智能制造领域的未来发展中有着不可或缺的地位。本研究针对智能小车的发展现状、应用领域进行市场调查，从经济、科技等方面对所采集到的信息进行数据分析，得出智能小车市场的应用及发展的主要走向与趋势，进一步研究未来智能小车的发展应用前景。

关键词：智能小车;应用;发展现状;趋势

中图分类号：TP23      文献标志码：A     文章编号：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

當代社会，智能化产品已被广泛地应用于各个领域。随着5G时代的到来，智能化产品的应用场景将更加多元，而智能小车作为一种集合多种功能为一体的智能移动装置，可应用于军事、医疗、物流、家居等各种领域。本研究对智能小车的技术、应用及发展等方面进行调查与研究。

1 智能小车概念

智能小车是一种可以按照预先设定的模式在一个环境中自动完成工作的设备，不需要人为管理和操作就能够完成目标工作。其主要由传感器、控制器、执行器三部分组成，通过三者相互配合来实现自身的运作。

传感器是智能小车的“五官”，其主要用于感知和接收外界信号，并将接收到的信号传递给控制器进行处理，传感器主要由循迹模块、避障模块及超声波模块等模块组成。

控制器是智能小车的“大脑”，主要对传感器传递来的信号进行分析，再将控制信号发送给执行器。

执行器是智能小车的“四肢”，可以根据控制器所传递的信号来执行相应的动作，对于智能小车来说，其最具有代表性的执行器就是车轮。

2 智能小车发展现状

随着电子技术、计算机技术、传感器技术、智能制造等技术的高速发展，作为这些技术领域交叉点的智能小车，世界各国都对其进行研究与开发，时至今日已取得了诸多成果。

2.1 国外智能小车发展背景

最早的智能小车是斯坦福研究院（SRI）人工智能中心于1966—1972年成功研制的，其名为Shakey[1]。Shakey是由两台计算机通过无线通信系统进行控制的，但当时的计算机运算速度非常缓慢，导致Shakey需要数小时的时间来感知和分析环境，并规划行动路径。

日本的智能小车是在1967—1972年由日本稻田大学研发的。这是世界上第一台人形机器人，这台机器人不仅能与人对话，还能在视觉系统的引导下在室内走动和抓取物体。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

德国在1985年开始研发智能工业机器人，其仅用了十年时间就取得了重大突破，这次的研发成果为德国由“工业2.0”向“工业3.0”的发展起到了推动作用。

2.2 国外智能小车发展成果

美国俄亥俄州立大学研发了一款车身包含多种传感器的智能小车，小车在行驶过程中通过传感器所感知到的数据来不断调整车身，并且在车中搭载了雷达系统，极大程度地实现了车辆和信息的融合。

日本大阪大学采用航位推测系统（Dead Reckoning system）技术对智能小车的定位功能进行研究，航位推测系统通过旋转编码以及定位计来确定智能小车的转向角，从而实现智能小车的定位功能。

对国外关于智能小车的相关研究进行分析可以发现，美国卡尔基梅隆大学、美国麻省理工学院、斯特拉斯堡（Strasbourg）实验中心、韩国理工大学以及奔驰公司在智能车辆领域的研究处于领先地位。

2.3 国内智能小车发展背景

我国对智能小车的研究始于20世纪80年代。1980年，国家立项了“遙控驾驶的防核化侦察车”项目，而我国首辆智能小车于1989年由国防科技大学研制成功。

20世纪90年代，清华大学通过采用图像识别功能实现了智能车辆的自动导航，该智能车辆采用垂直式的结构体系，通过二维色彩摄像机及超声波测量获取路况信息，从而实现导航控制。

1994年，吉林大学成功研制了一款具有自动驾驶功能的智能车辆，该智能车通过GPS控制系统、光电编码器、CCD摄像机及三维激光测距仪等仪器来完成信息的获取，再通过微机测控系统、通讯系统、避障系统等实现对车体的控制。

2.4 国内智能小车发展成果

自古以来我国都是一个农业大国。在农业方面，我国已成功研制出多种类型的智能蔬果采摘移动机器人。智能蔬果采摘机器人作为农业智能移动产品的重要组成部分，具有很大的发展潜力，也相继取得了一些阶段性成果。例如，用于采摘黄瓜的“黄瓜采摘机器人”，其系统融合了多种传感器，可实现对采摘对象的信息获取、成熟度判别，最后根据识别到的成熟黄瓜的位置进行避障采摘。该类智能蔬果采摘机器人能够实现在非结构环境下的自主导航运动、快速搜索、果实成熟度辨别、空间定位、自动采摘等功能。

应用于物流行业中的AGV（Automated Guided Vehicle）小车是一辆安装有电磁、光学、视觉等自动引导装置的运输小车，可在无人驾驶的情况下进行货物运输工作，其动力来源是能够自动充电的蓄电池。AGV小车的核心是控制管理系统，其主要由图形监控系统、无线电通信系统、信息采集系统、反射板导航系统、激光引导系统以及自动充电系统组成。AGV小车通过视觉软件对目标进行高精度特征匹配，在进行标定转换、定量计算后再把信号发送给系统进行具体位置及距离的计算[2]，从而驱动小车进行取放料操作。

3 智能小车技术应用特征

智能小车是一个集多种功能于一体的系统，其应用技术由硬件技术和软件技术两部分组成[3]，二者相互配合，从而实现小车的运作。

3.1 硬件技术

目前，智能小车的设计与开发多是以51单片机、Arduino、STM32、树莓派为基础，结合智能小车的工作环境，从而安装其他特定的功能模块。智能小车常用的模块主要有5种。①循迹模块。其工作原理是红外发光二极管不断发射红外线，发射出的红外线被物体反射后，继而被红外接收器接收，并输出信号到控制主板进行处理，再对电机驱动模块进行控制，通过对黑线和小车位置进行判断，从而控制小车沿黑线行进。循迹模块在智能小车行进过程中主要发挥着检测障碍的作用。②避障模块。其工作原理是采用超声波传感器对前方进行检测，若检测到前方有不可穿越的障碍物时，便避过障碍物，其能够很好地判断小车在行进过程中是否有不可穿越的障碍[4]。③超声波模块。其主要功能是对距离进行测量，由于其信息处理流程比较简单、快速且价格不高，因此被广泛应用于各类机器人的测距、定位中，且超声波的检测距离很远，不易受外界因素的干扰，因此其也被广泛地应用于具有稳定性要求的场合中。④蓝牙模块。该模块是一种集成了蓝牙功能的PCBA板，是集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，其功能是完成设备的无线网络通信，按功能可分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块，蓝牙模块在智能小车中的无线音频、远程控制及自动化领域应用广泛。⑤Wi-Fi模块。该模块在智能化产品中的应用范围非常广，Wi-Fi模块对产品设备的联网和远程控制的实现起着非常重要的作用，是产品实现智能化的关键。

3.2 软件技术

智能小车的软件一般是采用Python、c、c++、Java等语言开发的。智能小车的内置程序通过计算发出相应指令，智能小车传感器所接收的信号经过编程软件所编写的程序分析，再将结果反馈给执行部分做出动作[5]。

4 智能小车的应用

4.1 在军事领域中的应用

在军事领域中，智能小车能够代替士兵在核污染、生化污染等污染严重的区域开展军事侦察、搜索、污染物采集以及危爆物品的处理等危险工作，从而避免出现人员伤亡。在军事行动中，智能小车还能够较隐蔽地完成监视、巡逻等军事任务，在很大程度上能够提升获取信息的精准性和实时性，扩大侦察范围。

美国机器人公司iRobot研发出了一款可用于拆弹的机器人，其可对陆地上的炸弹进行安全拆除。该拆弹机器人可在自身范围2 m内提起100 kg重的物体，还可在有斜坡障碍存在的环境中，在倾斜角为45°的岩坡上移动，甚至还可搭载68 kg重的军资攀爬楼梯，在军事领域中发挥着极大的作用。

4.2 在医疗领域中的应用

在医疗领域中，智能小车可以运送医疗器械、标本、医疗废弃品等。智能小车在医疗领域中的应用可以有效解决以下问题：因用于医用物品配送的人力资源过多，导致的人力资源浪费问题;因人为配送不及时，影响诊疗服务质量问题;人为配送出现的送错、损坏、丢失等问题。例如，由ROBO医疗研发出的RoboGo医用无人车，该智能小车使用激光导航、超声波避障等技术，从而实现无人驾驶的全自动运输配送功能，代替人工进行运送标本、药品、医疗器械等物料，能够满足医院80%以上的物品运输需求，补充医院原有的物流系统，提供安全、高效、准确、灵活的自动化运输方案。E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122

4.3 在物流运输领域中的应用

目前，物流行业中的货物装卸、运输、收货、仓储等都在向无人化和机械化方向发展，智能小车应用于物流行业，可节约大量的人力资源，从而实现物流领域的降本增效，推动物流产业的转型升级。在物流运输行业中应用AGV小车，可解决大部分运输难题。相比于传统人工作业，采用AGV小车的物流具有3点优势。①自动作业、自动优化路线。传统物流分拣是靠手工来完成的，工作效率低且工作量大，而采用AGV小车后，只需将要分拣的货物放到AGV货物架上，就能够将货架自动搬运到目的地，从而提高了工作效率。②实现精细化、信息化物流管理。AGV小车能够与现代物流技术配合使用，且能够实现点对点的自动存取功能，从而在搬运过程中保证精细化作业、信息化处理，使物流管理更加智能化。③自动诊断。AGV小车因为是智能化产品，所以其具有一定的自我诊断功能，在工作过程中若发生问题，其能够及时进行诊断并处理，实现高效、经济、灵活的无人化生产。

5 对智能小车未来发展的思考

智能小车无论是在功能上、便携程度上，还是在可应用领域范围上都具有非常大的优势，这也说明智能小车在未来能够有更大的发展空间。

5.1 智能小车已进入大面积应用状态

就目前而言，智能小车的发展已相对成熟，也与其他产业领域紧密联系，延伸出了终端设备、特设服务、增值服务等多种新产品的服务设施，涵盖20多类产品，已全面覆盖军事、医疗、物流、民生服务等领域。智能小车正在不断向着公民化、大众化的方向发展，如此发展趋势下，智能小车最终必将走向千家万户，可以预见智能小车应用的全面覆盖时代已经到来。

5.2 智能小车与互联网融合发展

当今时代是智能制造与互联网技术快速发展的时代，从德国“工业4.0”到美国“先进制造伙伴战略”再到英国“高价值战略”，可见全球主要工业国家正在加快布局工业互联网，抢占国际制造业的制高点。而智能小车作为智能制造与互联网技术交叉结合的产品，必将成为未来发展方向。如今5G时代的到来将促进互联网的发展，从而为智能小车与互联网融合发展提供了更大的发展机遇。

5.3 智能小车的发展已成為大势所趋

从20世纪末开始，随着信息技术的广泛应用，汽车从代步工具向智能移动机器人（也称轮式机器人）转变，智能小车就是此次转变的重要标志，其包含多方面高新技术，是新时代智能制造技术发展的代表之一，也是全球智能制造技术发展的一个重要方向。近年来，我国相继出台了包括《“十四五”智能制造发展规划》在内的一系列促进智能制造发展的相关政策，推动了制造业数字化、网络化、智能化发展进程[6]，为智能小车发展创造了更加有利的环境。

6 结论

整体而言，智能小车是计算机、传感、通信、人工智能、自动控制等技术的集合，将环境感知、自动决策、自动驾驶等功能融为一体，是典型的现代高新技术结合体。近年来，智能小车不论是应用或技术都有了非常大的进步，而且因其可以搭载多种模块以及强大的环境适应能力，被广泛地应用于各领域。如今在智能制造技术高度发展的时代，智能小车在智能制造市场中占据着很大的比重，且每年呈上升趋势，在未来几年内的发展也将更为迅猛。

参考文献：

[1] 曹敏，宋磊，陈科帆.智能车辆的发展近况与关键技术分析[J].山东工业技术，2015（3）：1.

[2] 吕开旺，王明睿，刘振国，等.视觉引导机器人协作AGV上下料系统研究[J].制造业自动化，2022，（1）：123-126.

[3] 郑茂江.浅谈循迹智能小车设计与应用[J].山东工业技术，2019（1）：6.

[4] 王冠博，赵一帆，郭嘉，等.循迹避障智能小车的实验设计[J].实验科学与技术，2021（5）：38-42，47.

[5] 李辰霄，韦晓蕾.自动化技术在机械设计中的应用探析[J].中国设备工程，2022（2）：95-96.

[6] 智能制造发展及其未来路径[J].中国工业和信息化，2022（1）：24-25.E993D0D0-9E61-492A-BE5A-216212B78122