一种寻迹与标定定位的自动停车运载平台
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作者:邵晶 王建坤 刘玉健 张若兰 韩素立 战卫侠
[摘 要] “传感器技术”是测控技术与仪器专业本科生培养的专业核心课程，涉及了物理、机械、电路等多种专业知识。课程中重点讲解了传感器的基本原理与特性，介绍了传感器的典型应用场合。但是整个课程内容相对独立，跨越性较大，结构性较差，难以整体把握和理解。在该课程教学中，采取了项目教学，以研制一种寻迹与标定定位的自动停车AGV（Automated Guided Vehicle）运载平台为例，从工业化低成本要求角度出發，选用多种传感器实现AGV的自动寻迹运行和双重定位，提高了教学效果和质量，增强了学习兴趣，培养了自学能力，提高了创新能力。
[关键词] 传感器技术;测控技术与仪器;停车AGV
一、引言
伴随着我国经济战略转型和山东省新旧动能转化重大工程的实施，迫切需要大量的仪器类专业人才，而测控技术与仪器专业本科人才需要具备机、电、光、控制、信息处理等多学科专业知识，正在成为就业市场的新宠[1]。“传感器技术”是测控技术与仪器本科学生培养的一门专业性的核心必修课，该科目的本科课程整体教学内容各组成部分之间相对独立，课程自身的教学理论体系不突出，缺乏课程整体感[2]。尽管这些教学内容中的有些内容在我校先修课程“大学物理”“数字电子技术”“模拟电子技术”“单片机原理与接口”“测控电路”等课程中均有所涉及，但这几门课对学生来说晦涩难懂且根据学生的成绩来看并不理想，教材中各章节关联性较差，内容跨越较大，缺乏与实际工程应用的衔接。
针对以上教学难点，本专业在“传感器技术”教学中实施了项目教学，在对该课程的教学进行深入研究和分析的基础上，以一种基于寻迹与标定定位的自动停车AGV运载平台为题，选用合理的传感器和测试方案，实现自动寻迹和双重定位功能，采用项目教学将教学内容与学习实践有机结合[3-7]，以提高教学效果。
二、传感器技术项目教学背景
汽车是当下社会首选交通工具，但随着社会发展，汽车保有量大幅提高，汽车在为日常出行提供诸多便利的同时，也带来了极大的安全和效率方面的困扰。一方面由于停车场空间狭小导致停车、取车过程中剐蹭、撞击事件频发;另一方面人工停车效率低，停车所需时间长。因此，智能停车、集成化停车成为社会大众的迫切需求。现阶段解决停车问题的主要方式是对停车场进行大规模土建改造。这种方式需要征地搬迁，投入成本较大。然而，采用AGV停车方案，工作方式灵活，不需大规模修建专用停车场地，仅需对现有停车场进行简单改造，便可投入使用，是一种优选解决方案[8-10 ]。但是，目前市场上现有AGV定位方案并不成熟，不能直接应用于停车系统，仍需要进一步技术改进[ 11 ]。
针对此问题，本作品设计了一种基于寻迹与标定定位的自动停车运载平台。运载平台主要由运动转向系统、寻迹系统、定位系统、升降系统、数据传输系统、控制器等组成。特别是通过编码器与定点标识传感器实现双重定位，通过舵轮机构实现转向动力双集成，通过光电摄像头实现寻迹，解决停车难的问题[ 12 - 14 ]。
三、AGV停车平台功能设计思路
AGV引导方式通常有多种，其中最多的就是红外引导、超声波引导、电磁感应引导、光电引导等。从中选择线性CCD来进行寻迹，线性CCD属于光电寻迹。常规的磁寻迹是由磁采集传感器检测磁条上方100Gauss的微弱磁场，根据微弱磁场计算磁条相对于车体中线的偏差，确保AGV跟踪磁条稳定前行，然而磁寻迹的方式，大多都是在路面铺设磁条，干扰性大，甚至于需要在路面埋磁钉，工程巨大，且磁条凸起在地表，容易造成通行障碍;不同于磁寻迹，光电摄像头线性CCD寻迹是采集256个像素点，将光学图像转化为数字信号，利用PID控制调节中线，确保AGV直行，并且具有响应速度快，灵敏度高，性能稳定的优点[ 15 ]，因此选用线性CCD进行寻迹。
在运载平台中，为实现精准停车入库，采用双重定位的方法，先用编码器进行粗略定位，再用定点标识传感器进行精确定位。由于所选的编码器精度较低，且地面凹陷或光滑时易出现打滑现象，导致编码器定位不准确，所以这时就需要定点标识传感器来进行精确定位，达到精准停车的目的。
运载平台中的定点标识传感器采用霍尔传感器实现精确定位。目标车库前放置一个相应的特殊标记，可以由磁钉、二维码等标记。利用二维码标记对精度会有很大的要求，且地面铺设的二维码长时间使用会造成磨损，易识别不出造成系统故障;相对于二维码，磁钉体积小，更易识别，具有更大的优势，所以选用霍尔传感器。当霍尔传感器检测到特殊标记磁钉时，发送指令进行转向。
这几种传感器在一种基于寻迹与标定定位的自动停车运载平台中均有所涉及，对传感器课程的讲解大有助益。
四、AGV整车搭建及调试
一种基于寻迹与标定定位的自动停车运载平台由机械部分和电控部分组成。机械部分主要由车身和底盘组成（如图1所示），车身和底盘又可分为运动转向系统、寻迹系统、定位系统、升降系统四部分。运动转向系统由舵机、驱动轮、万向轮以及驱动轮上的编码器组成，驱动轮采用大减速比的减速器，舵机控制方向，二者相结合具有体积小扭力大的特点;寻迹系统由光电摄像头线性CCD组成，检测地面所规划的线路进行寻迹;定位系统由粗略定位的编码器和精确定位的霍尔传感器组成;升降系统由固定机械升降组成。电控部分由控制器、光电摄像头、数据传输模块、编码器模块、测距模块、障碍物检测模块、测重模块等多种传感器构成。
以进入车位1（如图2所示）为例，运载平台接收用户命令，由光电摄像头检测地面所做运动标识进行寻迹，运载平台寻找到用户车。升降台将车抬离地面，沿轨迹进行横向运动，当霍尔传感器识别特定标记磁钉1时，转向轮在舵机的控制下右转90°，由横向运动变为纵向运动，检测到车位1内的磁钉2时停车，实现精准入库;取车时，运载平台按以上步骤进入车位1，将用户车托起，沿轨迹进行纵向运动，检测到磁钉1后舵机转向，由纵向运动变为横向运动，将车取出。 五、项目教学的一些讨论
独立自学是大学生必须掌握的能力，也是所培养人才将来能否很好进入社会的重要条件。本次项目教学过程中，学生往往会遇到各种问题，这时会考验学生的自学能力，通过自学以及同学帮助，克服种种困难，既有效地提高了学生的综合自学能力，也相应地提高了学生的自信心。
本次项目教学是“传感器技术”这门课程的一种很好地呈现载体，对于这门课知识零散，各部分相对独立，关联性低，缺乏整体感的特点，一种基于寻迹与标定定位的自动停车运载平台集成度高，在过程中将教学内容与学习实践有机结合，让学生所学知识更易消化。
六、结语
针对“传感器技术”这门专业课程本身具有工程性、实用性、全面性较强的特点，并且为了提高教学质量，以解决停车问题为题，利用多种传感器及AGV技术的一种基于寻迹与标定定位的自动停车运载平台，实施项目教学，通过典型项目实现理论和实践相结合的教学方法，不仅加深了学生对传感技术的理解，而且获得了应有的知识，取得了良好的课程教学效果。
致谢：感谢青岛茂源停车设备制造有限公司对本项目教学的大力帮助与技术支持。
参考文献
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