邵晶 王建坤 劉玉健 張若蘭 韓素立 戰(zhàn)衛(wèi)俠

[摘 要] “傳感器技術(shù)”是測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科生培養(yǎng)的專業(yè)核心課程，涉及了物理、機(jī)械、電路等多種專業(yè)知識。課程中重點(diǎn)講解了傳感器的基本原理與特性，介紹了傳感器的典型應(yīng)用場合。但是整個(gè)課程內(nèi)容相對獨(dú)立，跨越性較大，結(jié)構(gòu)性較差，難以整體把握和理解。在該課程教學(xué)中，采取了項(xiàng)目教學(xué)，以研制一種尋跡與標(biāo)定定位的自動停車AGV（Automated Guided Vehicle）運(yùn)載平臺為例，從工業(yè)化低成本要求角度出發(fā)，選用多種傳感器實(shí)現(xiàn)AGV的自動尋跡運(yùn)行和雙重定位，提高了教學(xué)效果和質(zhì)量，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了自學(xué)能力，提高了創(chuàng)新能力。

[關(guān)鍵詞] 傳感器技術(shù);測控技術(shù)與儀器;停車AGV

一、引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型和山東省新舊動能轉(zhuǎn)化重大工程的實(shí)施，迫切需要大量的儀器類專業(yè)人才，而測控技術(shù)與儀器專業(yè)本科人才需要具備機(jī)、電、光、控制、信息處理等多學(xué)科專業(yè)知識，正在成為就業(yè)市場的新寵[1]?！皞鞲衅骷夹g(shù)”是測控技術(shù)與儀器本科學(xué)生培養(yǎng)的一門專業(yè)性的核心必修課，該科目的本科課程整體教學(xué)內(nèi)容各組成部分之間相對獨(dú)立，課程自身的教學(xué)理論體系不突出，缺乏課程整體感[2]。盡管這些教學(xué)內(nèi)容中的有些內(nèi)容在我校先修課程“大學(xué)物理”“數(shù)字電子技術(shù)”“模擬電子技術(shù)”“單片機(jī)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(xué)生來說晦澀難懂且根據(jù)學(xué)生的成績來看并不理想，教材中各章節(jié)關(guān)聯(lián)性較差，內(nèi)容跨越較大，缺乏與實(shí)際工程應(yīng)用的銜接。

針對以上教學(xué)難點(diǎn)，本專業(yè)在“傳感器技術(shù)”教學(xué)中實(shí)施了項(xiàng)目教學(xué)，在對該課程的教學(xué)進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，以一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車AGV運(yùn)載平臺為題，選用合理的傳感器和測試方案，實(shí)現(xiàn)自動尋跡和雙重定位功能，采用項(xiàng)目教學(xué)將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合[3-7]，以提高教學(xué)效果。

二、傳感器技術(shù)項(xiàng)目教學(xué)背景

汽車是當(dāng)下社會首選交通工具，但隨著社會發(fā)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(shí)，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(dǎo)致停車、取車過程中剮蹭、撞擊事件頻發(fā);另一方面人工停車效率低，停車所需時(shí)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(xiàn)階段解決停車問題的主要方式是對停車場進(jìn)行大規(guī)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(guī)模修建專用停車場地，僅需對現(xiàn)有停車場進(jìn)行簡單改造，便可投入使用，是一種優(yōu)選解決方案[8-10 ]。但是，目前市場上現(xiàn)有AGV定位方案并不成熟，不能直接應(yīng)用于停車系統(tǒng)，仍需要進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)[ 11 ]。

針對此問題，本作品設(shè)計(jì)了一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車運(yùn)載平臺。運(yùn)載平臺主要由運(yùn)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、尋跡系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、控制器等組成。特別是通過編碼器與定點(diǎn)標(biāo)識傳感器實(shí)現(xiàn)雙重定位，通過舵輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動力雙集成，通過光電攝像頭實(shí)現(xiàn)尋跡，解決停車難的問題[ 12 - 14 ]。

三、AGV停車平臺功能設(shè)計(jì)思路

AGV引導(dǎo)方式通常有多種，其中最多的就是紅外引導(dǎo)、超聲波引導(dǎo)、電磁感應(yīng)引導(dǎo)、光電引導(dǎo)等。從中選擇線性CCD來進(jìn)行尋跡，線性CCD屬于光電尋跡。常規(guī)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(jù)微弱磁場計(jì)算磁條相對于車體中線的偏差，確保AGV跟蹤磁條穩(wěn)定前行，然而磁尋跡的方式，大多都是在路面鋪設(shè)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(gè)像素點(diǎn)，將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，利用PID控制調(diào)節(jié)中線，確保AGV直行，并且具有響應(yīng)速度快，靈敏度高，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[ 15 ]，因此選用線性CCD進(jìn)行尋跡。

在運(yùn)載平臺中，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)停車入庫，采用雙重定位的方法，先用編碼器進(jìn)行粗略定位，再用定點(diǎn)標(biāo)識傳感器進(jìn)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(shí)易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致編碼器定位不準(zhǔn)確，所以這時(shí)就需要定點(diǎn)標(biāo)識傳感器來進(jìn)行精確定位，達(dá)到精準(zhǔn)停車的目的。

運(yùn)載平臺中的定點(diǎn)標(biāo)識傳感器采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)精確定位。目標(biāo)車庫前放置一個(gè)相應(yīng)的特殊標(biāo)記，可以由磁釘、二維碼等標(biāo)記。利用二維碼標(biāo)記對精度會有很大的要求，且地面鋪設(shè)的二維碼長時(shí)間使用會造成磨損，易識別不出造成系統(tǒng)故障;相對于二維碼，磁釘體積小，更易識別，具有更大的優(yōu)勢，所以選用霍爾傳感器。當(dāng)霍爾傳感器檢測到特殊標(biāo)記磁釘時(shí)，發(fā)送指令進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

這幾種傳感器在一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車運(yùn)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(diào)試

一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車運(yùn)載平臺由機(jī)械部分和電控部分組成。機(jī)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(yùn)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、尋跡系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、升降系統(tǒng)四部分。運(yùn)動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由舵機(jī)、驅(qū)動輪、萬向輪以及驅(qū)動輪上的編碼器組成，驅(qū)動輪采用大減速比的減速器，舵機(jī)控制方向，二者相結(jié)合具有體積小扭力大的特點(diǎn);尋跡系統(tǒng)由光電攝像頭線性CCD組成，檢測地面所規(guī)劃的線路進(jìn)行尋跡;定位系統(tǒng)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(tǒng)由固定機(jī)械升降組成。電控部分由控制器、光電攝像頭、數(shù)據(jù)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(gòu)成。

以進(jìn)入車位1（如圖2所示）為例，運(yùn)載平臺接收用戶命令，由光電攝像頭檢測地面所做運(yùn)動標(biāo)識進(jìn)行尋跡，運(yùn)載平臺尋找到用戶車。升降臺將車抬離地面，沿軌跡進(jìn)行橫向運(yùn)動，當(dāng)霍爾傳感器識別特定標(biāo)記磁釘1時(shí)，轉(zhuǎn)向輪在舵機(jī)的控制下右轉(zhuǎn)90°，由橫向運(yùn)動變?yōu)榭v向運(yùn)動，檢測到車位1內(nèi)的磁釘2時(shí)停車，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)入庫;取車時(shí)，運(yùn)載平臺按以上步驟進(jìn)入車位1，將用戶車托起，沿軌跡進(jìn)行縱向運(yùn)動，檢測到磁釘1后舵機(jī)轉(zhuǎn)向，由縱向運(yùn)動變?yōu)闄M向運(yùn)動，將車取出。

五、項(xiàng)目教學(xué)的一些討論

獨(dú)立自學(xué)是大學(xué)生必須掌握的能力，也是所培養(yǎng)人才將來能否很好進(jìn)入社會的重要條件。本次項(xiàng)目教學(xué)過程中，學(xué)生往往會遇到各種問題，這時(shí)會考驗(yàn)學(xué)生的自學(xué)能力，通過自學(xué)以及同學(xué)幫助，克服種種困難，既有效地提高了學(xué)生的綜合自學(xué)能力，也相應(yīng)地提高了學(xué)生的自信心。

本次項(xiàng)目教學(xué)是“傳感器技術(shù)”這門課程的一種很好地呈現(xiàn)載體，對于這門課知識零散，各部分相對獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性低，缺乏整體感的特點(diǎn)，一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車運(yùn)載平臺集成度高，在過程中將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)習(xí)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生所學(xué)知識更易消化。

六、結(jié)語

針對“傳感器技術(shù)”這門專業(yè)課程本身具有工程性、實(shí)用性、全面性較強(qiáng)的特點(diǎn)，并且為了提高教學(xué)質(zhì)量，以解決停車問題為題，利用多種傳感器及AGV技術(shù)的一種基于尋跡與標(biāo)定定位的自動停車運(yùn)載平臺，實(shí)施項(xiàng)目教學(xué)，通過典型項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)方法，不僅加深了學(xué)生對傳感技術(shù)的理解，而且獲得了應(yīng)有的知識，取得了良好的課程教學(xué)效果。

致謝：感謝青島茂源停車設(shè)備制造有限公司對本項(xiàng)目教學(xué)的大力幫助與技術(shù)支持。

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