平面橫移式模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉云,杜正寬,孫石磊,劉丹丹,邾凌志

(安徽信息工程學(xué)院 機(jī)械工程系,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

家庭用車數(shù)量日益增加,導(dǎo)致現(xiàn)有的停車位已經(jīng)無法滿足日益增長的私家車與電動(dòng)自行車的停車需求,車輛占道、亂停亂放現(xiàn)象隨之嚴(yán)重,對(duì)車輛的存取造成很大的不便．為提高單位車位下的停車數(shù)量,停車位向空間延展,立體車庫的概念便應(yīng)運(yùn)而生．常見的立體車庫根據(jù)車輛存取方式有升降橫移式、垂直升降式、巷道堆垛式和多層循環(huán)式[1]．經(jīng)過多年研究、發(fā)展和改進(jìn),立體車庫已在大型購物中心等車流密集大的場(chǎng)所獲得應(yīng)用,然而立體車庫裝置較為復(fù)雜,建造費(fèi)用高[2-4]．

目前居民區(qū)停車難主要由如下原因造成:家用汽車及電動(dòng)自行車購買量增加,而車庫并未擴(kuò)容,現(xiàn)有的停車位不能滿足需求;已配建的停車設(shè)施被不當(dāng)占用,例如：由于駕駛員停車技術(shù)問題造成一輛汽車占用兩個(gè)車位,或在車位上堆砌雜物無法正常使用;零星地面區(qū)域規(guī)劃不善,導(dǎo)致配套停車位沒能最大化的使用．本文設(shè)計(jì)了一種平面模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng),使用地面停車方式降低建設(shè)成本和裝置復(fù)雜程度,通過自動(dòng)引導(dǎo)、存取和車位的合理規(guī)劃,達(dá)到提高單位面積內(nèi)停車數(shù)量的目的,且方便車主存取車輛,同時(shí)還可以配置不同尺寸的停車位用于停放電動(dòng)自行車[5-6]．

文獻(xiàn)[7]介紹了集機(jī)電一體化的自動(dòng)化立體停車設(shè)備,但該設(shè)備僅適用于商業(yè)密集區(qū),無法適應(yīng)居民區(qū)使用;文獻(xiàn)[8]提出了利用同步Petri網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)前后兩排升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng),但復(fù)雜的控制要求使得依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)邏輯混亂,會(huì)增加出錯(cuò)率;文獻(xiàn)[9]介紹了升降橫移式車庫冗余控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在停取車過程中系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),自動(dòng)切換PLC進(jìn)行停取車的冗余控制,但該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是規(guī)模較小,其只能實(shí)現(xiàn)2個(gè)PLC之間的冗余控制,適用范圍較局限．

本設(shè)計(jì)以占用傳統(tǒng)雙排6車位所用土地面積為例,在相同占地面積下利用本停車系統(tǒng)按照4×6的平面停車位進(jìn)行配置,總共能夠停放20輛家用汽車．為了演示停車效果,文中展示了以上述車位配置方式制作的模型,模型利用STM32F103作為主控芯片,實(shí)現(xiàn)車輛的存?。?/p>

圖 1 裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the device

1 工作原理

平面橫移式模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng)是通過橫移地面上布置的模塊化載車板從而讓出車輛進(jìn)出空間以實(shí)現(xiàn)存取車輛的停車設(shè)備,主要模塊化載車板、滑輪、滑動(dòng)觸頭、電磁鐵、軌道和傳動(dòng)裝置等組成．一組3×5的模塊化停車系統(tǒng)由上向下(行)共布置3條軌道,裝置原理如圖1所示,每條軌道上有5個(gè)模塊化車位,鋪設(shè)5個(gè)模塊化載車板,載車板只能沿著軌道橫向移動(dòng),且與車位大小相同,軌道間可不留空隙,初始狀態(tài)下每條軌道最左邊1號(hào)位需空出一個(gè)車位,用于停車時(shí)移動(dòng)首末軌道中的載車板從形成通道方便車輛進(jìn)出內(nèi)部軌道中的車位,外側(cè)軌道均有進(jìn)出通道,且最內(nèi)部軌道無需橫移,左邊1號(hào)位可以停放車輛,能夠增加停車的數(shù)量并增加同時(shí)取停車的進(jìn)出數(shù)量．

停在1車位時(shí)該停車裝置處于初始狀態(tài),裝置最左端預(yù)先空出一列停車位,作為提供裝置橫向移動(dòng)的空間．2車位和3車位分別為停車入位原理和取車駛離車位的分解示意圖,由下到上設(shè)置第一行到第三行,每行模塊編號(hào)從左到右為1到4車位．下面按照不同行存取車分別討論:

1.1 第一行停車的移動(dòng)情況

當(dāng)需要在第一行的第1個(gè)車位停車時(shí),車輛可以自行行駛?cè)胛?即無需移動(dòng)任何模塊．若此車位上的車輛駛離該停車位,則第二行的第1個(gè)車位和第三行的第1個(gè)車位同時(shí)向左移動(dòng)一個(gè)車位,這樣第一行的第1個(gè)模塊載車板上的車輛即可駛離停車位．

當(dāng)需要在第一行的第2個(gè)車位停車時(shí),車輛可以自行行駛?cè)胛唬x開時(shí),第一列停車位以及第二行的第2個(gè)停車位和第三行的第2個(gè)停車位的載車板則需要同時(shí)向左移動(dòng)一個(gè)停車位,此時(shí)第一行的第2個(gè)停車位即可從模塊的載車板移動(dòng)所空出的一條通道駛離停車區(qū)域．第一行的其他車位停車時(shí)車輛皆可自行行駛?cè)胛?而駛離第n個(gè)車位中的車則需要第二行和第三行的前n個(gè)停車位中的載車板同時(shí)向左移動(dòng)一個(gè)停車位,以便空出第n列形成通道．

1.2 第一列停車的移動(dòng)情況

當(dāng)停入第二行的第1個(gè)停車位時(shí),該停車位載車板向左移動(dòng)一個(gè)車位,此時(shí)車輛就可從最左方預(yù)留空車位列行駛到停車位,停車完畢裝置還原為原來的狀態(tài)．

當(dāng)停入第三行的第1個(gè)停車位時(shí),該停車位載車板移動(dòng)情況與第二行情況相同,即向左移動(dòng)一個(gè)車位,車輛從最左方預(yù)留列駛?cè)胪＼囄?當(dāng)取出車輛時(shí),車輛只需直接從上方駛離停車位即可無需移動(dòng)任何模塊．

1.3 中間模塊停車入位情況

中間模塊的車位需要停車時(shí),此處以第二行的第3個(gè)車位為例,第一行的第1至第3車位首先需要同時(shí)向左移動(dòng)一個(gè)車位,如圖2所示,車輛從載車板移動(dòng)所讓出的空位列駛?cè)朐撏＼囄簧希?dāng)車輛停車入位后,裝置還原至最初的狀態(tài),如圖3所示．若需要取走該車輛,則第三行的第1至第3的三個(gè)車位同時(shí)向左移動(dòng)一個(gè)車位,空出第3個(gè)車位的通道,車輛可無障礙地駛離停車區(qū)．其余中間車位停車均照此方式類推．

以上為該停車裝置按照3×5的車位配置舉例車輛停取的工作原理,軌道數(shù)目和每條軌道上模塊載車板數(shù)量均可以按照占地面積不同配置,停車原理以上述原理進(jìn)行類推即可．該停車裝置配置軌道數(shù)量和車位數(shù)量越多,其取停車占用公共路面面積越少,單位車位占用地面面積越少,地面停車的利用率越高．停車和取車可由首行和末行兩個(gè)方向進(jìn)入,停車效率較高,裝置結(jié)構(gòu)簡單,且停取車過程全部為平面移動(dòng),較為安全可靠．

圖 2 停車入位示意圖Fig.2 Parking location diagram

圖 3 取車出庫示意圖Fig.3 Diagram of picking up

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平面橫移式模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主體由載車板、軌道、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成．為了方便車輛進(jìn)出停車位,載車板可略高出地面或與地面平齊,且每個(gè)載車板模塊中還配備了光電傳感器,用于檢測(cè)車位停車狀態(tài)．模塊化載車板只能在軌道上做橫向移動(dòng),軌道以及滑輪、滑動(dòng)觸頭等傳動(dòng)裝置嵌入地面以下,載車板與軌道配合結(jié)構(gòu)示意如圖4所示．本文對(duì)比實(shí)際停車位大小,按照該裝置工作原理,以1∶25的比例制作該停車系統(tǒng)的模型[10]．

圖 4 模塊化載車板及軌道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Modular board and track structure diagram

模塊化載車板整體包括承載車輛的鋼板體以及下方安裝的電磁鐵和滑輪,其動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)提供．載車板需要移動(dòng)時(shí),電機(jī)通過傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)嵌入地面的齒條橫向移動(dòng),載車板下方的電磁鐵上電,插入下方齒條的孔中,如圖5所示;齒條運(yùn)動(dòng)即可帶動(dòng)上方的停車裝置做平行移動(dòng)．

停車時(shí),載車板下方的伸縮板會(huì)自動(dòng)下移,車輛通過伸縮板移動(dòng)到停車板上,此刻壓力傳感器會(huì)感受到來自轎車的壓力,發(fā)送待移動(dòng)信號(hào)．轎車固定好位置后,停車板開始移動(dòng),裝置通過底部載車板的移動(dòng)來帶動(dòng)停車板的運(yùn)動(dòng),底部載車板與停車裝置的軌道沒有直接相連,而是在其中間放置移動(dòng)滾珠,通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)載車板的移動(dòng)[11]．載車板移動(dòng)的距離是固定的,以一個(gè)載車板的寬度為單位,每次移動(dòng)一個(gè)單位;載車板沿著軌道移動(dòng)時(shí),移動(dòng)車輪下方的伸縮塊會(huì)下滑,與載車板上的固定板相扣,使得載車板移動(dòng)時(shí)便可帶動(dòng)移動(dòng)車輪及載車板一起沿著軌道移動(dòng)．當(dāng)載車板移動(dòng)到下一列的空位時(shí),此時(shí)便空出一列車位,車主即可駕駛車輛停車到下一列載車板上[12-14]．

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來,以嵌入式系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)得到大力推廣與發(fā)展,尤其是在工業(yè)中因其低價(jià)、穩(wěn)定、接口類型豐富等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用．控制系統(tǒng)用于控制上述3×5模塊載車板的合理移動(dòng),以便于規(guī)劃出一條通道方便車輛進(jìn)出車庫[15-16]．

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本裝置控制系統(tǒng)選用由STM32F103作為主控芯片,如圖6所示,由主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)交互模塊、電磁鐵模塊、顯示模塊及傳感器模塊組成,用于控制3組電機(jī)和15組電磁鐵的動(dòng)作．硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理,其對(duì)應(yīng)管腳如表1所示[17-20]．

圖 5 齒條與電磁鐵配合示意圖 圖 6 控制系統(tǒng)原理圖 Fig.5 Schematic diagram of the matching Fig.6 Schematic diagram of the control system between rack and electromagnet

2.3.1 主控模塊 平面橫移式模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片,該芯片共有144個(gè)引腳,112個(gè)雙向I/O接口,完全滿足該裝置控制需求．主控模塊主要控制3組電機(jī)帶動(dòng)齒條正反向移動(dòng)載車板．電磁鐵的吸合由繼電器驅(qū)動(dòng),主控芯片通過人機(jī)交互模塊中的按鍵控制電磁鐵動(dòng)作．主控模塊能夠記憶車輛存取指令,對(duì)任一車位停車情況均在主控模塊中配置相應(yīng)寄存器以便車位停車情況,車位停入車該模塊Flag置1,取車后置0．

表 1 管腳功能列表

2.3.2 人機(jī)交互模塊和顯示模塊 人機(jī)交互模塊為控制按鍵和數(shù)字字母面板,控制按鍵包括啟動(dòng)、停止、重啟、急停和存車、取車確認(rèn)按鍵,數(shù)字字母面板用于選擇停車位．重啟按鍵用于系統(tǒng)復(fù)位操作,按下后恢復(fù)到最初無任何停車的初始狀態(tài)下;急停按鍵按下后切斷電源對(duì)控制系統(tǒng)的供電;存取車確認(rèn)按鍵用于在數(shù)字字母面板選定車位后裝置實(shí)施相應(yīng)存取車動(dòng)作,如該車位無法停車或無車可取則系統(tǒng)發(fā)出警告[21]．顯示模塊使用液晶屏顯示每個(gè)車位的使用情況,以及對(duì)錯(cuò)誤操作進(jìn)行警告．

圖 7 停取車流程Fig.7 Parking and pickup flow

2.3.3 傳感器模塊 使用紅外光電傳感器配置于每個(gè)車位端部,用于檢測(cè)載車板中車輛的長度、是否停車到位,以及載車板的回位情況．若檢測(cè)到車輛長度過長、停車歪斜,或載車板沒有正確回位等異常情況,系統(tǒng)則立即發(fā)出警報(bào)并停止當(dāng)且動(dòng)作,等待人工排除故障．

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7為停取車時(shí)系統(tǒng)主程序流程圖．停車時(shí),程序首先要求車主選擇一個(gè)目標(biāo)車位,此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷是存車或取車．若檢測(cè)不到正確輸入系統(tǒng),則發(fā)出報(bào)警信號(hào),并等待車主重新輸入．若已完成目標(biāo)車位的選擇,系統(tǒng)判斷對(duì)應(yīng)動(dòng)作后,控制器將在控制程序中啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的控制程序塊,對(duì)進(jìn)入或駛出目標(biāo)車庫的運(yùn)動(dòng)方向上的模塊進(jìn)行移動(dòng)調(diào)整,即控制電機(jī)輸出動(dòng)力與車位間的連接,對(duì)相關(guān)車位進(jìn)行橫向移動(dòng),保證進(jìn)入或駛出目標(biāo)車位的過道暢通．

系統(tǒng)所有動(dòng)作控制程序函數(shù)均獨(dú)立封裝,安全可靠,能夠一鍵解決各種停車或取車的問題,并有安全檢測(cè)功能以提升確保系統(tǒng)的安全性,另外系統(tǒng)預(yù)留了大量I/O接口,可擴(kuò)展性極強(qiáng),能夠進(jìn)行二次開發(fā)增加或擴(kuò)展所需功能．

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種停車規(guī)模可定制化調(diào)節(jié),可在平面上橫移的模塊化自動(dòng)停車系統(tǒng),設(shè)計(jì)并制造以4×5為例配置下的模型．系統(tǒng)以STM32F103ZET6為主控芯片,控制四條軌道20個(gè)車位的自動(dòng)停取車．按照傳統(tǒng)地面停車方式,以4×5車位所占用地劃分車位可停10輛車.而利用本例中的停車裝置則可停車17輛,其地面利用率為普通停車場(chǎng)地面利用率的1.7倍,且車位配置規(guī)模越大其地面利用率越高．相對(duì)于立體循環(huán)式車庫的復(fù)雜性和高成本,本設(shè)計(jì)制造成本低,停車效率和地面利用率較高,能有效解決城市中停車?yán)щy的現(xiàn)象,其工作原理對(duì)其他車庫的控制策略有一定的參考意義．該裝置具有以下特點(diǎn):

(1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)精簡,硬件成本低廉;

(2) 可根據(jù)實(shí)際需要配置停車規(guī)模,也可用于小型電動(dòng)自行車的車輛存放和管理;

(3) 系統(tǒng)具備異常情況報(bào)警、急停、車位監(jiān)測(cè)、空余車位顯示等功能,可防止車輛間發(fā)生碰撞,安全性高;

(4) 停車取車效率高,且操作簡便,方便車主一鍵存?。?/p>