旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫的電控系統(tǒng)設(shè)計

劉航宇，張統(tǒng)煜，于豐鳴，陳宏強(qiáng)，孫巧妍

（1.煙臺南山學(xué)院，山東 煙臺 265713；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，遼寧 葫蘆島 125105）

0 引言

近幾年，市場對高層住宅樓內(nèi)的高層塔庫的需求加大。而立體車庫可以充分發(fā)揮其用地少、可化整為零的優(yōu)勢，在密集住宅區(qū)中每棟樓旁都可以隨機(jī)設(shè)立。由于歐美國家立體車庫研發(fā)技術(shù)不斷成熟，停車難問題已得到有效解決。其先進(jìn)的技術(shù)也開始向其他國家進(jìn)行推廣。目前，亞洲地區(qū)普遍使用立體停車設(shè)備的國家為日本和韓國等發(fā)達(dá)國家。與此同時，亞洲的一些東部國家也正努力研發(fā)更為高效的智能停車系統(tǒng)。我國汽車數(shù)量逐年增加，城市停車難的問題亟待解決，智能立體車庫作為商業(yè)中心、現(xiàn)代化娛樂場所等車輛密集區(qū)的重要設(shè)施，對其系統(tǒng)智能化研究顯得尤為重要。但國內(nèi)立體車庫[1]的一些技術(shù)的應(yīng)用相對不成熟，其安全性很難得到保障，且自動化程度不高。所以車庫的優(yōu)化意義重大，且在人工智能快速發(fā)展成熟的今天，設(shè)計智能化程度高的立體車庫，在智能化領(lǐng)域具有很好的引領(lǐng)作用，其研究方向較為實用。

1 總體方案設(shè)計

1.1 旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫的總體結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫是指用升降設(shè)備將車輛升降至停車目標(biāo)樓層，然后利用旋轉(zhuǎn)設(shè)備將車輛送至停放樓層的目標(biāo)車位，然后使用橫移設(shè)備完成存取車輛的停車系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫相比較于其它類型停車庫，具有構(gòu)造簡單、使用方便、投資成本低等優(yōu)點。在存取車輛時，該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動尋位[2-4]，并且利用時間最優(yōu)算法，可使旋轉(zhuǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)動最小角度到達(dá)指定車位，很大程度上節(jié)約了存取車時間和電力的消耗；由于該車庫內(nèi)不設(shè)行駛路段，整體為圓柱形塔狀，可根據(jù)不同存車數(shù)量要求增加樓層存車數(shù)或停車樓層數(shù)；在存取車時，只需通過簡單按鍵操作便可實現(xiàn)自動管理，智能自動控制水平高；整個系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有機(jī)械限位及光電安全裝置，可實現(xiàn)設(shè)備安全平穩(wěn)運行且運行費用低。因此旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫可建于商業(yè)中心等車輛密集地區(qū)，能夠有效緩解城市停車位緊張的問題。

為便于該模型系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)所預(yù)期的功能，故此系統(tǒng)并沒有設(shè)置太多停車位，而是每層設(shè)計存放汽車4輛，共3層，其中底層不設(shè)車位，便于人員行使車輛，2、3層為停車層。然后將該車庫實際空間大小與尺寸按一定比例進(jìn)行縮小，做出立體車庫實驗?zāi)Ｐ?。車庫整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 車庫總體結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫主要包括整體支撐結(jié)構(gòu)和機(jī)械運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)[5]。電控機(jī)械部分主要包括旋轉(zhuǎn)設(shè)備、升降設(shè)備、橫移設(shè)備，圖1中圓心處為搬運系統(tǒng)，其中包括旋轉(zhuǎn)設(shè)備和橫移設(shè)備。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用是在平層中，載著平移設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位移，將存取車輛送至指定車位。升降設(shè)備的主要作用是進(jìn)行車庫圓心處車輛搬運系統(tǒng)的升降動作，把需要存取的車輛精確送至指定停車層。而平移設(shè)備主要由車輛抬升裝置和橫移裝置構(gòu)成，其主要作用是通過平移伸出將車輛送至指定停車位和通過平移縮回將車輛從停車位上取出。

1.2 車庫的升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)作為旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車中的關(guān)鍵部分，可從驅(qū)動方式、安裝位置、有無平衡配重等方面考慮進(jìn)行選取[6]。車庫要求升降過程運行平穩(wěn)，有較強(qiáng)負(fù)載能力且不要求定位十分精準(zhǔn)，所以運用直流減速電動機(jī)進(jìn)行設(shè)備的驅(qū)動。

對于該旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫模型，升降設(shè)備采用直流減速電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，并將驅(qū)動裝置安裝在頂部，這樣維護(hù)比較方便，且鋼絲繩使用量少；采取帶平衡配重的曳引驅(qū)動方式，這樣可使設(shè)備運行平穩(wěn)、維護(hù)方便。升降系統(tǒng)主要包含傳動機(jī)構(gòu)、用于傳導(dǎo)的定滑輪、有平衡配重的曳引系統(tǒng)以及升降旋轉(zhuǎn)臺等。升降系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 升降系統(tǒng)示意圖

在此設(shè)計中，將4根鋼絲繩分別連接在旋轉(zhuǎn)升降臺的四端進(jìn)行起吊升降，采用該種起吊方法會使設(shè)備運行更為平穩(wěn)。這里將升降旋轉(zhuǎn)臺支撐架末端嵌入到井道導(dǎo)軌中，并將鋼絲繩分布于導(dǎo)軌中，這樣既可以提高鋼絲繩的使用壽命，又可防止鋼絲繩卡住。

1.3 車庫的橫移機(jī)構(gòu)

橫移機(jī)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫中實現(xiàn)車輛平面搬運至關(guān)重要，這里要求橫移機(jī)構(gòu)和升降臺之間的運行要相互配合，不能發(fā)生沖突，還要實現(xiàn)快速存取車，同時還要保障車輛能夠安全可靠的停放在車庫內(nèi)。這里采用叉梳式橫移機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)相比較于其他橫移機(jī)構(gòu)，不需要在每個車位上均放置移動式載車板，從而使車庫存取系統(tǒng)簡化、運行平穩(wěn)可靠，工作效率高。該機(jī)構(gòu)主要由車輛抬升裝置和橫移裝置構(gòu)成，當(dāng)旋轉(zhuǎn)升降臺抵達(dá)目標(biāo)停車層，首先通過抬升裝置將車輛頂起一段高度，然后橫移裝置將車輛送至車位，最后抬升裝置復(fù)位，在復(fù)位過程中，使叉梳式載車板與固定在停車位上的叉梳產(chǎn)生交錯運動從而實現(xiàn)將車輛放置在車位載車架上，進(jìn)而實現(xiàn)存車工作。其中固定在車位上的叉梳結(jié)構(gòu)如圖3所示，安裝在橫移裝置上的橫移叉梳如圖4所示。

圖3 固定叉梳

圖4 橫移叉梳

在車庫實驗?zāi)Ｐ椭?，為使橫移裝置能夠平穩(wěn)運輸車輛進(jìn)出，這里運用曲柄滑塊運動原理，使直流減速電機(jī)[7]驅(qū)動如圖5所示的曲柄滑塊，進(jìn)而帶動叉梳前后運動，且通過安裝限位開關(guān)控制叉梳行使的距離。

圖5 曲柄滑塊

1.4 車庫的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要作用是在平層中，載著平移設(shè)備進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位移，將存取車輛送至指定車位。,本設(shè)計的車庫實驗?zāi)Ｐ兔繉釉O(shè)置4個停車位，這就需要旋轉(zhuǎn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)成一定角度的精確旋轉(zhuǎn)定位，且運行平穩(wěn)。故這里運用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)[8-10]臺較為適合。

2 車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 立體車庫存取車最優(yōu)時間算法模型

在存取車過程中，當(dāng)載車臺到達(dá)停車樓層后，旋轉(zhuǎn)臺需要通過旋轉(zhuǎn)位移抵達(dá)指定車位，此時就需要一定的算法使旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)最短路徑抵達(dá)指定車位，從而實現(xiàn)后面的存取車動作，常用路徑優(yōu)化算法為最優(yōu)時間算法。

對于同一樓層停車位，這里假設(shè)起點車位號為a，終點車位號為b，停車層總車位數(shù)為N，則旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機(jī)路徑函數(shù)定義為[11]：

圖6為通過應(yīng)用該路徑優(yōu)化算法后旋轉(zhuǎn)臺具體的旋轉(zhuǎn)路徑說明。

圖6 優(yōu)化旋轉(zhuǎn)路徑

如圖6所示，假設(shè)起點車位號a為1，終點車位號b為2，通過路徑優(yōu)化算法，得出旋轉(zhuǎn)臺應(yīng)順時針旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)車位2；假設(shè)起點車位號a為1，終點車位號b為4，通過路徑優(yōu)化算法，得出旋轉(zhuǎn)臺應(yīng)逆時針旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)車位4。

2.2 立體車庫主程序設(shè)計

因為本設(shè)計主要對旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫模型進(jìn)行研究，該系統(tǒng)設(shè)計中涉及多檢測信號處理與多電機(jī)控制問題。故針對該控制系統(tǒng)， 選擇單片機(jī)進(jìn)行控制。

車庫系統(tǒng)采用模塊化的編程方法，系統(tǒng)程序主要包括主程序和多個功能子程序，主程序通過調(diào)用不同的子程序進(jìn)而完成不同的任務(wù)，這樣設(shè)計簡潔方便，也便于調(diào)試維護(hù)[12]。突出了單片機(jī)對車庫系統(tǒng)的智能化控制，最后系統(tǒng)主程序協(xié)調(diào)各模塊子程序完成對車庫系統(tǒng)的控制。如圖7為整個立體車庫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

立體車庫控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8，系統(tǒng)初始化并進(jìn)行鍵盤掃描，當(dāng)有用戶通過按鍵操作面板執(zhí)行存取車操作時，系統(tǒng)就會獲取相應(yīng)停車層和停車位的信息，并與車庫當(dāng)前的位置進(jìn)行比較，然后實現(xiàn)相應(yīng)的存取車動作。

2.3 立體車庫存取車程序設(shè)計

2.3.1 存車過程

具體存車操作過程為，用戶先按下“存車”鍵，然后系統(tǒng)執(zhí)行外部中斷0，若升降臺不在底層初始位，則先下降至底層初始位，然后用戶再通過當(dāng)前操作面板上的車位停放狀況按下自己希望停放的車位號，最后按下“確認(rèn)”鍵，此時系統(tǒng)開始執(zhí)行存車操作。存車子程序流程圖如圖9所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 存車流程圖

2.3.2 取車過程

具體取車操作過程為，用戶先按下“取車”鍵，系統(tǒng)開始執(zhí)行外部中斷1，然后用戶通過當(dāng)前操作面板選擇所取車輛所在的車位號，最后按下“確認(rèn)”鍵，此時系統(tǒng)開始執(zhí)行取車操作。取車子程序流程圖如圖10所示。

圖10 取車流程圖

3 車庫控制系統(tǒng)的仿真與調(diào)試

3.1 車庫控制系統(tǒng)的仿真

本研究通過Keil軟件與Proteus軟件完成對車庫系統(tǒng)的程序編寫與系統(tǒng)電路圖的繪制與仿真。本研究先通過Keil軟件對該立體車庫系統(tǒng)主程序以及各模塊子程序進(jìn)行編寫，各模塊程序主要包括鍵盤操作子程序、車庫存車子程序、車庫取車子程序等；然后利用Proteus軟件對車庫控制電路圖進(jìn)行繪制；完成電路圖中機(jī)構(gòu)所需的所有器件的安裝與線路連接，進(jìn)而完成立體車庫的整體制作與安裝，立體車庫整體實物圖如圖11所示。

圖11 立體車庫整體實物圖

本研究對該車庫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，首先對升降電機(jī)模塊進(jìn)行測試，將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)，正確連接線路后啟動裝置，觀察升降臺能否平穩(wěn)的上下運動；然后對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行測試，觀察其是否能夠進(jìn)行90°正反轉(zhuǎn)和180°正反轉(zhuǎn)，并且依次對舵機(jī)和橫移電機(jī)進(jìn)行測試，觀察舵機(jī)能否實現(xiàn)車輛的抬升與歸位，橫移電機(jī)能否將橫移叉梳伸出和縮回；然后，完成對紅外對管檢測模塊的測試，觀察其是否可以實現(xiàn)對車位中有無車輛的檢測；最后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，觀察車庫系統(tǒng)在存取車過程中是否運行平穩(wěn)，通過觀察車庫系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的與預(yù)期效果的偏差，進(jìn)而對該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整與修改。

3 結(jié)論

本文通過對不同類型的立體車庫進(jìn)行對比分析，結(jié)合實際情況，選擇旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫模型為研究對象，通過對車庫整體架構(gòu)和控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，基本實現(xiàn)了系統(tǒng)所要求的功能，本設(shè)計中主要做了以下工作：1）以旋轉(zhuǎn)式環(huán)形立體車庫模型為載體，對該系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計；2）著重對電控系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，重點分析了升降設(shè)備、旋轉(zhuǎn)設(shè)備和橫移設(shè)備，并給出具體設(shè)計方案，包括所要實現(xiàn)的功能和構(gòu)成；3）對立體車庫存取車路徑優(yōu)化算法進(jìn)行了研究，從而提高了存取車效率和降低了能耗；4）完成了立體車庫模型的制作與安裝，并通過進(jìn)一步調(diào)試，實現(xiàn)了車庫系統(tǒng)自動化存取車輛。由于能力和條件的限制，本文還存在一些不足和需要改進(jìn)的地方。這些不足之處，有待于在今后的學(xué)習(xí)中進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)與研究。