旋轉(zhuǎn)式智能停車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)

趙興仁，吳義維，張 強(qiáng)，張奧翔，高成輝

(1.中國(guó)石油大學(xué) 石油工訓(xùn)中心，山東 青島 266400 ；2.中國(guó)石油大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266400)

0 引言

隨著私家車(chē)和電動(dòng)車(chē)數(shù)量的增長(zhǎng)，“停車(chē)難、停車(chē)貴”已經(jīng)成為一個(gè)普遍問(wèn)題，特別是一些老舊居民小區(qū)和商業(yè)區(qū)，停車(chē)位少，造成有車(chē)不敢開(kāi)、不能開(kāi)、沒(méi)處停放的尷尬局面，電動(dòng)車(chē)和機(jī)動(dòng)車(chē)相互搶占車(chē)位，非法停放、占用消防通道現(xiàn)象日益嚴(yán)重。針對(duì)傳統(tǒng)車(chē)庫(kù)車(chē)位少、費(fèi)用高、空間利用率低等弊端，建設(shè)立體車(chē)庫(kù)是城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)智能車(chē)庫(kù)系統(tǒng)采用 PLC作為控制核心，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；以觸摸屏作為控制界面，實(shí)現(xiàn)了立體車(chē)庫(kù)存取過(guò)程控制及管理的智能化[1-2]。

1 車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)

立體旋轉(zhuǎn)式車(chē)庫(kù)種類(lèi)較多，本設(shè)計(jì)采用外車(chē)庫(kù)固定、內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)的存車(chē)模式，它比內(nèi)外車(chē)庫(kù)都旋轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維護(hù)，耗能少。旋轉(zhuǎn)式智能停車(chē)庫(kù)由升降機(jī)、移車(chē)托板、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、外車(chē)庫(kù)、內(nèi)車(chē)庫(kù)組成，如圖1、圖2所示。車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)成內(nèi)外雙層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，共3層，外車(chē)庫(kù)有21個(gè)車(chē)位，內(nèi)車(chē)庫(kù)有8個(gè)車(chē)位，其中升降機(jī)占有2個(gè)車(chē)位，移車(chē)托板占內(nèi)車(chē)庫(kù)1個(gè)車(chē)位，每層共有26個(gè)車(chē)位，整個(gè)停車(chē)庫(kù)共有78個(gè)車(chē)位。升降機(jī)構(gòu)的作用是將車(chē)輛準(zhǔn)確地送到指定層；移車(chē)托板將車(chē)輛從停車(chē)位取出或存入目標(biāo)車(chē)位；每層的內(nèi)車(chē)庫(kù)可以單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，其中一個(gè)車(chē)位裝有移車(chē)托板。內(nèi)車(chē)庫(kù)中心裝有步進(jìn)電機(jī)和齒輪，它控制內(nèi)車(chē)庫(kù)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使車(chē)位對(duì)準(zhǔn)升降機(jī)或者對(duì)準(zhǔn)外車(chē)庫(kù)目標(biāo)車(chē)位。

在外車(chē)庫(kù)有兩個(gè)帶有移車(chē)托板的升降機(jī)，向內(nèi)車(chē)庫(kù)存車(chē)時(shí)，用戶把車(chē)開(kāi)進(jìn)升降機(jī)，安全檢測(cè)通過(guò)后，用戶掃微信或刷卡，在控制面板上選擇車(chē)輛預(yù)存時(shí)間，升降機(jī)上升到預(yù)定層，內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)使目標(biāo)車(chē)位對(duì)準(zhǔn)升降機(jī)，移車(chē)托板會(huì)把車(chē)輛推入該停車(chē)位。

向外車(chē)庫(kù)存車(chē)時(shí)，用戶把車(chē)開(kāi)進(jìn)升降機(jī)，安全檢測(cè)通過(guò)后，用戶掃微信或刷卡，在控制面板上選擇車(chē)輛預(yù)存時(shí)間，升降機(jī)到達(dá)預(yù)定層，內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)使帶有移車(chē)托板的車(chē)位對(duì)準(zhǔn)升降機(jī)，這時(shí)，升降機(jī)的托車(chē)機(jī)構(gòu)把車(chē)輛推入內(nèi)車(chē)庫(kù)，內(nèi)車(chē)庫(kù)再次旋轉(zhuǎn)到外車(chē)庫(kù)的目標(biāo)車(chē)位，內(nèi)車(chē)庫(kù)的移車(chē)托板將車(chē)輛推入外車(chē)庫(kù)車(chē)位。取車(chē)時(shí)，用戶掃微信或刷卡付款，系統(tǒng)將車(chē)輛送到入口處，將車(chē)取走。存取車(chē)流程如圖3所示，系統(tǒng)利用傳感器、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備完成車(chē)輛的存取動(dòng)作。

圖1 車(chē)庫(kù)整體結(jié)構(gòu)

圖2 車(chē)庫(kù)頂視圖

2 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車(chē)庫(kù)以PLC為控制核心實(shí)現(xiàn)車(chē)位檢測(cè)、車(chē)輛存取及位置信號(hào)的讀取。本文采用信捷系列PLC為核心元件，配備步進(jìn)電機(jī)、位置開(kāi)關(guān)等裝置，實(shí)現(xiàn)車(chē)位的自動(dòng)檢測(cè)并智能化存取車(chē)輛。為了精確地控制車(chē)庫(kù)的旋轉(zhuǎn)角度，內(nèi)車(chē)庫(kù)使用帶有編碼器的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖3存取車(chē)流程

PLC首先將車(chē)位定義為內(nèi)部寄存器，如車(chē)位1～車(chē)位200對(duì)應(yīng)的寄存器地址為M3001～M3200,使用0和1表示無(wú)車(chē)和有車(chē)，寄存器具有斷電保護(hù)保存功能，在斷電的情況下能夠保存車(chē)位的信息，使得系統(tǒng)能夠在斷電后重新使用。

每個(gè)車(chē)位后方安裝一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)，每層及內(nèi)外環(huán)安裝一個(gè)檢測(cè)開(kāi)關(guān)。車(chē)位檢測(cè)開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)檢測(cè)車(chē)位置的，將開(kāi)關(guān)信號(hào)接入PLC的DI點(diǎn)，通過(guò)此信號(hào)來(lái)給PLC內(nèi)部寄存器賦值(0和1分別表示無(wú)車(chē)和有車(chē))。

存車(chē)時(shí)，PLC首先按照M3001～M3200的順序來(lái)分配車(chē)位，按照M3001無(wú)車(chē)，優(yōu)先安排停放在M3001,依此類(lèi)推M3002，…。分配好車(chē)位后，PLC控制電機(jī)將車(chē)輛運(yùn)送到該車(chē)位，運(yùn)動(dòng)控制位置信號(hào)由每層及內(nèi)外環(huán)的檢測(cè)開(kāi)關(guān)獲取。

取車(chē)時(shí)，先刷卡，讀取信息，由PLC確定車(chē)輛的位置，然后控制電機(jī)將車(chē)輛取出。

3 存車(chē)路徑的優(yōu)化

3.1 存車(chē)策略

對(duì)于同層車(chē)位，外車(chē)庫(kù)車(chē)位號(hào)是1～20，內(nèi)車(chē)庫(kù)車(chē)位號(hào)是22～28?？刂葡到y(tǒng)將車(chē)庫(kù)分為三部分，對(duì)應(yīng)車(chē)庫(kù)的一層，每個(gè)車(chē)庫(kù)設(shè)有檢測(cè)開(kāi)關(guān)，檢測(cè)開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)著車(chē)位號(hào)1，2，3，…，28。

存車(chē)策略有多種，本方案采取耗能少和就近存車(chē)的原則，即先存外車(chē)庫(kù)后存內(nèi)車(chē)庫(kù)，先低層后高層。對(duì)于外車(chē)庫(kù)存車(chē)，首先使用升降機(jī)兩側(cè)的車(chē)位，由近及遠(yuǎn)存滿1、2層外車(chē)庫(kù)后，再存3層外車(chē)庫(kù)，最后是1～3層內(nèi)車(chē)庫(kù)；外車(chē)庫(kù)存車(chē)的順序是：升降機(jī)21負(fù)責(zé)存取兩側(cè)的車(chē)位號(hào)：1，2，3，4，5，6，17，18，19，20；升降機(jī)11負(fù)責(zé)存取車(chē)位號(hào)：7，8，9，10，12，13，14，15，16。對(duì)于內(nèi)車(chē)庫(kù)，由于汽車(chē)重，為保持內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)時(shí)的平衡性和穩(wěn)定性，采用對(duì)稱(chēng)存車(chē)，存車(chē)順序是22→26，23→27，24→28，最后存25，電動(dòng)自行車(chē)較輕可以依據(jù)車(chē)位序號(hào)存取。

用戶存車(chē)時(shí)，要在存車(chē)面板上選擇預(yù)存時(shí)間，大約存多長(zhǎng)時(shí)間后取車(chē)。車(chē)庫(kù)1、2層存放預(yù)存時(shí)間小于2 h的車(chē)輛，3層存放預(yù)存時(shí)間大于2 h的車(chē)輛，這樣，低層車(chē)位利用率高，存車(chē)時(shí)間最短，減少客戶等待時(shí)間。

3.2 優(yōu)化內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)方向

內(nèi)車(chē)庫(kù)相對(duì)于目標(biāo)車(chē)位的旋轉(zhuǎn)方向影響車(chē)庫(kù)的運(yùn)行效率，這里要設(shè)置內(nèi)車(chē)庫(kù)最小旋轉(zhuǎn)角度。同層車(chē)位編號(hào)如圖2所示，車(chē)位總數(shù)為26 。假設(shè)外車(chē)庫(kù)車(chē)位數(shù)為N(N≤19)，外車(chē)庫(kù)每取1次車(chē)，內(nèi)車(chē)庫(kù)移車(chē)托板運(yùn)行2次，移車(chē)托板不工作時(shí)要轉(zhuǎn)到升降機(jī)11或者升降機(jī)21處，即外車(chē)庫(kù)取車(chē)起點(diǎn)的車(chē)位號(hào)為a(a=11或a=21)，取車(chē)終點(diǎn)車(chē)位號(hào)為b(b≤20且b≠11)，內(nèi)車(chē)庫(kù)移車(chē)托板旋轉(zhuǎn)電機(jī)路徑函數(shù)根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)編號(hào)決定旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以使旋轉(zhuǎn)角度最小。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)路徑函數(shù)f(a，b)定義為：

若b>a，且N≥2(b-a)，則f(a，b)=b-a，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若b>a，且N<2(b-a)，則f(a，b)=N-(b-a)，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若b

3.3 驗(yàn)證存取車(chē)時(shí)間

對(duì)于智能立體車(chē)庫(kù)而言，存取車(chē)時(shí)間的長(zhǎng)短直接反映了設(shè)備的利用率和效益。用戶接受服務(wù)的順序是先到先服務(wù)。

自動(dòng)存車(chē)系統(tǒng)屬于隨機(jī)離散型系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)的用戶數(shù)和用戶到達(dá)時(shí)間都是隨機(jī)變量，存車(chē)效率與車(chē)輛位置有關(guān)，存車(chē)模式有多種，本車(chē)庫(kù)運(yùn)行分為兩種模式：一種是只有一個(gè)出入口存取，另一個(gè)出入口沒(méi)有車(chē)輛存取; 另二種是兩個(gè)出入口同時(shí)存取車(chē)輛。內(nèi)車(chē)庫(kù)存車(chē)順序是固定的，存車(chē)時(shí)間也是固定，外車(chē)庫(kù)存車(chē)時(shí)間不確定，每次完成存車(chē)后移車(chē)托板會(huì)返回到升降機(jī)處待命，以供下次車(chē)輛直接存取。其中，一個(gè)出入口運(yùn)行存車(chē)耗時(shí)最短，兩個(gè)出入口同時(shí)運(yùn)行且在同一個(gè)外車(chē)庫(kù)上存取車(chē)輛耗時(shí)最長(zhǎng)。

假設(shè)停車(chē)庫(kù)升降機(jī)A和B在入口處的地址為(0，1)，初始地址是(0，c)和(0，d)，兩輛車(chē)取車(chē)地址分別為(m1，n1)、(m2，n2)。其中c、d、m為停車(chē)庫(kù)層號(hào)(c=d=m=1，2，3)，n為車(chē)位號(hào)(1，2,…，26)。在同一層內(nèi)車(chē)庫(kù)里同時(shí)取這兩輛車(chē)的位移路徑是(0，c)→(m1，n1)→(0，1)；(0，d)→(m2，n2)→(0，1)。設(shè)t1為升降機(jī)單層運(yùn)行所用時(shí)間，為常數(shù)；t2為移車(chē)托板轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)車(chē)位所用時(shí)間，為常數(shù)；t3為移車(chē)托板搬運(yùn)車(chē)輛運(yùn)行所需要的時(shí)間，為常數(shù)。外車(chē)庫(kù)存取一輛車(chē)移車(chē)托板要運(yùn)行2次，時(shí)間是2t3；內(nèi)車(chē)庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)2次，時(shí)間是2t2。則升降機(jī)A取車(chē)耗時(shí)為：

tc=(c-1)t2+2t2f(a1,b1)+2t3+(c-1)t1=

2[(c-1)t1+f(a1,b1)t2+t3].

其中：a1為針對(duì)第一輛車(chē)外車(chē)庫(kù)取車(chē)起點(diǎn)的車(chē)位號(hào)；b1為第一輛車(chē)取車(chē)終點(diǎn)車(chē)位號(hào)。

升降機(jī)B取車(chē)耗時(shí)為：

td=(d-1)t2+2t2f(a2,b2)+2t3+(d-1)t1=

2[(d-1)t1+f(a2,b2)t2+t3].

其中：a2為針對(duì)第二輛車(chē)外車(chē)庫(kù)取車(chē)起點(diǎn)的車(chē)位號(hào)；b2為第二輛車(chē)取車(chē)終點(diǎn)車(chē)位號(hào)。

總時(shí)間為：

t=tc+td=2[t1(c+d-2)+f(a1,b1)t2+

f(a2,b2)t2+2t3].

在外車(chē)庫(kù)取車(chē)時(shí)，相鄰兩車(chē)位間的角度是360°/21=17.14°，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，細(xì)分驅(qū)動(dòng)器工作在4細(xì)分狀態(tài)時(shí)，就是1.8°/4=0.45°，給38個(gè)脈沖就是0.45°×38=17.1°。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪帶動(dòng)內(nèi)車(chē)庫(kù)、升降機(jī)運(yùn)行，可以設(shè)定t1=5 s，t2=5 s，t3=12 s，兩部升降機(jī)同時(shí)運(yùn)行到第2層取2輛車(chē)，1號(hào)車(chē)的車(chē)位號(hào)是7，2號(hào)車(chē)的車(chē)位號(hào)是17，移車(chē)托板車(chē)位號(hào)11。先取1號(hào)車(chē)，有a1=11，b1=7,滿足條件：若b

tc=2[(c-1)t1+f(a1，b1)t2+t3]=2[5+20+12]=74 s.

1號(hào)車(chē)取完后，移車(chē)托板會(huì)停在11號(hào)升降機(jī)處待命，這時(shí)內(nèi)車(chē)庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)取車(chē)位號(hào)17的2號(hào)車(chē)。在程序設(shè)置中2號(hào)車(chē)由21號(hào)電梯送到出入口，那么a2=17，b2=21，滿足條件：若b>a且N≥2(b-a)，則f(a，b)=b-a，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這里f(a2，b2)=21-17=4，取車(chē)時(shí)間是：

td=2[(d-1)t1+f(a2，b2)t2+t3]=2[5+20+12]=74 s.

移車(chē)托板先由11號(hào)轉(zhuǎn)到17號(hào)再到21號(hào)車(chē)位，從11號(hào)到17號(hào)要經(jīng)過(guò)6個(gè)車(chē)位，轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間是：

t0=t2=(17-11)=30 s.

總時(shí)間為t=tc+td+t0=178 s.

上面兩個(gè)數(shù)據(jù)表明，從車(chē)庫(kù)的第二層取第一輛車(chē)要74 s，第二輛車(chē)要196 s，用戶等待的時(shí)間略長(zhǎng)，同一層取車(chē)離移車(chē)托板距離遠(yuǎn)的車(chē)位取車(chē)時(shí)間長(zhǎng)，離移車(chē)托板距離近的車(chē)位取車(chē)時(shí)間短，第一層取車(chē)時(shí)間小于74 s,第三層取車(chē)時(shí)間大于74 s,所以采取就近存車(chē)、低層存車(chē)的原則耗時(shí)最短，能顯著提高車(chē)庫(kù)的運(yùn)行效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)智能車(chē)庫(kù)外車(chē)庫(kù)固定，內(nèi)車(chē)庫(kù)旋轉(zhuǎn)存車(chē)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，耗能少，占地面積小，存車(chē)多。通過(guò)模型試驗(yàn)，表明存車(chē)運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了智能化、安全化、高效化、無(wú)人化管理，該車(chē)庫(kù)安裝在地下或地上均可，可以存取電動(dòng)自行車(chē)或汽車(chē)。