基于激光傳感器的立體車庫(kù)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐有軍

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，江蘇 南京 211188）

0 引 言

傳統(tǒng)立體車庫(kù)智能系統(tǒng)通常采用射頻識(shí)別和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫(kù)的調(diào)度和管理[1]。但是，隨著車庫(kù)中車輛的不斷增加，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)調(diào)度和管理數(shù)據(jù)混亂的問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的智能化管理水平。針對(duì)這一問題，本文結(jié)合一種新興的激光全息掃描技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種全新的立體車庫(kù)智能系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器

1.1.1 光電開關(guān)

車輛存在與否、車輛正確到位與否以及安全保護(hù)檢測(cè)，都使用了光電開關(guān)。本文選用直流三線NPN常開型光電開關(guān)。他的實(shí)物與接線原理如圖1所示。

圖1 光電開關(guān)實(shí)物圖及其接線原理

將型號(hào)為E3F-DS100C4的紅外漫反射式光電開關(guān)安裝在每臺(tái)車面板的任意一側(cè)，用于檢測(cè)1 m范圍內(nèi)的不透明物體和5 m范圍內(nèi)是否有車輛停放。將型號(hào)為E3F-5DN1-5L的對(duì)射式紅外光電對(duì)管安裝在每臺(tái)車面板的四個(gè)角，用于檢測(cè)5 m范圍內(nèi)的不透明物體，輔助提示車輛是否正常停放。將對(duì)射式紅外光電開關(guān)安裝在車庫(kù)立柱的兩側(cè)，用于檢測(cè)10 m范圍內(nèi)的不透明物體和是否有人或物誤入停車區(qū)域，以防止車輛移動(dòng)時(shí)對(duì)人、侵入物以及車庫(kù)本身造成傷害。

1.1.2 基于激光全息掃描的傳感器選擇

采用激光全息掃描技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫(kù)長(zhǎng)、寬、高尺寸參數(shù)的測(cè)量。本文采用CNS-LC3660型號(hào)激光全息掃描傳感器，檢測(cè)范圍最大可達(dá)4.5 m，整體掃描范圍為280°，角度分辨率為0.55°。在對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，它的響應(yīng)時(shí)間約為45 ms。它具有128個(gè)選擇通道，且每個(gè)通道內(nèi)包含4個(gè)區(qū)域防護(hù)，可通過開關(guān)量輸出保護(hù)區(qū)的開關(guān)量信息、傳感器的Error開關(guān)量信號(hào)以及Can BUS輸出開關(guān)量障礙物數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他各個(gè)硬件之間的互聯(lián)和互通，從而為系統(tǒng)提供更加完備的軟件功能配置。功能可替代傳統(tǒng)PBS—04JS和UST—04/15。在非人為干擾狀態(tài)下，該型號(hào)傳感器最長(zhǎng)使用時(shí)間可達(dá)3年以上[2]。圖2為全息激光頭結(jié)構(gòu)圖。

圖2 全息激光頭結(jié)構(gòu)示意圖

CNS-LC3660型號(hào)激光全息掃描傳感器的日常工作電壓為DC 12～32 V，總功耗約為3 W，光源為激光，波長(zhǎng)最長(zhǎng)可達(dá)900 nm以上，光源等級(jí)為1。圖3為傳感器工作原理圖。

圖3 傳感器工作原理示意圖

1.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包括激光傳感器電路、超限檢測(cè)電路、停車到位檢測(cè)電路以及電源電路等。后兩種電路可沿用傳統(tǒng)立體車庫(kù)智能系統(tǒng)中的電路，因此下面將重點(diǎn)對(duì)結(jié)合激光全息掃描的傳感器電路和超限檢測(cè)電路進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明。

激光全息掃描傳感器電路主要包括發(fā)送激光端和接收激光端。系統(tǒng)中的激光傳感器均成對(duì)出現(xiàn)，因此在激光信號(hào)的發(fā)送端應(yīng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的激光發(fā)射，并利用對(duì)準(zhǔn)設(shè)備調(diào)整激光，使其發(fā)射的激光光束能夠直接照射到相應(yīng)的接收端。在接收激光端，通過光電接收裝置處理接收到的激光信號(hào)，從而得到開關(guān)量信號(hào)并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。激光傳感器電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 激光傳感器電路設(shè)計(jì)圖

圖2中的調(diào)制管結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)集成電路，其中包含鎖相環(huán)電路和自動(dòng)增益控制等多種不同類型的集成電路。通過調(diào)制管發(fā)出事先特定的頻率震蕩波，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光管的發(fā)光控制。

系統(tǒng)中停車到位檢測(cè)和車輛數(shù)量超限制檢測(cè)的電路設(shè)計(jì)，采用用于光電測(cè)試的電路設(shè)計(jì)方法。當(dāng)有車輛進(jìn)入立體車庫(kù)時(shí)，通過單片機(jī)控制激光全息掃描傳感器開始工作。當(dāng)單片機(jī)為低電平時(shí)，表示車庫(kù)內(nèi)的車輛超過限度，單片機(jī)立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并亮起超出限度的指示燈，同時(shí)提醒車主車輛超限，無(wú)法進(jìn)行停車[3]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 立體車庫(kù)車位信息采集與處理

立體車庫(kù)中車位的信息主要包括車盤是否水平或垂直、車位是否停放車輛以及車位附屬激光傳感器信息等。這幾種信息均為數(shù)字信號(hào)，因此在采集車位信息時(shí)只涉及對(duì)數(shù)字信號(hào)的采集。系統(tǒng)涉及的數(shù)字信號(hào)輸入電路為6路，數(shù)字信號(hào)的輸入端為低電平觸發(fā)端，另一端掛高電位為48 V。當(dāng)相應(yīng)的車位信息數(shù)字信號(hào)輸入回路導(dǎo)通時(shí)，發(fā)光二極管開始發(fā)光，并表示在該回路上存在數(shù)字信號(hào)傳輸。利用光耦對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)和內(nèi)部電路進(jìn)行電光隔離，可防止在信號(hào)傳輸過程中受到外界的干擾。同時(shí)，可將光耦作為選通線，利用線選方式不斷擴(kuò)展輸入的點(diǎn)數(shù)，從而滿足日后系統(tǒng)的升級(jí)和更新需要。

2.2 PLC控制

系統(tǒng)中的PLC控制主要分為管理層和測(cè)控層。管理層主要負(fù)責(zé)立體車庫(kù)的日常計(jì)費(fèi)和打印單據(jù)等工作，還包括對(duì)測(cè)控層的實(shí)時(shí)通信管理。測(cè)控層主要負(fù)責(zé)對(duì)立體車庫(kù)內(nèi)車輛取車控制、位置檢測(cè)以及安全檢測(cè)等操作。由于各個(gè)功能的需要，測(cè)控層應(yīng)當(dāng)具備一定的工作可靠性和更加快速的響應(yīng)時(shí)間。本文采用PLC控制，通過執(zhí)行相應(yīng)的程序來(lái)控制立體車庫(kù)內(nèi)的各個(gè)控制環(huán)節(jié)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為進(jìn)一步測(cè)試提出的基于激光全息掃描的立體車庫(kù)智能系統(tǒng)的應(yīng)用性能，充分調(diào)試系統(tǒng)，利用DSP++仿真實(shí)驗(yàn)軟件，構(gòu)建本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的仿真模型和運(yùn)行環(huán)境。在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中搭建一個(gè)規(guī)格為300 m×500 m×40 m的三維立體車庫(kù)模型，設(shè)置車庫(kù)的激光傳感信息采集的中心頻率為15 kHz，車輛信息規(guī)模數(shù)量為2 000，將采集的激光全息掃描信息載入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。具體地，分別在本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)中模擬10輛、50輛、80輛、100輛以及150輛車輛的進(jìn)出庫(kù)，比較兩組系統(tǒng)的時(shí)間開銷。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。出庫(kù)時(shí)間開銷，且車庫(kù)調(diào)度的均衡性更高?？梢?，提出的基于激光全息掃描的立體車庫(kù)智能系統(tǒng)可以大大縮短車輛進(jìn)出庫(kù)的時(shí)間開銷，并提高了立體車庫(kù)的利用效率，具有更高的應(yīng)用性能。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比表

4 結(jié) 論

結(jié)合當(dāng)前建筑布局規(guī)劃和立體車庫(kù)停車特點(diǎn)，提出一種基于激光全息掃描的立體車庫(kù)智能系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)立體車庫(kù)車輛入庫(kù)、出庫(kù)檢測(cè)及引導(dǎo)智能控制。本文研究立體車庫(kù)的定位及引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。今后還將深入研究如何優(yōu)化行車路線和如何做好立體車庫(kù)的運(yùn)行管理。