多層模塊化自動停取車系統(tǒng)設計

陳 蒙， 陳 豐， 韓幫國， 李 夢

(安徽科技學院 機械工程學院，安徽 鳳陽 233100)

當今，國內(nèi)汽車保有量較大、車位緊缺，致使路面擁堵等困擾。為解決這一問題，應聲而出了當前的半自動停車庫，在傳統(tǒng)車庫的環(huán)境基礎上，通過用鋼結構增加層數(shù)來達到倍數(shù)停車。此裝置屬起重設備，有一定安全隱患，并且機械結構極其復雜，成本高昂的同時，故障率也極高。

設計停車裝置與傳統(tǒng)地下車庫相比，具有多方面的優(yōu)越性。首先，土地利用率高，只需留出一條橫向和一條縱向的通道，減少了多條通道占用的面積，也節(jié)省了土建開發(fā)成本。其次,安全性較高，傳統(tǒng)的自然車庫坡陡路滑車輛不受控制，地勢低洼，車庫易進水車輛受淹，而多層模塊化停車裝置只需要駕駛員將車開到運車板上即可完成車的停取，簡單便捷安全可靠。且整體結構為模塊化結構，可根據(jù)場地的大小，進行模塊化搭配，適用于眾多場地，也便于建設或改造。

停取車過程簡單安全，汽車駛進指定的停車位置，駕駛員下車按下停車按鍵，此時運車板載車板、電梯廂配合運動，使車輛動到指定停車位，運車板下降將汽車放下退回原點，載車板恢復到原位，完成停車過程，取車同理。有兼于此，本項目通過Solidworks軟件對系統(tǒng)進行結構設計與運動仿真，借助STM32作為主控芯片搭建控制系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器信號的采集、電梯箱的升降、載車板的移動與循跡等動作，以期為解決停車難，車位緊張?zhí)峁皡⒖肌?/p>

1 機械結構設計

1.1 整體機械結構的組成

該停車裝置的主要部分包括：載車板，可升降運車板，升降電梯，底部軌道，電磁鐵，限位開關，視覺檢測裝置等，并加裝了多種傳感器，滿足了功能上以及安全方面的需求。圖1只用兩層作為模擬，用來檢測其運動過程的可行性。當車子駛?cè)胪＼嚥糠趾?，按下停車按鈕，此時運車板動作，帶動汽車移動，并配合載車板的平移，實現(xiàn)對指定位置的?？?；每個車位對應相應的按鍵，且每個車位加裝有重力傳感器，用來檢測車位是否占用，運車板的移動過程中以及載車板的平行移動過程中，其終點位置都加裝有限位開關，以及光電傳感器攝像頭等多種傳感器，用來實現(xiàn)點位的精準?？?，以及避免了行進過程中的觸碰。

圖1 整體機械結構圖

1.2 載車板的設計

載車板主要由相對的一對電磁掛鉤、移動滑輪等組成。電磁掛鉤即在傳統(tǒng)掛鉤的基礎上，加入了電磁鐵裝置，來達到電控掛鉤的開合的效果。平常狀態(tài)下兩載車板間的電磁掛鉤在彈簧的拉力下閉合，至使同排載車板同步移動，保證了多塊載車板的同步移動，當電磁鐵掛鉤通電時，電磁鐵裝置推動掛鉤脫離。通過控制指定載車板上的電磁掛鉤的通電狀態(tài)，實現(xiàn)了控制特定塊載車板的橫向平行移動，通過控制特定排與每排特定數(shù)目載車板的移動，來達到給汽車停取過程中預留行進通道的目的。載車板移動為滑輪滑軌移動，避免了載車板之間的縱向移動，也減少了移動過程中所需要克服的阻力(圖2)。

圖2 載車板及電磁掛鉤圖

載車板的左右平移由電機帶動同步帶運動，在其左右極限位置都加裝有彈簧柔性接觸部件，實現(xiàn)了極限位置力的緩沖，同時在極限位置加裝有限位開關，載車板運動完成狀態(tài)可控。通過電磁掛鉤，以及多排電機橫向的拉動，使得載車板規(guī)律性運動，為停取車行進預留出通道(圖3)。

圖3 載車板運動結構

1.3 運車板的設計

運車板(圖4)主要由：剪式升降結構，剪式升降電機，減速器拉桿結構，和四個麥克納姆輪組成。剪式升降結構的使用，能夠提供較大的提升力，和平穩(wěn)的升降過程。運車板的運動部分，主要采用了麥克納姆輪四輪驅(qū)動結構，可很好的實現(xiàn)小空間內(nèi)的靈活轉(zhuǎn)向驅(qū)動，滿足高精細定位和高精細的軌跡運動要求。運車板的下方都裝有傳感器，來實現(xiàn)橫向運車以及縱向運車過程中的，路線循跡和修正。運車板在整體裝置中起到連接載體的功能，停取車時通過算法控制載車板的移動來預留通道，載車板按預留規(guī)劃路線制循跡到達指定位置，停放或取走汽車。

圖4 運車板結構設計

1.4 升降系統(tǒng)的設計

升降部分主要由升降電機，帶動電梯廂上下運動，同時箱壁與整體機構為導軌滑塊連接，使電梯廂在運動過程中具有很高的安全性，同時每層之間都設有限位開關，升降層數(shù)可控。電梯廂為前左雙門結構，方便停車以及運車板橫向運動停取車，通過程序控制可配合運車板完成多層的停取車任務(圖5)。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構設計

本裝置控制系統(tǒng)選用由STM32f103作為主控芯片，加裝有電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊，以及視覺、電磁鐵、顯示等傳感器模塊，用于控制載車板、運車板、升降電梯及電磁鐵的動作，除此以外載車板加裝有重力傳感器以檢測車位使用情況，硬件結構設計原理如圖6所示。

2.2 主控模塊

此停車系統(tǒng)采用STM32f103作為主控芯片，該芯片共有144個引腳，112個雙向I/O接口，滿足該裝置控制需求。

2.3 控制過程及工作原理

用第二層一特定位置停車為例，車主駛?cè)胪＼囄恢眉措娞輲麅?nèi)，無誤后離開電梯廂，按下箱外停車按鈕，此時系統(tǒng)根據(jù)車位規(guī)劃停車位置，以及運動路線。后電梯廂內(nèi)視覺檢測車輛停放安全，和人員離開后電梯廂關閉，此時此次停車位路徑中車輛，在電磁掛鉤控制的載車板的帶動下，橫向運動預留出車輛行駛的通道。同時電梯升降電機工作，帶動電梯箱運動至第二層，電梯箱觸碰至二層限位開關后，電提箱左側(cè)箱門打開，運車板頂升電機運動頂起車輛后，運車板按規(guī)劃路線運動到達停車位置。此段運車板的運動主要是，算法控制麥克納姆輪的橫向運動和縱向循跡運動，同時視覺檢測修正運動軌跡，避免行進路線的偏移，和行進過程中汽車間的觸碰。運車板頂升電機反轉(zhuǎn)放下車輛，完成車輛的停放，此時工作完成后的運車板，按原路線返回至電梯廂內(nèi)，再回至原點即一層電梯廂內(nèi)，等待下一指令，同時路徑規(guī)劃時移動的運車板，在其橫向運動電機同步帶的帶動下復位，此時一次完整的車輛停放完成。取車時同理，層數(shù)的增加對機構的功能實現(xiàn)無影響，同時在停取車的運動中，載車板的運動在下達指令時便開始執(zhí)行，其在運車板行至欲?？寇囄豢v向移動位置時便已動作完成，在運車板駛出?？课恢弥翙M向運動通道時，載車板也同步開始運動，大大節(jié)省了停取車時間(圖7)。

圖7 模擬特定點位停車路線

3 機械及控制部分驗證

本研究繪制出了整體車架SolidWorks圖紙，以及細節(jié)圖紙，對機械結構進行了仿真測試，驗證了其結構穩(wěn)定性，運動的可能性。并制作出了其機械模型，經(jīng)過過模型實物的模擬，更進一步的驗證了機械結構的穩(wěn)定性，以及工作的可行性，并且模擬過程中，程序?qū)隨TM32單片機，模擬程序運行正常，工作過程無干擾沖突，現(xiàn)象滿足預期要求(圖8)。

圖8 停取車試驗

4 結論及展望

我國汽車數(shù)量多，停車位不足，大城市這一現(xiàn)象更加嚴重，致使急需研發(fā)和投入使用停車設備?，F(xiàn)目前設備結構及其復雜、成本高、障率高，不適合廣泛的使用及普及。而多層模塊化停車裝置因其為模塊化拼裝，根據(jù)特定大小的場地搭配特定數(shù)量的載車板，達到最優(yōu)化利用場地的目的，且為多層結構，大大的加大了土地利用率，并且機械結構簡單，安全故障率低，故障直接更換相應的模塊，維修也極為方便，使用的場合極為廣泛。因此,多層模塊化停車裝置具有效率高、占地小、停取簡單，結構簡單穩(wěn)定、安全等特點，因此此裝置具很高的使用性能，和研究意義。

本研究系統(tǒng)地介紹了此停車裝置的機械原理和控制原理，以及其工作方式方法，并且從理論試驗及模型實物操作方面，驗證了此多層模塊化停車裝置工作的可行性，以及多層工作的可行性，同時發(fā)現(xiàn)了此停車裝置的諸多優(yōu)點。就目前來看，已經(jīng)完全可以滿足城市布置及使用，但后續(xù)還會不斷地優(yōu)化此停車裝置。