基于慧魚(yú)模型方法的老舊小區(qū)立體車(chē)庫(kù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

張永銳，張忠林，王飛皓，叢 暉，張瀚文，郭 旋

（哈爾濱工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和居民生活水平的不斷提高，人們購(gòu)車(chē)的能力及意愿顯著提升，機(jī)動(dòng)車(chē)以及汽車(chē)保有量穩(wěn)步增長(zhǎng)。到2019年我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到3.48億臺(tái)，同比增長(zhǎng)6.42%；汽車(chē)保有量達(dá)到2.60億臺(tái)，同比增長(zhǎng)8.33%[1]。

圖1 2015-2020年停車(chē)位需求量

如圖1所示，隨著城市汽車(chē)保有量的不斷增加，城市小區(qū)尤其是老舊小區(qū)停車(chē)位緊缺、停車(chē)難問(wèn)題日益嚴(yán)重，現(xiàn)有老舊小區(qū)也基本都不具備建立大型地下或地上多層立體車(chē)庫(kù)的條件。機(jī)械式立體車(chē)庫(kù)可充分利用土地資源，發(fā)揮空間優(yōu)勢(shì)，最大限度地停放車(chē)輛，成為解決城市靜態(tài)交通問(wèn)題的重要途徑[1]。如今，機(jī)械式停車(chē)設(shè)備主要包括升降橫移式、垂直升降式、簡(jiǎn)易升降式、巷道堆垛式、無(wú)避讓式等類(lèi)型[1-3]，如圖2所示。

圖2 立體式停車(chē)庫(kù)類(lèi)型

本文通過(guò)對(duì)立體車(chē)庫(kù)需求的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)無(wú)避讓式停車(chē)裝置進(jìn)行了改良，提出了一種適用于老舊小區(qū)的高空旋轉(zhuǎn)式立體停車(chē)庫(kù)方案。與無(wú)避讓式停車(chē)裝置不同，將存取車(chē)裝置和停車(chē)區(qū)域分開(kāi)，通過(guò)各部分的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)組合完成車(chē)輛的存取，能夠停放更多車(chē)輛。該方案具有占地小、智能化、便停車(chē)、效率高等創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)，裝置可以安裝在小區(qū)內(nèi)或小區(qū)中的各種岔路口，基本適合于各種大小型小區(qū)，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 工作原理

1.1 整體方案設(shè)計(jì)

本裝置主要由基本框架、垂直升降裝置、立柱旋轉(zhuǎn)裝置、運(yùn)車(chē)裝置（載車(chē)板前后進(jìn)給機(jī)構(gòu)）、存車(chē)區(qū)域和控制系統(tǒng)等組成，如圖3所示。

圖3 模型整體裝配圖

1.2 工作過(guò)程

整套裝置的大體工作過(guò)程如下。

（1）存放車(chē)輛時(shí)，車(chē)輛通過(guò)引導(dǎo)車(chē)道停在載車(chē)板上方，通過(guò)垂直升降裝置把車(chē)上升到中央立柱停車(chē)區(qū)域上方一定距離；此時(shí)立柱旋轉(zhuǎn)裝置啟動(dòng)，使2個(gè)立柱同時(shí)旋轉(zhuǎn)，保證載車(chē)板的位置與空車(chē)位的位置相平行，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的對(duì)接；運(yùn)車(chē)裝置將載車(chē)板運(yùn)送到指定存車(chē)區(qū)域上方，使載車(chē)板與車(chē)位上的梳齒式結(jié)構(gòu)相互交錯(cuò)，隨著載車(chē)板的下降，車(chē)輛穩(wěn)穩(wěn)停在立柱上；最后在升降裝置和旋轉(zhuǎn)裝置配合下，載車(chē)板歸位，存車(chē)完成。

（2）取出車(chē)輛時(shí)，取車(chē)過(guò)程存車(chē)過(guò)程相反。垂直升降裝置和立柱旋轉(zhuǎn)裝置先啟動(dòng)將載車(chē)板運(yùn)送至車(chē)位下方平行位置，通過(guò)運(yùn)車(chē)裝置使載車(chē)板前進(jìn)的指定位置，隨著載車(chē)板的上升，存車(chē)區(qū)域的車(chē)輛被抬起，最后通過(guò)3種裝置配合車(chē)輛被送回車(chē)主身邊。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 載車(chē)板

載車(chē)板、載車(chē)架的設(shè)計(jì)如圖4～5所示，由于慧魚(yú)標(biāo)準(zhǔn)件無(wú)法搭載出所示的梳齒形狀，二者采用3D打印PLA材料制作。梳齒對(duì)接的間隙在對(duì)接過(guò)程中起到了對(duì)載車(chē)板的限位作用，保證存取車(chē)的順利進(jìn)行而不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉[5-9]。

圖4 載車(chē)板

圖5 載車(chē)架

2.2 垂直升降裝置

載車(chē)板的垂直升降裝置如圖6所示，主要由絲杠螺母機(jī)構(gòu)完成。利用絲杠的旋轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)螺母在固定的軌道內(nèi)升降這一特性，使固定在螺母上的載車(chē)板達(dá)到給定高度，同時(shí)，由于絲杠螺母本身具有自鎖性，載車(chē)板可以精準(zhǔn)定位高度。

圖6 垂直升降裝置

2.3 立柱旋轉(zhuǎn)裝置

立柱旋轉(zhuǎn)裝置如圖7所示，主要由同具有自鎖性的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)完成。固定在立柱上的齒輪在蝸桿的帶動(dòng)下帶動(dòng)立柱在固定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)載有停車(chē)區(qū)域的中央立柱在蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使得載車(chē)板位置與空車(chē)位位置相互平行，在升降裝置的作用下完成初步對(duì)接。

圖7 立柱旋轉(zhuǎn)裝置

圖8 運(yùn)車(chē)機(jī)構(gòu)

圖9 整體程序

2.4 運(yùn)車(chē)裝置

載車(chē)板的前后進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖8所示，主要由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成。利用滑塊只能在固定軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，定位性好的特性，不僅可實(shí)現(xiàn)載車(chē)板相對(duì)于停車(chē)區(qū)域的前后運(yùn)動(dòng)，還可以很大程度上減小慣性的影響。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)式立體停車(chē)庫(kù)的整體程序如圖9所示，實(shí)驗(yàn)裝置的存取車(chē)輛為8輛。

3.1 條形碼程序

條形碼程序如圖10所示。對(duì)于車(chē)庫(kù)系統(tǒng)的控制，實(shí)行“一碼一車(chē)”的原則，通過(guò)條形碼來(lái)識(shí)別和記錄車(chē)位信息，實(shí)現(xiàn)憑碼取車(chē)，方便快捷，安全性高，避免了取錯(cuò)車(chē)、亂取車(chē)等現(xiàn)象的發(fā)生。條形碼示例分別如圖11所示。

圖10 條形碼程序

圖11 條形碼示例

3.2 存車(chē)程序

裝置的存車(chē)程序如圖12所示，利用分居中央停車(chē)區(qū)域兩側(cè)的停車(chē)裝置可以實(shí)現(xiàn)2輛車(chē)輛同時(shí)存車(chē)。當(dāng)車(chē)主憑借條形碼存車(chē)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢驗(yàn)最近的空車(chē)位，空車(chē)位的檢測(cè)由每個(gè)車(chē)位上的觸發(fā)式開(kāi)關(guān)完成，通過(guò)載車(chē)板觸碰開(kāi)關(guān)的次數(shù)，來(lái)判斷車(chē)位是否有車(chē)輛，檢測(cè)車(chē)位的程序如圖13所示[10]。檢測(cè)完畢，該空車(chē)位的車(chē)位信息錄入到車(chē)主的條形碼中，按照載車(chē)板垂直上升、多個(gè)立柱配合旋轉(zhuǎn)、載車(chē)板對(duì)接存車(chē)的工作順序把車(chē)停在該停車(chē)位上，待車(chē)輛停好后完成復(fù)位工作。

圖12 存車(chē)程序

圖13 檢測(cè)車(chē)位是否有車(chē)輛程序

3.3 取車(chē)程序

裝置的取車(chē)程序如圖14所示，與存車(chē)過(guò)程相同，停車(chē)裝置可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)取出多個(gè)車(chē)輛。當(dāng)車(chē)主憑借該條形碼取車(chē)時(shí)，通過(guò)慧魚(yú)的顏色傳感器模擬掃碼識(shí)別出條形碼上的車(chē)位信息，計(jì)算出其與當(dāng)前車(chē)位的位置關(guān)系與距離并判斷離當(dāng)前車(chē)位最近的存取車(chē)裝置如圖15所示，通過(guò)程序控制電機(jī)脈沖計(jì)步旋轉(zhuǎn)進(jìn)行取車(chē)操作。若條形碼中無(wú)車(chē)位信息進(jìn)行取車(chē)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出警報(bào)。

3.4 錯(cuò)誤提示程序

為了保證存取車(chē)過(guò)程的準(zhǔn)確進(jìn)行，防止出現(xiàn)車(chē)主忘記插卡、存車(chē)卡重復(fù)以及取車(chē)錯(cuò)誤的現(xiàn)象，裝置相關(guān)的錯(cuò)誤提示程序如圖16～18所示。

4 車(chē)庫(kù)評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)估指標(biāo)

本裝置具有節(jié)約占地面積停放更多車(chē)輛、快捷智能存取車(chē)輛、節(jié)省能源等特點(diǎn)，其主要功能指標(biāo)如下：

（1）占地面積S≤4個(gè)車(chē)位；

（2）存放車(chē)輛N≥8個(gè)車(chē)位（在材料性能允許情況下可進(jìn)行擴(kuò)展）；

（3）單輛車(chē)存取時(shí)間t1≤2.5 min；

（4）多輛車(chē)存取時(shí)間：第一輛車(chē)存取時(shí)間不變，第二輛車(chē)t2≤1.5 min（存取過(guò)程2輛車(chē)不是單獨(dú)進(jìn)行，有大半部分獨(dú)立運(yùn)行，可相繼進(jìn)行）。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.2.1 復(fù)位

復(fù)位過(guò)程如圖19所示。

4.2.2 存車(chē)

（1）存車(chē)開(kāi)始，如圖20所示。

圖14 取車(chē)程序

圖15 取車(chē)距離判斷程序

（2）搬運(yùn)裝置與存車(chē)區(qū)域?qū)舆^(guò)程，如圖21～22所示。

（3）存車(chē)完成，如圖23所示。

圖16 存車(chē)重復(fù)提示

圖17 取車(chē)錯(cuò)誤提示

圖18 忘記插卡提示

4.2.3 取車(chē)

（1）取車(chē)開(kāi)始，如圖24所示。

（2）搬運(yùn)裝置與存車(chē)區(qū)域?qū)舆^(guò)程，如圖25所示。

（3）取車(chē)完成，如圖26所示。

圖19 裝置復(fù)位狀態(tài)

圖20 搬運(yùn)裝置上升

圖21 立柱旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)備對(duì)接

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多輛車(chē)同時(shí)存取，存取過(guò)程能夠準(zhǔn)確有序進(jìn)行，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

圖22 載車(chē)板、載車(chē)架對(duì)接存車(chē)

圖23 存車(chē)對(duì)接完成

圖24 搬運(yùn)裝置上升

圖25 載車(chē)板、載車(chē)架對(duì)接取車(chē)

圖26 取車(chē)完成交付車(chē)主

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種老舊小區(qū)車(chē)庫(kù)的設(shè)計(jì)方法，利用“慧魚(yú)”構(gòu)件種類(lèi)繁多、可反復(fù)拆卸、無(wú)限擴(kuò)充、組合靈活、利于創(chuàng)新的特點(diǎn)，提出了一種高空可旋轉(zhuǎn)式立體停車(chē)庫(kù)方案，經(jīng)過(guò)慧魚(yú)搭建和干涉，驗(yàn)證了車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)是合理的。本文進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，完成了車(chē)庫(kù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)整體車(chē)庫(kù)的功能。具有占地小、智能化、便停車(chē)、效率高等創(chuàng)新設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械式創(chuàng)新立體停車(chē)庫(kù)作為一種解決停車(chē)問(wèn)題的方案，能夠滿足大眾的需求，可為老舊小區(qū)的立體車(chē)庫(kù)設(shè)計(jì)提供參考。