一種前移旋轉(zhuǎn)升降橫移式立體車庫及其控制方法研究

鄧明斌 陳海初

摘 要：傳統(tǒng)的車庫需要保留下層空車位空間用于上層車位的橫移取車，從而造成了車位的浪費(fèi)。鑒于此，設(shè)計(jì)了一種前移旋轉(zhuǎn)升降橫移式立體車庫，并給出了其控制方法。該立體車庫的設(shè)計(jì)是基于傳統(tǒng)的3變5、4變7等雙層升降橫移式機(jī)械車庫，設(shè)計(jì)的核心是改進(jìn)一種前移、旋轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)，將傳統(tǒng)升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備用于挪車的不可泊車車位變成一個(gè)可用泊車車位，采用歐姆龍PLC為控制中心，光電傳感器和行程開關(guān)作為檢測裝置，從而實(shí)現(xiàn)雙層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備泊車位利用的最大化。

關(guān)鍵詞：升降橫移式立體車庫；PLC；光電傳感器；行程開關(guān)

中圖分類號(hào)：TP23；TP29? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）16-0054-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.014

0? ? 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今汽車保有量不斷增加，平面停車場已經(jīng)不能滿足人們?nèi)找嫫惹械耐＼囆枨螅邢薜某鞘型恋刭Y源和早期因考慮不周導(dǎo)致建筑停車位不足等矛盾使城市停車難問題日益凸顯。由此而誕生的機(jī)械式多層停車設(shè)備是一種低成本的停車難問題的解決方案，形成了立體停車新模式[1-2]。目前，國內(nèi)外常見的立體車庫有垂直升降式、簡易升降式、升降橫移式、垂直循環(huán)式、水平循環(huán)式、多層循環(huán)式、平面移動(dòng)式、巷道堆垛式等八種，本文設(shè)計(jì)的立體車庫是基于升降橫移式立體車庫。

升降橫移式雙層、多層立體停車設(shè)備是眾多機(jī)械式停車設(shè)備中常見的一種。傳統(tǒng)的3變5、4變7、5變9等雙層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備[3-4]，由于需要保留一個(gè)下層空車位空間用于上層車位的橫移取車，從而造成了車位空間的浪費(fèi)，增加了車位的均價(jià)成本，因此亟需得到改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)全部車位空間的有效利用。

基于以上缺陷，本文在傳統(tǒng)雙層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)一種前移、旋轉(zhuǎn)、升降機(jī)構(gòu)，使傳統(tǒng)升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備用于挪車的不可泊車車位變成了一個(gè)可用泊車車位，從而實(shí)現(xiàn)了雙層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備泊位利用的最大化。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)雙層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備可用泊車位的增加，也可以實(shí)現(xiàn)3～6層升降橫移式機(jī)械立體停車設(shè)備可用泊車位的增加。

1? ? 立體車庫系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1? ? 系統(tǒng)各部分組成及功能

本立體車庫在傳統(tǒng)的圖1所示3變5車位設(shè)備右下空間位置設(shè)計(jì)安裝可前移、旋轉(zhuǎn)、升降的停車機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)第6停車位。第6停車位主要由以下部分組成：停車臺(tái)板、掛架、行走箱體（箱體內(nèi)包含行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組件及行走輪、旋轉(zhuǎn)電機(jī)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)組件等）、旋轉(zhuǎn)立柱、上支撐滾輪、上支撐導(dǎo)槽（安裝有機(jī)械限位擋塊及行程開關(guān)）、提升電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組件、下支撐導(dǎo)軌（安裝有機(jī)械限位擋塊及行程開關(guān)），以及各種標(biāo)準(zhǔn)件、安全鎖緊機(jī)構(gòu)、位置傳感器等[5]。

提升電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組件整體安裝在旋轉(zhuǎn)立柱上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸通過雙排或者三排鏈條與掛架連接，當(dāng)提升電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)停車臺(tái)板的升降控制[6-7]；下支撐導(dǎo)軌一方面通過行走輪組對(duì)行走箱體、旋轉(zhuǎn)立柱、停車臺(tái)板等第6車位停車設(shè)備整體起到支撐作用，另一方面確保了行走箱體沿支撐導(dǎo)軌的路徑前后移動(dòng)移車，掛架安裝在旋轉(zhuǎn)立柱上，并通過多個(gè)支撐滾輪與旋轉(zhuǎn)立柱形成移動(dòng)副，可以沿旋轉(zhuǎn)立柱上下升降移動(dòng)，此外，旋轉(zhuǎn)立柱頂部還安裝有機(jī)械掛鉤安全鎖緊機(jī)構(gòu)，用于在掛架帶動(dòng)停車臺(tái)板上升后，實(shí)現(xiàn)對(duì)掛架的機(jī)械鎖定，確保設(shè)備安全。

所有的停車臺(tái)板上均設(shè)計(jì)安裝有壓力傳感器，用于自動(dòng)檢測車位停車臺(tái)板上是否停有車輛。

1.2? ? 嵌入式前移旋轉(zhuǎn)升降橫移工作原理

1.2.1? ? 情形一

當(dāng)停車數(shù)量在5車及5車以下時(shí)，PLC控制系統(tǒng)會(huì)始終將第6停車位保持初始狀態(tài)，其車位存取方式按5車位的存取模式運(yùn)行。首先在設(shè)備管理控制面板上輸入存車車位號(hào)（也可采用遙控操作），如4號(hào)車位，然后將車輛開進(jìn)第4停車位的停車臺(tái)板上停好，再按設(shè)備管理控制面板上的“確認(rèn)”鍵即可完成停車；當(dāng)再有人來存車時(shí)（2號(hào)車位空閑），PLC控制系統(tǒng)將5號(hào)車位停車臺(tái)板（帶著臺(tái)板上所停的車輛）向6號(hào)車位橫移，橫移到行程開關(guān)限定位置后，2號(hào)車位的升降電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放提升鏈條，使2號(hào)車位的停車臺(tái)板降落到5號(hào)車位，再將車輛開到停車臺(tái)板上，然后按下設(shè)備管理控制面板上的“確認(rèn)”鍵，2號(hào)車位的升降電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鏈條提升2號(hào)停車臺(tái)板上升到程序設(shè)定位置后停止運(yùn)動(dòng)，完成升降橫移停車作業(yè)。

1.2.2? ? 情形二

1～5號(hào)停車位已經(jīng)停滿車輛，需要在6號(hào)停車位上停車時(shí)，PLC控制系統(tǒng)控制6號(hào)停車位的停車臺(tái)板下降到程序設(shè)定位置（圖2），然后將待停車輛開到6號(hào)停車臺(tái)板上，再按設(shè)備管理控制面板上的“確認(rèn)”鍵，設(shè)備控制系統(tǒng)將首先驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)立柱帶動(dòng)6號(hào)停車臺(tái)板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，然后行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)6號(hào)停車位設(shè)備整體向后移動(dòng)到程序設(shè)定位置，縮進(jìn)到整個(gè)設(shè)備的停車位內(nèi)，完成停車，從而實(shí)現(xiàn)3變6車位的全部利用，使車位利用率達(dá)到100%。

1.2.3? ? 情形三

該情形為超級(jí)模式，設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)設(shè)定在每晚22：30以后為該模式可運(yùn)行時(shí)間段，首先需要確保6個(gè)車位停滿車輛（非該時(shí)間段或車位沒有停滿時(shí)，即使輸入超級(jí)密碼也無法運(yùn)行），其次必須由設(shè)備運(yùn)營管理員輸入超級(jí)密碼（或刷超級(jí)停車模式授權(quán)卡）才可以運(yùn)行操作（圖3）。管理員輸入超級(jí)密碼后，可以通過手動(dòng)按鍵將6號(hào)車位的行走箱體及停車臺(tái)板移出設(shè)備的停車位，然后旋轉(zhuǎn)90°，接著控制設(shè)備的提升電機(jī)將6號(hào)停車臺(tái)板及臺(tái)板上所停車輛提升到圖中位置，然后將晚歸車主的車輛停入到6號(hào)車位中，從而實(shí)現(xiàn)了特殊時(shí)段的3變7停車位，大大提升了設(shè)備的車位使用率。

2? ? 立體車庫的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式前移旋轉(zhuǎn)升降橫移式立體車庫的控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，存取車控制系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

控制系統(tǒng)主要包括限位開關(guān)、光電開關(guān)傳感器、上位機(jī)、旋轉(zhuǎn)升降橫移電機(jī)、PLC模塊，客戶通過上位機(jī)給PLC發(fā)送信息，輸入想要存車或取車的指令。同時(shí)，系統(tǒng)具有急停按鈕，遇到緊急情況可直接斷開設(shè)備主電源。

限位開關(guān)分為上限、上極限、下限、下極限，當(dāng)車位到達(dá)指定位置后觸發(fā)限位開關(guān)，PLC接收信號(hào)后給出停止命令。光電傳感器安裝于車前和車后兩側(cè)，防止有人誤入和車輛超后。微動(dòng)開關(guān)負(fù)責(zé)檢測上升車位鏈條的松緊，檢測上層車板掉落的裝置是否打開[8]。繼電器用于PLC控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行，同時(shí)若車庫出現(xiàn)故障或者有人誤入的情況，可以緊急停止車庫運(yùn)行。PLC接口分配如表1所示。

2.2? ? 車庫液晶操作器設(shè)計(jì)

車庫液晶操作系統(tǒng)是為立體車庫所設(shè)計(jì)的操作器，通過人性化的人機(jī)界面、簡單易操作的系統(tǒng)，使得用戶可以很方便地使用立體車庫進(jìn)行存車和取車。

車庫液晶操作器采用STM32為主控芯片、LCD12864液晶顯示屏、RS232通信模塊、4×4矩陣鍵盤模塊，同時(shí)還有急停按鈕與手自動(dòng)模式旋轉(zhuǎn)按鈕。

上位機(jī)（車庫液晶操作器）與PLC間采用串行通信，即通過PLC上的串行口（RS232口）進(jìn)行通信。PLC的串行口支持的通信方式有很多種，本文使用的上位機(jī)連接系統(tǒng)為HostLink系統(tǒng)，HostLink系統(tǒng)是對(duì)于FA系統(tǒng)一種既優(yōu)化又經(jīng)濟(jì)的通信方式[9]，允許一臺(tái)上位機(jī)通過上位機(jī)連接命令向HostLink系統(tǒng)的PLC發(fā)送命令，PLC處理來自上位機(jī)的每條指令，并把結(jié)果傳回上位機(jī)，所有通信也會(huì)做奇偶校驗(yàn)和幀校驗(yàn)，從而估計(jì)出通信中的錯(cuò)誤。上位機(jī)連接命令格式如圖6所示。

上位機(jī)的連接參數(shù)設(shè)置：波特率為9 600 B/s，數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位均為默認(rèn)值（缺省值）。在主控STM32芯片中新建變量，與PLC中相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)存DM區(qū)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、下位機(jī)間的通信[10]。液晶屏采用LCD12864模塊，直接使用其自帶字庫來顯示中文，不需要自己編碼，發(fā)送數(shù)據(jù)使用8位并行模式。信息的輸入采用4×4矩陣鍵盤模塊，和單片機(jī)的GPIO口連接后，編寫相應(yīng)的按鍵掃描函數(shù)即可輸入要存取的車位號(hào)。其上位機(jī)設(shè)計(jì)如圖7所示。

3? ? 系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)與分析

3.1? ? 車庫調(diào)試試驗(yàn)

將車位設(shè)備各部分安裝完成并輸入寫好的程序后，對(duì)立體車庫在三種存取車情形下進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在所有情形下，立體車庫都可以準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠地對(duì)車位進(jìn)行存取操作。上層車位的升降時(shí)間為23 s，下層車位的橫移時(shí)間為12 s，第6停車位的旋轉(zhuǎn)時(shí)間為16 s，升降時(shí)間為20 s。

經(jīng)過多組試驗(yàn)包括空載運(yùn)行、負(fù)載運(yùn)行，系統(tǒng)均保持無故障運(yùn)行。測試其安全裝置，包括人車誤入、車輛超后、運(yùn)行警示等，都可以及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警。

3.2? ? 系統(tǒng)分析

（1）結(jié)構(gòu)簡單，基于傳統(tǒng)升降式停車設(shè)備進(jìn)行改造，改造方便且成本低。

（2）結(jié)合升降橫移與旋轉(zhuǎn)無避讓兩種立體車庫的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了3變6、4變8等車位，相比傳統(tǒng)的3變5、4變7升降橫移式立體車庫，增加了一個(gè)車位，提升了設(shè)備空間的利用率，節(jié)約了土地資源，降低了設(shè)備的均價(jià)成本，提高了設(shè)備的整體售價(jià)。

（3）超級(jí)模式使本設(shè)計(jì)在特定時(shí)間段可以停放更多的車。

4? ? 結(jié)論

立體車庫目前是解決停車難問題的首要方法，是現(xiàn)代城市停車庫的發(fā)展方向。本文以最大化利用傳統(tǒng)升降橫移式車庫空車位為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種嵌入式前移旋轉(zhuǎn)升降橫移式立體車庫，該立體車庫可以自動(dòng)、可靠完成車輛存取，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定簡單、設(shè)計(jì)巧妙、維護(hù)便捷，提高了車位的利用率，因而具有重要的理論意義和使用價(jià)值。

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收稿日期：2023-04-27

作者簡介：鄧明斌（1995—），男，廣東韶關(guān)人，研究方向：移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)。