王曉云,杜正寬,孫石磊,劉丹丹,邾凌志

(安徽信息工程學院 機械工程系,安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

家庭用車數(shù)量日益增加,導致現(xiàn)有的停車位已經(jīng)無法滿足日益增長的私家車與電動自行車的停車需求,車輛占道、亂停亂放現(xiàn)象隨之嚴重,對車輛的存取造成很大的不便．為提高單位車位下的停車數(shù)量,停車位向空間延展,立體車庫的概念便應運而生．常見的立體車庫根據(jù)車輛存取方式有升降橫移式、垂直升降式、巷道堆垛式和多層循環(huán)式[1]．經(jīng)過多年研究、發(fā)展和改進,立體車庫已在大型購物中心等車流密集大的場所獲得應用,然而立體車庫裝置較為復雜,建造費用高[2-4]．

目前居民區(qū)停車難主要由如下原因造成:家用汽車及電動自行車購買量增加,而車庫并未擴容,現(xiàn)有的停車位不能滿足需求;已配建的停車設施被不當占用,例如：由于駕駛員停車技術(shù)問題造成一輛汽車占用兩個車位,或在車位上堆砌雜物無法正常使用;零星地面區(qū)域規(guī)劃不善,導致配套停車位沒能最大化的使用．本文設計了一種平面模塊化自動停車系統(tǒng),使用地面停車方式降低建設成本和裝置復雜程度,通過自動引導、存取和車位的合理規(guī)劃,達到提高單位面積內(nèi)停車數(shù)量的目的,且方便車主存取車輛,同時還可以配置不同尺寸的停車位用于停放電動自行車[5-6]．

文獻[7]介紹了集機電一體化的自動化立體停車設備,但該設備僅適用于商業(yè)密集區(qū),無法適應居民區(qū)使用;文獻[8]提出了利用同步Petri網(wǎng)實現(xiàn)對前后兩排升降橫移式立體車庫控制系統(tǒng),但復雜的控制要求使得依據(jù)經(jīng)驗設計時容易出現(xiàn)邏輯混亂,會增加出錯率;文獻[9]介紹了升降橫移式車庫冗余控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以在停取車過程中系統(tǒng)發(fā)生故障時,自動切換PLC進行停取車的冗余控制,但該系統(tǒng)的缺點是規(guī)模較小,其只能實現(xiàn)2個PLC之間的冗余控制,適用范圍較局限．

本設計以占用傳統(tǒng)雙排6車位所用土地面積為例,在相同占地面積下利用本停車系統(tǒng)按照4×6的平面停車位進行配置,總共能夠停放20輛家用汽車．為了演示停車效果,文中展示了以上述車位配置方式制作的模型,模型利用STM32F103作為主控芯片,實現(xiàn)車輛的存?。?/p>

圖 1 裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of the device

1 工作原理

平面橫移式模塊化自動停車系統(tǒng)是通過橫移地面上布置的模塊化載車板從而讓出車輛進出空間以實現(xiàn)存取車輛的停車設備,主要模塊化載車板、滑輪、滑動觸頭、電磁鐵、軌道和傳動裝置等組成．一組3×5的模塊化停車系統(tǒng)由上向下(行)共布置3條軌道,裝置原理如圖1所示,每條軌道上有5個模塊化車位,鋪設5個模塊化載車板,載車板只能沿著軌道橫向移動,且與車位大小相同,軌道間可不留空隙,初始狀態(tài)下每條軌道最左邊1號位需空出一個車位,用于停車時移動首末軌道中的載車板從形成通道方便車輛進出內(nèi)部軌道中的車位,外側(cè)軌道均有進出通道,且最內(nèi)部軌道無需橫移,左邊1號位可以停放車輛,能夠增加停車的數(shù)量并增加同時取停車的進出數(shù)量．

停在1車位時該停車裝置處于初始狀態(tài),裝置最左端預先空出一列停車位,作為提供裝置橫向移動的空間．2車位和3車位分別為停車入位原理和取車駛離車位的分解示意圖,由下到上設置第一行到第三行,每行模塊編號從左到右為1到4車位．下面按照不同行存取車分別討論:

1.1 第一行停車的移動情況

當需要在第一行的第1個車位停車時,車輛可以自行行駛?cè)胛?即無需移動任何模塊．若此車位上的車輛駛離該停車位,則第二行的第1個車位和第三行的第1個車位同時向左移動一個車位,這樣第一行的第1個模塊載車板上的車輛即可駛離停車位．

當需要在第一行的第2個車位停車時,車輛可以自行行駛?cè)胛唬x開時,第一列停車位以及第二行的第2個停車位和第三行的第2個停車位的載車板則需要同時向左移動一個停車位,此時第一行的第2個停車位即可從模塊的載車板移動所空出的一條通道駛離停車區(qū)域．第一行的其他車位停車時車輛皆可自行行駛?cè)胛?而駛離第n個車位中的車則需要第二行和第三行的前n個停車位中的載車板同時向左移動一個停車位,以便空出第n列形成通道．

1.2 第一列停車的移動情況

當停入第二行的第1個停車位時,該停車位載車板向左移動一個車位,此時車輛就可從最左方預留空車位列行駛到停車位,停車完畢裝置還原為原來的狀態(tài)．

當停入第三行的第1個停車位時,該停車位載車板移動情況與第二行情況相同,即向左移動一個車位,車輛從最左方預留列駛?cè)胪＼囄?當取出車輛時,車輛只需直接從上方駛離停車位即可無需移動任何模塊．

1.3 中間模塊停車入位情況

中間模塊的車位需要停車時,此處以第二行的第3個車位為例,第一行的第1至第3車位首先需要同時向左移動一個車位,如圖2所示,車輛從載車板移動所讓出的空位列駛?cè)朐撏＼囄簧希斳囕v停車入位后,裝置還原至最初的狀態(tài),如圖3所示．若需要取走該車輛,則第三行的第1至第3的三個車位同時向左移動一個車位,空出第3個車位的通道,車輛可無障礙地駛離停車區(qū)．其余中間車位停車均照此方式類推．

以上為該停車裝置按照3×5的車位配置舉例車輛停取的工作原理,軌道數(shù)目和每條軌道上模塊載車板數(shù)量均可以按照占地面積不同配置,停車原理以上述原理進行類推即可．該停車裝置配置軌道數(shù)量和車位數(shù)量越多,其取停車占用公共路面面積越少,單位車位占用地面面積越少,地面停車的利用率越高．停車和取車可由首行和末行兩個方向進入,停車效率較高,裝置結(jié)構(gòu)簡單,且停取車過程全部為平面移動,較為安全可靠．

圖 2 停車入位示意圖Fig.2 Parking location diagram

圖 3 取車出庫示意圖Fig.3 Diagram of picking up

2 系統(tǒng)設計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設計

平面橫移式模塊化自動停車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主體由載車板、軌道、傳動機構(gòu)等組成．為了方便車輛進出停車位,載車板可略高出地面或與地面平齊,且每個載車板模塊中還配備了光電傳感器,用于檢測車位停車狀態(tài)．模塊化載車板只能在軌道上做橫向移動,軌道以及滑輪、滑動觸頭等傳動裝置嵌入地面以下,載車板與軌道配合結(jié)構(gòu)示意如圖4所示．本文對比實際停車位大小,按照該裝置工作原理,以1∶25的比例制作該停車系統(tǒng)的模型[10]．

圖 4 模塊化載車板及軌道結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Modular board and track structure diagram

模塊化載車板整體包括承載車輛的鋼板體以及下方安裝的電磁鐵和滑輪,其動力由電動機提供．載車板需要移動時,電機通過傳動齒輪帶動嵌入地面的齒條橫向移動,載車板下方的電磁鐵上電,插入下方齒條的孔中,如圖5所示;齒條運動即可帶動上方的停車裝置做平行移動．

停車時,載車板下方的伸縮板會自動下移,車輛通過伸縮板移動到停車板上,此刻壓力傳感器會感受到來自轎車的壓力,發(fā)送待移動信號．轎車固定好位置后,停車板開始移動,裝置通過底部載車板的移動來帶動停車板的運動,底部載車板與停車裝置的軌道沒有直接相連,而是在其中間放置移動滾珠,通過電機轉(zhuǎn)動帶動載車板的移動[11]．載車板移動的距離是固定的,以一個載車板的寬度為單位,每次移動一個單位;載車板沿著軌道移動時,移動車輪下方的伸縮塊會下滑,與載車板上的固定板相扣,使得載車板移動時便可帶動移動車輪及載車板一起沿著軌道移動．當載車板移動到下一列的空位時,此時便空出一列車位,車主即可駕駛車輛停車到下一列載車板上[12-14]．

2.2 控制系統(tǒng)設計

近年來,以嵌入式系統(tǒng)為核心的控制系統(tǒng)得到大力推廣與發(fā)展,尤其是在工業(yè)中因其低價、穩(wěn)定、接口類型豐富等特點得到廣泛應用．控制系統(tǒng)用于控制上述3×5模塊載車板的合理移動,以便于規(guī)劃出一條通道方便車輛進出車庫[15-16]．

2.3 系統(tǒng)硬件設計

本裝置控制系統(tǒng)選用由STM32F103作為主控芯片,如圖6所示,由主控模塊、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊、電磁鐵模塊、顯示模塊及傳感器模塊組成,用于控制3組電機和15組電磁鐵的動作．硬件結(jié)構(gòu)設計原理,其對應管腳如表1所示[17-20]．

圖 5 齒條與電磁鐵配合示意圖 圖 6 控制系統(tǒng)原理圖 Fig.5 Schematic diagram of the matching Fig.6 Schematic diagram of the control system between rack and electromagnet

2.3.1 主控模塊 平面橫移式模塊化自動停車系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片,該芯片共有144個引腳,112個雙向I/O接口,完全滿足該裝置控制需求．主控模塊主要控制3組電機帶動齒條正反向移動載車板．電磁鐵的吸合由繼電器驅(qū)動,主控芯片通過人機交互模塊中的按鍵控制電磁鐵動作．主控模塊能夠記憶車輛存取指令,對任一車位停車情況均在主控模塊中配置相應寄存器以便車位停車情況,車位停入車該模塊Flag置1,取車后置0．

表 1 管腳功能列表

2.3.2 人機交互模塊和顯示模塊 人機交互模塊為控制按鍵和數(shù)字字母面板,控制按鍵包括啟動、停止、重啟、急停和存車、取車確認按鍵,數(shù)字字母面板用于選擇停車位．重啟按鍵用于系統(tǒng)復位操作,按下后恢復到最初無任何停車的初始狀態(tài)下;急停按鍵按下后切斷電源對控制系統(tǒng)的供電;存取車確認按鍵用于在數(shù)字字母面板選定車位后裝置實施相應存取車動作,如該車位無法停車或無車可取則系統(tǒng)發(fā)出警告[21]．顯示模塊使用液晶屏顯示每個車位的使用情況,以及對錯誤操作進行警告．

圖 7 停取車流程Fig.7 Parking and pickup flow

2.3.3 傳感器模塊 使用紅外光電傳感器配置于每個車位端部,用于檢測載車板中車輛的長度、是否停車到位,以及載車板的回位情況．若檢測到車輛長度過長、停車歪斜,或載車板沒有正確回位等異常情況,系統(tǒng)則立即發(fā)出警報并停止當且動作,等待人工排除故障．

2.4 系統(tǒng)軟件設計

圖7為停取車時系統(tǒng)主程序流程圖．停車時,程序首先要求車主選擇一個目標車位,此時系統(tǒng)會自動判斷是存車或取車．若檢測不到正確輸入系統(tǒng),則發(fā)出報警信號,并等待車主重新輸入．若已完成目標車位的選擇,系統(tǒng)判斷對應動作后,控制器將在控制程序中啟動對應的控制程序塊,對進入或駛出目標車庫的運動方向上的模塊進行移動調(diào)整,即控制電機輸出動力與車位間的連接,對相關(guān)車位進行橫向移動,保證進入或駛出目標車位的過道暢通．

系統(tǒng)所有動作控制程序函數(shù)均獨立封裝,安全可靠,能夠一鍵解決各種停車或取車的問題,并有安全檢測功能以提升確保系統(tǒng)的安全性,另外系統(tǒng)預留了大量I/O接口,可擴展性極強,能夠進行二次開發(fā)增加或擴展所需功能．

3 結(jié)束語

本文設計了一種停車規(guī)?？啥ㄖ苹{(diào)節(jié),可在平面上橫移的模塊化自動停車系統(tǒng),設計并制造以4×5為例配置下的模型．系統(tǒng)以STM32F103ZET6為主控芯片,控制四條軌道20個車位的自動停取車．按照傳統(tǒng)地面停車方式,以4×5車位所占用地劃分車位可停10輛車.而利用本例中的停車裝置則可停車17輛,其地面利用率為普通停車場地面利用率的1.7倍,且車位配置規(guī)模越大其地面利用率越高．相對于立體循環(huán)式車庫的復雜性和高成本,本設計制造成本低,停車效率和地面利用率較高,能有效解決城市中停車困難的現(xiàn)象,其工作原理對其他車庫的控制策略有一定的參考意義．該裝置具有以下特點:

(1) 機械結(jié)構(gòu)精簡,硬件成本低廉;

(2) 可根據(jù)實際需要配置停車規(guī)模,也可用于小型電動自行車的車輛存放和管理;

(3) 系統(tǒng)具備異常情況報警、急停、車位監(jiān)測、空余車位顯示等功能,可防止車輛間發(fā)生碰撞,安全性高;

(4) 停車取車效率高,且操作簡便,方便車主一鍵存?。?/p>