趙興仁，吳義維，張 強(qiáng)，張奧翔，高成輝

(1.中國石油大學(xué) 石油工訓(xùn)中心，山東 青島 266400 ；2.中國石油大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東 青島 266400)

0 引言

隨著私家車和電動車數(shù)量的增長，“停車難、停車貴”已經(jīng)成為一個普遍問題，特別是一些老舊居民小區(qū)和商業(yè)區(qū)，停車位少，造成有車不敢開、不能開、沒處停放的尷尬局面，電動車和機(jī)動車相互搶占車位，非法停放、占用消防通道現(xiàn)象日益嚴(yán)重。針對傳統(tǒng)車庫車位少、費用高、空間利用率低等弊端，建設(shè)立體車庫是城市發(fā)展的必然趨勢。旋轉(zhuǎn)智能車庫系統(tǒng)采用 PLC作為控制核心，保證了系統(tǒng)運行的可靠性；以觸摸屏作為控制界面，實現(xiàn)了立體車庫存取過程控制及管理的智能化[1-2]。

1 車庫設(shè)計

立體旋轉(zhuǎn)式車庫種類較多，本設(shè)計采用外車庫固定、內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)的存車模式，它比內(nèi)外車庫都旋轉(zhuǎn)的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)，耗能少。旋轉(zhuǎn)式智能停車庫由升降機(jī)、移車托板、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、外車庫、內(nèi)車庫組成，如圖1、圖2所示。車庫設(shè)計成內(nèi)外雙層圓環(huán)結(jié)構(gòu)，共3層，外車庫有21個車位，內(nèi)車庫有8個車位，其中升降機(jī)占有2個車位，移車托板占內(nèi)車庫1個車位，每層共有26個車位，整個停車庫共有78個車位。升降機(jī)構(gòu)的作用是將車輛準(zhǔn)確地送到指定層；移車托板將車輛從停車位取出或存入目標(biāo)車位；每層的內(nèi)車庫可以單獨旋轉(zhuǎn)，其中一個車位裝有移車托板。內(nèi)車庫中心裝有步進(jìn)電機(jī)和齒輪，它控制內(nèi)車庫的轉(zhuǎn)動角度，使車位對準(zhǔn)升降機(jī)或者對準(zhǔn)外車庫目標(biāo)車位。

在外車庫有兩個帶有移車托板的升降機(jī)，向內(nèi)車庫存車時，用戶把車開進(jìn)升降機(jī)，安全檢測通過后，用戶掃微信或刷卡，在控制面板上選擇車輛預(yù)存時間，升降機(jī)上升到預(yù)定層，內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)使目標(biāo)車位對準(zhǔn)升降機(jī)，移車托板會把車輛推入該停車位。

向外車庫存車時，用戶把車開進(jìn)升降機(jī)，安全檢測通過后，用戶掃微信或刷卡，在控制面板上選擇車輛預(yù)存時間，升降機(jī)到達(dá)預(yù)定層，內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)使帶有移車托板的車位對準(zhǔn)升降機(jī)，這時，升降機(jī)的托車機(jī)構(gòu)把車輛推入內(nèi)車庫，內(nèi)車庫再次旋轉(zhuǎn)到外車庫的目標(biāo)車位，內(nèi)車庫的移車托板將車輛推入外車庫車位。取車時，用戶掃微信或刷卡付款，系統(tǒng)將車輛送到入口處，將車取走。存取車流程如圖3所示，系統(tǒng)利用傳感器、步進(jìn)電機(jī)等設(shè)備完成車輛的存取動作。

圖1 車庫整體結(jié)構(gòu)

圖2 車庫頂視圖

2 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計

車庫以PLC為控制核心實現(xiàn)車位檢測、車輛存取及位置信號的讀取。本文采用信捷系列PLC為核心元件，配備步進(jìn)電機(jī)、位置開關(guān)等裝置，實現(xiàn)車位的自動檢測并智能化存取車輛。為了精確地控制車庫的旋轉(zhuǎn)角度，內(nèi)車庫使用帶有編碼器的閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。

圖3存取車流程

PLC首先將車位定義為內(nèi)部寄存器，如車位1～車位200對應(yīng)的寄存器地址為M3001～M3200,使用0和1表示無車和有車，寄存器具有斷電保護(hù)保存功能，在斷電的情況下能夠保存車位的信息，使得系統(tǒng)能夠在斷電后重新使用。

每個車位后方安裝一個檢測開關(guān)，每層及內(nèi)外環(huán)安裝一個檢測開關(guān)。車位檢測開關(guān)主要是用來檢測車位置的，將開關(guān)信號接入PLC的DI點，通過此信號來給PLC內(nèi)部寄存器賦值(0和1分別表示無車和有車)。

存車時，PLC首先按照M3001～M3200的順序來分配車位，按照M3001無車，優(yōu)先安排停放在M3001,依此類推M3002，…。分配好車位后，PLC控制電機(jī)將車輛運送到該車位，運動控制位置信號由每層及內(nèi)外環(huán)的檢測開關(guān)獲取。

取車時，先刷卡，讀取信息，由PLC確定車輛的位置，然后控制電機(jī)將車輛取出。

3 存車路徑的優(yōu)化

3.1 存車策略

對于同層車位，外車庫車位號是1～20，內(nèi)車庫車位號是22～28?？刂葡到y(tǒng)將車庫分為三部分，對應(yīng)車庫的一層，每個車庫設(shè)有檢測開關(guān)，檢測開關(guān)對應(yīng)著車位號1，2，3，…，28。

存車策略有多種，本方案采取耗能少和就近存車的原則，即先存外車庫后存內(nèi)車庫，先低層后高層。對于外車庫存車，首先使用升降機(jī)兩側(cè)的車位，由近及遠(yuǎn)存滿1、2層外車庫后，再存3層外車庫，最后是1～3層內(nèi)車庫；外車庫存車的順序是：升降機(jī)21負(fù)責(zé)存取兩側(cè)的車位號：1，2，3，4，5，6，17，18，19，20；升降機(jī)11負(fù)責(zé)存取車位號：7，8，9，10，12，13，14，15，16。對于內(nèi)車庫，由于汽車重，為保持內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)時的平衡性和穩(wěn)定性，采用對稱存車，存車順序是22→26，23→27，24→28，最后存25，電動自行車較輕可以依據(jù)車位序號存取。

用戶存車時，要在存車面板上選擇預(yù)存時間，大約存多長時間后取車。車庫1、2層存放預(yù)存時間小于2 h的車輛，3層存放預(yù)存時間大于2 h的車輛，這樣，低層車位利用率高，存車時間最短，減少客戶等待時間。

3.2 優(yōu)化內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)方向

內(nèi)車庫相對于目標(biāo)車位的旋轉(zhuǎn)方向影響車庫的運行效率，這里要設(shè)置內(nèi)車庫最小旋轉(zhuǎn)角度。同層車位編號如圖2所示，車位總數(shù)為26 。假設(shè)外車庫車位數(shù)為N(N≤19)，外車庫每取1次車，內(nèi)車庫移車托板運行2次，移車托板不工作時要轉(zhuǎn)到升降機(jī)11或者升降機(jī)21處，即外車庫取車起點的車位號為a(a=11或a=21)，取車終點車位號為b(b≤20且b≠11)，內(nèi)車庫移車托板旋轉(zhuǎn)電機(jī)路徑函數(shù)根據(jù)起點和終點編號決定旋轉(zhuǎn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向以使旋轉(zhuǎn)角度最小。

旋轉(zhuǎn)電機(jī)路徑函數(shù)f(a，b)定義為：

若b>a，且N≥2(b-a)，則f(a，b)=b-a，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)；若b>a，且N<2(b-a)，則f(a，b)=N-(b-a)，電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)；若b

3.3 驗證存取車時間

對于智能立體車庫而言，存取車時間的長短直接反映了設(shè)備的利用率和效益。用戶接受服務(wù)的順序是先到先服務(wù)。

自動存車系統(tǒng)屬于隨機(jī)離散型系統(tǒng)，在系統(tǒng)運行過程中，單位時間內(nèi)到達(dá)的用戶數(shù)和用戶到達(dá)時間都是隨機(jī)變量，存車效率與車輛位置有關(guān)，存車模式有多種，本車庫運行分為兩種模式：一種是只有一個出入口存取，另一個出入口沒有車輛存取; 另二種是兩個出入口同時存取車輛。內(nèi)車庫存車順序是固定的，存車時間也是固定，外車庫存車時間不確定，每次完成存車后移車托板會返回到升降機(jī)處待命，以供下次車輛直接存取。其中，一個出入口運行存車耗時最短，兩個出入口同時運行且在同一個外車庫上存取車輛耗時最長。

假設(shè)停車庫升降機(jī)A和B在入口處的地址為(0，1)，初始地址是(0，c)和(0，d)，兩輛車取車地址分別為(m1，n1)、(m2，n2)。其中c、d、m為停車庫層號(c=d=m=1，2，3)，n為車位號(1，2,…，26)。在同一層內(nèi)車庫里同時取這兩輛車的位移路徑是(0，c)→(m1，n1)→(0，1)；(0，d)→(m2，n2)→(0，1)。設(shè)t1為升降機(jī)單層運行所用時間，為常數(shù)；t2為移車托板轉(zhuǎn)過一個車位所用時間，為常數(shù)；t3為移車托板搬運車輛運行所需要的時間，為常數(shù)。外車庫存取一輛車移車托板要運行2次，時間是2t3；內(nèi)車庫轉(zhuǎn)動2次，時間是2t2。則升降機(jī)A取車耗時為：

tc=(c-1)t2+2t2f(a1,b1)+2t3+(c-1)t1=

2[(c-1)t1+f(a1,b1)t2+t3].

其中：a1為針對第一輛車外車庫取車起點的車位號；b1為第一輛車取車終點車位號。

升降機(jī)B取車耗時為：

td=(d-1)t2+2t2f(a2,b2)+2t3+(d-1)t1=

2[(d-1)t1+f(a2,b2)t2+t3].

其中：a2為針對第二輛車外車庫取車起點的車位號；b2為第二輛車取車終點車位號。

總時間為：

t=tc+td=2[t1(c+d-2)+f(a1,b1)t2+

f(a2,b2)t2+2t3].

在外車庫取車時，相鄰兩車位間的角度是360°/21=17.14°，步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，細(xì)分驅(qū)動器工作在4細(xì)分狀態(tài)時，就是1.8°/4=0.45°，給38個脈沖就是0.45°×38=17.1°。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪帶動內(nèi)車庫、升降機(jī)運行，可以設(shè)定t1=5 s，t2=5 s，t3=12 s，兩部升降機(jī)同時運行到第2層取2輛車，1號車的車位號是7，2號車的車位號是17，移車托板車位號11。先取1號車，有a1=11，b1=7,滿足條件：若b

tc=2[(c-1)t1+f(a1，b1)t2+t3]=2[5+20+12]=74 s.

1號車取完后，移車托板會停在11號升降機(jī)處待命，這時內(nèi)車庫轉(zhuǎn)動取車位號17的2號車。在程序設(shè)置中2號車由21號電梯送到出入口，那么a2=17，b2=21，滿足條件：若b>a且N≥2(b-a)，則f(a，b)=b-a，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)。這里f(a2，b2)=21-17=4，取車時間是：

td=2[(d-1)t1+f(a2，b2)t2+t3]=2[5+20+12]=74 s.

移車托板先由11號轉(zhuǎn)到17號再到21號車位，從11號到17號要經(jīng)過6個車位，轉(zhuǎn)動的時間是：

t0=t2=(17-11)=30 s.

總時間為t=tc+td+t0=178 s.

上面兩個數(shù)據(jù)表明，從車庫的第二層取第一輛車要74 s，第二輛車要196 s，用戶等待的時間略長，同一層取車離移車托板距離遠(yuǎn)的車位取車時間長，離移車托板距離近的車位取車時間短，第一層取車時間小于74 s,第三層取車時間大于74 s,所以采取就近存車、低層存車的原則耗時最短，能顯著提高車庫的運行效率。

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)智能車庫外車庫固定，內(nèi)車庫旋轉(zhuǎn)存車，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，耗能少，占地面積小，存車多。通過模型試驗，表明存車運行可靠，實現(xiàn)了智能化、安全化、高效化、無人化管理，該車庫安裝在地下或地上均可，可以存取電動自行車或汽車。