張永銳，張忠林，王飛皓，叢 暉，張瀚文，郭 旋

（哈爾濱工程大學機電工程學院，哈爾濱 150001）

0 引言

近年來，隨著我國經濟水平和居民生活水平的不斷提高，人們購車的能力及意愿顯著提升，機動車以及汽車保有量穩(wěn)步增長。到2019年我國機動車保有量達到3.48億臺，同比增長6.42%；汽車保有量達到2.60億臺，同比增長8.33%[1]。

圖1 2015-2020年停車位需求量

如圖1所示，隨著城市汽車保有量的不斷增加，城市小區(qū)尤其是老舊小區(qū)停車位緊缺、停車難問題日益嚴重，現有老舊小區(qū)也基本都不具備建立大型地下或地上多層立體車庫的條件。機械式立體車庫可充分利用土地資源，發(fā)揮空間優(yōu)勢，最大限度地停放車輛，成為解決城市靜態(tài)交通問題的重要途徑[1]。如今，機械式停車設備主要包括升降橫移式、垂直升降式、簡易升降式、巷道堆垛式、無避讓式等類型[1-3]，如圖2所示。

圖2 立體式停車庫類型

本文通過對立體車庫需求的統(tǒng)計分析，對無避讓式停車裝置進行了改良，提出了一種適用于老舊小區(qū)的高空旋轉式立體停車庫方案。與無避讓式停車裝置不同，將存取車裝置和停車區(qū)域分開，通過各部分的單獨運動組合完成車輛的存取，能夠停放更多車輛。該方案具有占地小、智能化、便停車、效率高等創(chuàng)新設計特點，裝置可以安裝在小區(qū)內或小區(qū)中的各種岔路口，基本適合于各種大小型小區(qū)，具有良好的現實意義和推廣應用價值[4]。

1 工作原理

1.1 整體方案設計

本裝置主要由基本框架、垂直升降裝置、立柱旋轉裝置、運車裝置（載車板前后進給機構）、存車區(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 工作過程

整套裝置的大體工作過程如下。

（1）存放車輛時，車輛通過引導車道停在載車板上方，通過垂直升降裝置把車上升到中央立柱停車區(qū)域上方一定距離；此時立柱旋轉裝置啟動，使2個立柱同時旋轉，保證載車板的位置與空車位的位置相平行，以實現后續(xù)的對接；運車裝置將載車板運送到指定存車區(qū)域上方，使載車板與車位上的梳齒式結構相互交錯，隨著載車板的下降，車輛穩(wěn)穩(wěn)停在立柱上；最后在升降裝置和旋轉裝置配合下，載車板歸位，存車完成。

（2）取出車輛時，取車過程存車過程相反。垂直升降裝置和立柱旋轉裝置先啟動將載車板運送至車位下方平行位置，通過運車裝置使載車板前進的指定位置，隨著載車板的上升，存車區(qū)域的車輛被抬起，最后通過3種裝置配合車輛被送回車主身邊。

2 機械結構設計

2.1 載車板

載車板、載車架的設計如圖4～5所示，由于慧魚標準件無法搭載出所示的梳齒形狀，二者采用3D打印PLA材料制作。梳齒對接的間隙在對接過程中起到了對載車板的限位作用，保證存取車的順利進行而不發(fā)生運動干涉[5-9]。

圖4 載車板

圖5 載車架

2.2 垂直升降裝置

載車板的垂直升降裝置如圖6所示，主要由絲杠螺母機構完成。利用絲杠的旋轉可以實現螺母在固定的軌道內升降這一特性，使固定在螺母上的載車板達到給定高度，同時，由于絲杠螺母本身具有自鎖性，載車板可以精準定位高度。

圖6 垂直升降裝置

2.3 立柱旋轉裝置

立柱旋轉裝置如圖7所示，主要由同具有自鎖性的蝸輪蝸桿機構完成。固定在立柱上的齒輪在蝸桿的帶動下帶動立柱在固定范圍內旋轉，與此同時載有停車區(qū)域的中央立柱在蝸輪蝸桿機構傳動下發(fā)生旋轉，使得載車板位置與空車位位置相互平行，在升降裝置的作用下完成初步對接。

圖7 立柱旋轉裝置

圖8 運車機構

圖9 整體程序

2.4 運車裝置

載車板的前后進給機構如圖8所示，主要由曲柄滑塊機構完成。利用滑塊只能在固定軌道內運動，定位性好的特性，不僅可實現載車板相對于停車區(qū)域的前后運動，還可以很大程度上減小慣性的影響。

3 控制系統(tǒng)設計

旋轉式立體停車庫的整體程序如圖9所示，實驗裝置的存取車輛為8輛。

3.1 條形碼程序

條形碼程序如圖10所示。對于車庫系統(tǒng)的控制，實行“一碼一車”的原則，通過條形碼來識別和記錄車位信息，實現憑碼取車，方便快捷，安全性高，避免了取錯車、亂取車等現象的發(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 存車程序

裝置的存車程序如圖12所示，利用分居中央停車區(qū)域兩側的停車裝置可以實現2輛車輛同時存車。當車主憑借條形碼存車時，系統(tǒng)會自動檢驗最近的空車位，空車位的檢測由每個車位上的觸發(fā)式開關完成，通過載車板觸碰開關的次數，來判斷車位是否有車輛，檢測車位的程序如圖13所示[10]。檢測完畢，該空車位的車位信息錄入到車主的條形碼中，按照載車板垂直上升、多個立柱配合旋轉、載車板對接存車的工作順序把車停在該停車位上，待車輛停好后完成復位工作。

圖12 存車程序

圖13 檢測車位是否有車輛程序

3.3 取車程序

裝置的取車程序如圖14所示，與存車過程相同，停車裝置可以實現同時取出多個車輛。當車主憑借該條形碼取車時，通過慧魚的顏色傳感器模擬掃碼識別出條形碼上的車位信息，計算出其與當前車位的位置關系與距離并判斷離當前車位最近的存取車裝置如圖15所示，通過程序控制電機脈沖計步旋轉進行取車操作。若條形碼中無車位信息進行取車，系統(tǒng)將會發(fā)出警報。

3.4 錯誤提示程序

為了保證存取車過程的準確進行，防止出現車主忘記插卡、存車卡重復以及取車錯誤的現象，裝置相關的錯誤提示程序如圖16～18所示。

4 車庫評價

4.1 評估指標

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

（1）占地面積S≤4個車位；

（2）存放車輛N≥8個車位（在材料性能允許情況下可進行擴展）；

（3）單輛車存取時間t1≤2.5 min；

（4）多輛車存取時間：第一輛車存取時間不變，第二輛車t2≤1.5 min（存取過程2輛車不是單獨進行，有大半部分獨立運行，可相繼進行）。

4.2 實驗驗證

4.2.1 復位

復位過程如圖19所示。

4.2.2 存車

（1）存車開始，如圖20所示。

圖14 取車程序

圖15 取車距離判斷程序

（2）搬運裝置與存車區(qū)域對接過程，如圖21～22所示。

（3）存車完成，如圖23所示。

圖16 存車重復提示

圖17 取車錯誤提示

圖18 忘記插卡提示

4.2.3 取車

（1）取車開始，如圖24所示。

（2）搬運裝置與存車區(qū)域對接過程，如圖25所示。

（3）取車完成，如圖26所示。

圖19 裝置復位狀態(tài)

圖20 搬運裝置上升

圖21 立柱旋轉準備對接

經過實驗驗證，本裝置能夠實現多輛車同時存取，存取過程能夠準確有序進行，達到了實驗目的。

圖22 載車板、載車架對接存車

圖23 存車對接完成

圖24 搬運裝置上升

圖25 載車板、載車架對接取車

圖26 取車完成交付車主

5 結束語

本文給出了一種老舊小區(qū)車庫的設計方法，利用“慧魚”構件種類繁多、可反復拆卸、無限擴充、組合靈活、利于創(chuàng)新的特點，提出了一種高空可旋轉式立體停車庫方案，經過慧魚搭建和干涉，驗證了車庫設計是合理的。本文進行了運動分析，完成了車庫控制系統(tǒng)的設計和調試，可實現整體車庫的功能。具有占地小、智能化、便停車、效率高等創(chuàng)新設計特點。

本文所設計的機械式創(chuàng)新立體停車庫作為一種解決停車問題的方案，能夠滿足大眾的需求，可為老舊小區(qū)的立體車庫設計提供參考。