基于慧魚模型方法的老舊小區(qū)立體車庫創(chuàng)新設(shè)計

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，隨著我國經(jīng)濟(jì)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(jī)動車以及汽車保有量穩(wěn)步增長。到2019年我國機(jī)動車保有量達(dá)到3.48億臺，同比增長6.42%；汽車保有量達(dá)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(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庫的條件。機(jī)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(jī)械式停車設(shè)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(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(shè)計特點，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)實意義和推廣應(yīng)用價值[4]。

1 工作原理

1.1 整體方案設(shè)計

本裝置主要由基本框架、垂直升降裝置、立柱旋轉(zhuǎn)裝置、運車裝置（載車板前后進(jìn)給機(jī)構(gòu)）、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(dǎo)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(zhuǎn)裝置啟動，使2個立柱同時旋轉(zhuǎn)，保證載車板的位置與空車位的位置相平行，以實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 載車板

載車板、載車架的設(shè)計如圖4～5所示，由于慧魚標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)構(gòu)完成。利用絲杠的旋轉(zhuǎn)可以實現(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板達(dá)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(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下帶動立柱在固定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，與此同時載有停車區(qū)域的中央立柱在蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)裝置

圖8 運車機(jī)構(gòu)

圖9 整體程序

2.4 運車裝置

載車板的前后進(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)運動，定位性好的特性，不僅可實現(xiàn)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(shè)計

旋轉(zhuǎn)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(xiàn)憑碼取車，方便快捷，安全性高，避免了取錯車、亂取車等現(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(cè)的停車裝置可以實現(xiàn)2輛車輛同時存車。當(dāng)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(guān)完成，通過載車板觸碰開關(guān)的次數(shù)，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(zhuǎn)、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(fù)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(xiàn)同時取出多個車輛。當(dāng)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(dāng)前車位的位置關(guān)系與距離并判斷離當(dāng)前車位最近的存取車裝置如圖15所示，通過程序控制電機(jī)脈沖計步旋轉(zhuǎn)進(jìn)行取車操作。若條形碼中無車位信息進(jìn)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(zhǔn)確進(jìn)行，防止出現(xiàn)車主忘記插卡、存車卡重復(fù)以及取車錯誤的現(xiàn)象，裝置相關(guān)的錯誤提示程序如圖16～18所示。

4 車庫評價

4.1 評估指標(biāo)

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(biāo)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(jìn)行擴(kuò)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(jìn)行，有大半部分獨立運行，可相繼進(jìn)行）。

4.2 實驗驗證

4.2.1 復(fù)位

復(fù)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?qū)舆^程，如圖21～22所示。

（3）存車完成，如圖23所示。

圖16 存車重復(fù)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?qū)舆^程，如圖25所示。

（3）取車完成，如圖26所示。

圖19 裝置復(fù)位狀態(tài)

圖20 搬運裝置上升

圖21 立柱旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)備對接

經(jīng)過實驗驗證，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)多輛車同時存取，存取過程能夠準(zhǔn)確有序進(jìn)行，達(dá)到了實驗?zāi)康摹?/p>

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(jié)束語

本文給出了一種老舊小區(qū)車庫的設(shè)計方法，利用“慧魚”構(gòu)件種類繁多、可反復(fù)拆卸、無限擴(kuò)充、組合靈活、利于創(chuàng)新的特點，提出了一種高空可旋轉(zhuǎn)式立體停車庫方案，經(jīng)過慧魚搭建和干涉，驗證了車庫設(shè)計是合理的。本文進(jìn)行了運動分析，完成了車庫控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試，可實現(xiàn)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(shè)計特點。

本文所設(shè)計的機(jī)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(shè)計提供參考。