基于單片機(jī)的升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

盛 旋，程雨靜，范婧忞，程夢(mèng)瑤，黃運(yùn)米

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

0 引言

目前全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量高達(dá)3.4億輛，而停車位卻僅有1.19億左右，這與理論所要求的停車位數(shù)量相差甚遠(yuǎn)，“一位難求”的問(wèn)題日益凸顯。此外，還存在存車時(shí)找車位困難，取車時(shí)找車?yán)щy的問(wèn)題。目前停車場(chǎng)管理系統(tǒng)沒有引導(dǎo)停車功能，停車不方便，取車時(shí)難以找到自己的愛車；有些停車場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理，存在盲點(diǎn)區(qū)域沒有反光鏡、車庫(kù)坡度較陡等問(wèn)題，很容易造成事故。

基于上述車庫(kù)存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)。停車前通過(guò)車庫(kù)入門終端或停車小程序綁定愛車，利用壓力傳感器判斷空余車位，載車盤通過(guò)接收紅外線精準(zhǔn)定位空閑車位，采用紅外感應(yīng)模塊進(jìn)行自動(dòng)循跡、超聲測(cè)距模塊進(jìn)行避障轉(zhuǎn)彎，從而達(dá)到將用戶車輛高效、完好無(wú)損地存放或取出的目的。用戶全程不用為在車輛堆里找尋一個(gè)空位而煩惱，只需在終端或停車小程序上操作和繳費(fèi)，在車庫(kù)出口靜候即可。本智能車庫(kù)系統(tǒng)充分利用了空間、大大縮短了存取車的時(shí)間，提高了存取車的效率。

1 可升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

可升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)由載車盤、智能車庫(kù)以及終端構(gòu)成。智能車庫(kù)三維立體示意圖、平面示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 智能車庫(kù)三維立體示意圖

圖2 智能車庫(kù)平面示意圖

車庫(kù)外顯示當(dāng)前車庫(kù)空閑車位數(shù)，若此時(shí)車庫(kù)內(nèi)仍有剩余空車位，用戶可通過(guò)入口終端或在停車小程序中綁定愛車，輸入停車指令，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，車庫(kù)入口欄桿抬桿，將車開到車庫(kù)入口的載車盤上，載車盤開始工作。待載車盤完全駛?cè)胲噹?kù)后，欄桿下降。停車時(shí)，載車盤接收空車位發(fā)出的紅外線信號(hào)鎖定就近的空停車位，通過(guò)循跡模塊規(guī)劃路線到達(dá)指定位置，然后車位兩側(cè)升縮桿升起抬起小車一段高度，載車盤駛出車位，升縮桿降下，存車完成。取車時(shí)，通過(guò)終端或小程序發(fā)出取車信號(hào)，載車盤根據(jù)停車位置通過(guò)循跡模塊規(guī)劃路線到達(dá)指定位置，升縮桿升起，載車盤駛?cè)氲轿缓螅s桿下降將小車裝載到載車盤上，載車盤將車卸到出口處指定位置，停止計(jì)時(shí)，結(jié)算金額。金額結(jié)算成功后，車庫(kù)出口欄桿抬桿，用戶開走車輛，完成取車。

2 可升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

升降式智能立體車庫(kù)硬件包括載車盤硬件和車庫(kù)硬件兩部分。

2.1 載車盤硬件設(shè)計(jì)

載車盤硬件由主控制器、載車盤識(shí)別模塊、載車盤運(yùn)動(dòng)控制模塊和人工交互模塊構(gòu)成，組成框圖如圖3所示。

圖3 載車盤硬件組成框圖

主控制器為Arduino UNO單片機(jī)，如圖4所示。單片機(jī)包括ATmega 328p微控制器及ATmega16U微控制器，可在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，滿足車庫(kù)和載車盤的基本設(shè)計(jì)要求。Arduino UNO擁有14個(gè)數(shù)字引腳和6個(gè)模擬引腳，可通過(guò)引腳輸出和輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制，并驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)模塊以及進(jìn)行一定程度的人機(jī)交互。

圖4 主控制器

載車盤識(shí)別模塊包括紅外接收模組、超聲波測(cè)距傳感器和磁簧元件傳感器，各傳感器通過(guò)單片機(jī)的I/O端口向主控制器發(fā)送信號(hào)，并執(zhí)行相應(yīng)程序。

載車盤運(yùn)動(dòng)控制模塊包括PID控制步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)依靠PID控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，引導(dǎo)載車盤運(yùn)動(dòng)。

載車盤人機(jī)交互模塊包括紅外遙控、啟動(dòng)開關(guān)和藍(lán)牙模塊，主要用于人工介入時(shí)的操作系統(tǒng)。

2.2 車庫(kù)硬件設(shè)計(jì)

車庫(kù)硬件組成模塊與載車盤硬件類似，其組成框圖如圖5所示。車庫(kù)識(shí)別模塊由LED紅外燈珠和Keyes薄膜壓力傳感器組成，紅外燈珠由交流電供給電能發(fā)射紅外線，Keyes薄膜壓力傳感器可以敏銳地探測(cè)到是否有載車盤存在。車庫(kù)運(yùn)動(dòng)模塊主要由電動(dòng)推桿部分組成，電動(dòng)推桿由繼電器控制。車庫(kù)人機(jī)交互模塊由四位數(shù)碼管(MP×4)組成，用于及時(shí)反映車庫(kù)內(nèi)可存放車的數(shù)量，并且及時(shí)反映所停車的位置。

圖5 車庫(kù)硬件組成框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 載車盤自動(dòng)尋找車位

車庫(kù)入口處設(shè)有一個(gè)四位數(shù)碼管來(lái)顯示車庫(kù)內(nèi)的剩余車位數(shù)，方便用戶了解車庫(kù)內(nèi)車輛停放的具體情況。設(shè)定停車場(chǎng)最多可容納8輛車,車輛每進(jìn)入一次，即停車欄桿抬起一次，車位數(shù)量減1。當(dāng)車位數(shù)減為0，停車欄桿不會(huì)抬起，此時(shí)車輛不可駛?cè)搿?/p>

3.2 載車盤確定空車位位置

車位上的壓力傳感器與終端相連，并通過(guò)藍(lán)牙模塊將信號(hào)傳輸給紅外燈珠，具體工作流程為：車位為空車位時(shí)，壓力傳感器的輸出信號(hào)為“0”，車位有車時(shí)，壓力傳感器的輸出信號(hào)為“1”；通過(guò)程序選擇最佳停車位置，繼而觸發(fā)該車位上的紅外燈珠，載車盤可通過(guò)紅外接收器接收紅外線，循跡工作完成存車。

3.3 裝車

用戶將車開到停車桿前，系統(tǒng)首先判定是否有空余停車位，只有當(dāng)停車位大于0時(shí)停車桿才會(huì)抬起，空余車位數(shù)減1。停車桿利用脈寬操控舵機(jī)，完成上升和下降。

3.4 升降

為了在一定的空間內(nèi)能停放更多的車輛，本車庫(kù)設(shè)計(jì)為上、下兩層可升降式的立體智能車庫(kù)。因此，車庫(kù)內(nèi)裝有兩個(gè)智能升降裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛在上、下兩層之間運(yùn)輸?shù)墓δ埽撋笛b置通過(guò)電機(jī)來(lái)自動(dòng)控制。

當(dāng)一層車庫(kù)的車位停滿后，智能升降裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。載車盤駛?cè)朐撗b置的底板時(shí)，壓力傳感器觸發(fā)電機(jī)工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)，將運(yùn)輸車輛的載車盤平穩(wěn)地運(yùn)送至二層，等到載車盤離開裝置底板，電機(jī)反轉(zhuǎn)，平臺(tái)下降至一層。

載車盤于二層存車完畢后，循跡駛?cè)肓硪欢说纳笛b置，壓力傳感器觸發(fā)電機(jī)工作，電機(jī)反轉(zhuǎn)，裝置下降至一層。等到載車盤離開裝置底板后，電機(jī)正轉(zhuǎn)，平臺(tái)上升回二層。

3.5 存車

當(dāng)載車盤倒車進(jìn)入目的車位后執(zhí)行卸車任務(wù)。車位兩邊裝有兩個(gè)升縮桿，壓力傳感器控制升縮桿工作，將小車向上升起一小段距離，使小車與載車盤分離，接著載車盤駛離車位回到主道上，循跡回到車庫(kù)入口前的指定位置。

3.6 自動(dòng)尋找取車位

用戶在取車前已經(jīng)在終端或小程序上綁定了愛車，當(dāng)取車時(shí)，用戶只須在終端上輸入車輛相關(guān)信息，通過(guò)藍(lán)牙模塊程序會(huì)自動(dòng)確定待取車位的具體位置，從而控制自動(dòng)載車盤工作。

3.7 取車

當(dāng)載車盤確定了要取車的車位后，載車盤通過(guò)設(shè)定好的程序找到待取車輛。若待取車輛處于車庫(kù)二層，載車盤先駛進(jìn)車庫(kù)門口的升降裝置，觸發(fā)升降裝置啟動(dòng)，運(yùn)送載車盤至二層，然后載車盤與用戶車輛一起被運(yùn)送回一層，再進(jìn)行循跡駛向出口指定位置。

3.8 停車場(chǎng)安全措施

(1) 安全監(jiān)控：車庫(kù)內(nèi)部設(shè)有多個(gè)監(jiān)控，與入口的PC端程序相連接，方便用戶看到車庫(kù)內(nèi)部的具體停車情況，同時(shí)可以保證用戶車內(nèi)的財(cái)產(chǎn)安全。

(2) 消防措施：車庫(kù)內(nèi)設(shè)有自動(dòng)噴水裝置和自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警裝置，并且嚴(yán)禁停放運(yùn)輸易燃液體和液化石油氣的車輛。

4 測(cè)試與分析

(1) 進(jìn)行存取車功能測(cè)試，測(cè)試方法為將模擬小車放至入庫(kù)口，待載車盤自動(dòng)載取模擬小車，繼而停至指定位置。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 測(cè)試結(jié)果 圖7 人機(jī)交互信息測(cè)試

(2) 進(jìn)行人機(jī)交互信息測(cè)試，測(cè)試方法為待模擬小車入庫(kù)后，觀察顯示屏上是否顯示模擬小車的具體信息，如圖7所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種升降式立體智能車庫(kù)系統(tǒng)，充分利用了空間、大大縮短了存取車的耗時(shí)，提高了存取車的效率，有效地解決了停取車難問(wèn)題。本智能車庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊，各大公司、購(gòu)物中心和娛樂場(chǎng)所等均可應(yīng)用，完美契合了“建設(shè)小康社會(huì)”的規(guī)劃藍(lán)圖與核心理念。