無避讓智能停車系統(tǒng)設(shè)計*

曹景棋 王軍 程依婷 陳祖慰

江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江西 贛州 341000

引言

隨著社會工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與經(jīng)濟(jì)進(jìn)步，交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善，人們對汽車的需求逐步加大。截至2021年底，我國汽車保有量達(dá)到3.02億輛，全國有79個城市汽車保有量超過100萬輛[1]。城市中土地資源稀缺，停車場面積嚴(yán)重不足，加之汽車保有量組年增長，直接導(dǎo)致了交通擁堵、泊車難等問題。為有效解決停車難問題，需要對停車位進(jìn)行科學(xué)高效的管理，不斷開發(fā)與應(yīng)用停車新技術(shù)，提高停車面積利用率。2015年8月，國家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)城市停車設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見》、《城市停車設(shè)施建設(shè)指南》，梳理了停車場、停車庫的技術(shù)要點(diǎn)，推進(jìn)停車產(chǎn)業(yè)納入國家層面；2016年6月，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)《城市停車規(guī)劃規(guī)范》，制定停車位總量控制和供給策略[2]。國家不斷出臺相關(guān)政策，積極推進(jìn)停車信息化與智能化建設(shè)。機(jī)械式立體車庫因其占地面積小、形式靈活等特點(diǎn)而受到關(guān)注，本文通過對立體化車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用多傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)設(shè)計了無避讓智能停車庫系統(tǒng)[3]。本項(xiàng)目能合理利用土地資源，為解決現(xiàn)有車位不足提供一種方法。

1 無避讓智能停車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的智能停車庫，主要是針對老舊小區(qū)內(nèi)停車位少、停車難問題，經(jīng)調(diào)研將停車位數(shù)量設(shè)定為10個，停車庫為五層樓層式結(jié)構(gòu)，使用soliworks完成的停車庫裝配圖如圖1所示。

圖1 停車庫裝配圖

停車庫主要由車位停放架、提升機(jī)構(gòu)、立柱、傳輸機(jī)構(gòu)、移動機(jī)構(gòu)等組成。每層兩邊各是一組車位停放架，一組停放一輛車。框架中軸處在底層和頂蓋框架上都有滑槽，其滑槽內(nèi)有軸桿并連有運(yùn)輸平臺，軸桿可以在滑槽內(nèi)前后滑動，運(yùn)輸平臺在軸桿上下滑動，并且運(yùn)輸平臺可以繞軸桿向左向右各90°旋轉(zhuǎn)。

1.1 智能停車庫框架設(shè)計

停車庫整體采用20×40H鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，建設(shè)時間短，承重能力強(qiáng)。底座采用混凝土澆筑，穩(wěn)固且高效。停車庫一共分為5層，采用了三角形和梁筋設(shè)計，提高了穩(wěn)定和承載能力。框架長為5m，寬為2.5m，每層高為2.5m，可以滿足停放大部分的SUV和轎車。

1.2 提升機(jī)構(gòu)設(shè)計

提升機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、鏈輪和傳動鏈來實(shí)現(xiàn)，控制運(yùn)輸平臺沿軸桿的上下運(yùn)動。軸桿頂部設(shè)計有平臺安放驅(qū)動電機(jī)，同時頂部和底部都有橫桿連接水平電機(jī)的鏈傳動機(jī)構(gòu)。

1.3 停放架設(shè)計

傳統(tǒng)的運(yùn)輸平臺和停放平臺都是平面，本系統(tǒng)中將其設(shè)計成梳齒形的，其優(yōu)點(diǎn)如下：①把一些用不到的地方全部鏤空，節(jié)省制造車庫的材料。②很好的實(shí)現(xiàn)停放車的動作，運(yùn)輸平臺和停放架之間，可以豎直上下交錯運(yùn)動，相互不會碰撞。當(dāng)運(yùn)輸平臺上的車輛運(yùn)送至停放架上方并向下運(yùn)行，運(yùn)輸平臺的支桿可以從停放架的四根支桿的相間縫隙通過，車輛也從運(yùn)輸平臺上停放到了停放架上。取車時只需運(yùn)輸平臺往上運(yùn)動將車輛從停放架上抬起。

每組停放架的支柱都為懸臂梁結(jié)構(gòu)，為保證其強(qiáng)度和剛度符合條件，在每根支柱的末端加固支撐的支柱，懸臂梁下也加裝了加固鋼板，以滿足承重要求。

在梳齒設(shè)計時，無論十運(yùn)輸平臺還是停放架，在車輛前后軸附近中間的齒條設(shè)置更低，其優(yōu)點(diǎn)十使得平臺表面貼合輪胎的弧度，汽車停放相對更加穩(wěn)定，梳齒條結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 梳齒結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計

軸桿和運(yùn)輸平臺通過齒輪傳遞來實(shí)現(xiàn)平臺的順時針和逆時針90°旋轉(zhuǎn)，運(yùn)輸平臺與軸桿連接裝置模型如圖3所示。

圖3 連接機(jī)構(gòu)模型圖

1.5 移動機(jī)構(gòu)設(shè)計

電機(jī)驅(qū)動鏈傳動機(jī)構(gòu)帶動軸桿在頂水平滑槽和底水平滑槽內(nèi)前后運(yùn)動，通過滾輪減少摩擦力。

2 智能停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)包括主控器、傳感器、電機(jī)、觸摸屏、上位機(jī)等，主要完成車輛存取、車輛到位檢測、安全判別、觸摸屏操作、數(shù)據(jù)通信等功能，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控模塊

主控制器選用CPU 226，包含24個數(shù)字輸入點(diǎn)和16個數(shù)字輸出點(diǎn)，2個485通信接口，可用作自由口，PPI接口，也可以作為MPI從站[4]。6個高速計數(shù)器，可以連接90°相差的增量編碼器。由于系統(tǒng)中有較多的光電開關(guān)及行程開關(guān)，因此擴(kuò)展了16位數(shù)字I/O模塊EM223。

2.2 傳感器選擇

光電開關(guān)安裝在每層停放架的側(cè)面，用來檢測車輛是否停放到位；熱釋電傳感器安裝在車庫架2.2m高，用來檢測車庫運(yùn)行軌道的安全狀態(tài)；行程開關(guān)安裝在提升架的各層，作為運(yùn)輸平臺在平移、升降、旋轉(zhuǎn)時的限位檢測；編碼器用來檢測運(yùn)輸平臺中各電機(jī)的運(yùn)行位置。

2.3 觸摸屏設(shè)置

臺達(dá)DOP-B07S515觸摸屏和CPU226采用485通訊，觸摸屏用COM2口，觸摸屏1腳接PLC 3腳，觸摸屏6腳接PLC 8腳。觸摸屏站地址設(shè)置為1，PLC地址設(shè)置為2，通訊波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗(yàn)。PLC通過V區(qū)域與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.4 控制軟件設(shè)計

控制程序包括主程序、安全掃描子程序、存車子程序、取車子程序、通信子程序等。

主程序流程圖如圖5所示。主程序首先進(jìn)行初始化操作，然后自診斷，采集各傳感器的狀態(tài)，進(jìn)行安全掃描，有故障則報警；接著與觸摸屏通信，根據(jù)觸摸屏指令完成存取車輛操作。正常工作時自動進(jìn)行車輛存取，有故障或者需要人工操作時，采用手動操作方式。

圖5 主程序流程圖

自動存車子程序如圖6所示。首先判斷運(yùn)輸平臺的狀態(tài)，如果空閑，則設(shè)置運(yùn)輸平臺為“忙”標(biāo)志位，進(jìn)行存車操作。然后進(jìn)行安全掃描，判斷運(yùn)行軌道上沒有人員，車輛是否停在運(yùn)輸平臺上，如果檢測到有人未離開軌道或者未停好車輛，則發(fā)出報警信息。接下來完成平移、升降、旋轉(zhuǎn)操作，將車輛通過梳齒式傳輸平臺停放到停放架上，如果沒有停好車輛，也會發(fā)出報警信息。停好車輛后，再次進(jìn)行安全掃描，然后返回初始位置子程序，將運(yùn)輸平臺返回初始位置，最后清除運(yùn)輸平臺“忙”標(biāo)志位，返回主程序。

圖6 存車子程序流程圖

2.5 功能仿真

在Step7中編制梯形圖控制程序，編譯通過后下載到PLC運(yùn)行程序進(jìn)行各種功能驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)室中沒有搭建停車架的情況下，采用外接光電開關(guān)與手動按鍵的方式來模擬運(yùn)輸平臺到位檢測信號以及限位檢測，采用手動按鈕和定時器結(jié)合的方式來模擬旋轉(zhuǎn)電機(jī)和升降電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過程序的運(yùn)行，可以很好地實(shí)現(xiàn)觸摸屏通信與數(shù)據(jù)傳輸、車輛存取、車位判斷、到位檢測、故障診斷與報警等功能，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的可行性。

3 結(jié)束語

針對老舊小區(qū)停車位少、停車場用地受限的情況，設(shè)計了無避讓智能停車庫系統(tǒng)，停車庫具有結(jié)構(gòu)簡單、安全性較好、使用靈活等特點(diǎn)，本系統(tǒng)將一層平鋪式停車方式往立體空間發(fā)展，構(gòu)建立體停車空間，車位容量可以擴(kuò)充5倍，為解決停車難問題提供了方向，通過程序仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計的智能停車控制系統(tǒng)可以對車輛及車位進(jìn)行有效管理，系統(tǒng)功能較為完善，對解決同類型的停車問題具有一定借鑒作用。