一種前移旋轉升降橫移式立體車庫及其控制方法研究

鄧明斌 陳海初

摘 要：傳統的車庫需要保留下層空車位空間用于上層車位的橫移取車，從而造成了車位的浪費。鑒于此，設計了一種前移旋轉升降橫移式立體車庫，并給出了其控制方法。該立體車庫的設計是基于傳統的3變5、4變7等雙層升降橫移式機械車庫，設計的核心是改進一種前移、旋轉、升降機構，將傳統升降橫移式機械立體停車設備用于挪車的不可泊車車位變成一個可用泊車車位，采用歐姆龍PLC為控制中心，光電傳感器和行程開關作為檢測裝置，從而實現雙層升降橫移式機械立體停車設備泊車位利用的最大化。

關鍵詞：升降橫移式立體車庫；PLC；光電傳感器；行程開關

中圖分類號：TP23；TP29? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0054-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.014

0? ? 引言

隨著社會經濟的不斷發展，如今汽車保有量不斷增加，平面停車場已經不能滿足人們日益迫切的停車需求，有限的城市土地資源和早期因考慮不周導致建筑停車位不足等矛盾使城市停車難問題日益凸顯。由此而誕生的機械式多層停車設備是一種低成本的停車難問題的解決方案，形成了立體停車新模式[1-2]。目前，國內外常見的立體車庫有垂直升降式、簡易升降式、升降橫移式、垂直循環式、水平循環式、多層循環式、平面移動式、巷道堆垛式等八種，本文設計的立體車庫是基于升降橫移式立體車庫。

升降橫移式雙層、多層立體停車設備是眾多機械式停車設備中常見的一種。傳統的3變5、4變7、5變9等雙層升降橫移式機械立體停車設備[3-4]，由于需要保留一個下層空車位空間用于上層車位的橫移取車，從而造成了車位空間的浪費，增加了車位的均價成本，因此亟需得到改進，從而實現全部車位空間的有效利用。

基于以上缺陷，本文在傳統雙層升降橫移式機械立體停車設備基礎上，通過改進設計一種前移、旋轉、升降機構，使傳統升降橫移式機械立體停車設備用于挪車的不可泊車車位變成了一個可用泊車車位，從而實現了雙層升降橫移式機械立體停車設備泊位利用的最大化。這樣不僅可實現雙層升降橫移式機械立體停車設備可用泊車位的增加，也可以實現3～6層升降橫移式機械立體停車設備可用泊車位的增加。

1? ? 立體車庫系統機械結構設計

1.1? ? 系統各部分組成及功能

本立體車庫在傳統的圖1所示3變5車位設備右下空間位置設計安裝可前移、旋轉、升降的停車機構，實現第6停車位。第6停車位主要由以下部分組成：停車臺板、掛架、行走箱體（箱體內包含行走驅動電機、傳動機構組件及行走輪、旋轉電機及蝸輪蝸桿傳動組件等）、旋轉立柱、上支撐滾輪、上支撐導槽（安裝有機械限位擋塊及行程開關）、提升電機及傳動機構組件、下支撐導軌（安裝有機械限位擋塊及行程開關），以及各種標準件、安全鎖緊機構、位置傳感器等[5]。

提升電機及傳動機構組件整體安裝在旋轉立柱上，傳動機構輸出軸通過雙排或者三排鏈條與掛架連接，當提升電機轉動時，實現對停車臺板的升降控制[6-7]；下支撐導軌一方面通過行走輪組對行走箱體、旋轉立柱、停車臺板等第6車位停車設備整體起到支撐作用，另一方面確保了行走箱體沿支撐導軌的路徑前后移動移車，掛架安裝在旋轉立柱上，并通過多個支撐滾輪與旋轉立柱形成移動副，可以沿旋轉立柱上下升降移動，此外，旋轉立柱頂部還安裝有機械掛鉤安全鎖緊機構，用于在掛架帶動停車臺板上升后，實現對掛架的機械鎖定，確保設備安全。

所有的停車臺板上均設計安裝有壓力傳感器，用于自動檢測車位停車臺板上是否停有車輛。

1.2? ? 嵌入式前移旋轉升降橫移工作原理

1.2.1? ? 情形一

當停車數量在5車及5車以下時，PLC控制系統會始終將第6停車位保持初始狀態，其車位存取方式按5車位的存取模式運行。首先在設備管理控制面板上輸入存車車位號（也可采用遙控操作），如4號車位，然后將車輛開進第4停車位的停車臺板上停好，再按設備管理控制面板上的“確認”鍵即可完成停車；當再有人來存車時（2號車位空閑），PLC控制系統將5號車位停車臺板（帶著臺板上所停的車輛）向6號車位橫移，橫移到行程開關限定位置后，2號車位的升降電機轉動，釋放提升鏈條，使2號車位的停車臺板降落到5號車位，再將車輛開到停車臺板上，然后按下設備管理控制面板上的“確認”鍵，2號車位的升降電機轉動，帶動鏈條提升2號停車臺板上升到程序設定位置后停止運動，完成升降橫移停車作業。

1.2.2? ? 情形二

1～5號停車位已經停滿車輛，需要在6號停車位上停車時，PLC控制系統控制6號停車位的停車臺板下降到程序設定位置（圖2），然后將待停車輛開到6號停車臺板上，再按設備管理控制面板上的“確認”鍵，設備控制系統將首先驅動旋轉立柱帶動6號停車臺板順時針旋轉90°，然后行走電機驅動6號停車位設備整體向后移動到程序設定位置，縮進到整個設備的停車位內，完成停車，從而實現3變6車位的全部利用，使車位利用率達到100%。

1.2.3? ? 情形三

該情形為超級模式，設備的PLC控制系統設定在每晚22：30以后為該模式可運行時間段，首先需要確保6個車位停滿車輛（非該時間段或車位沒有停滿時，即使輸入超級密碼也無法運行），其次必須由設備運營管理員輸入超級密碼（或刷超級停車模式授權卡）才可以運行操作（圖3）。管理員輸入超級密碼后，可以通過手動按鍵將6號車位的行走箱體及停車臺板移出設備的停車位，然后旋轉90°，接著控制設備的提升電機將6號停車臺板及臺板上所停車輛提升到圖中位置，然后將晚歸車主的車輛停入到6號車位中，從而實現了特殊時段的3變7停車位，大大提升了設備的車位使用率。

2? ? 立體車庫的控制系統設計

2.1? ? 硬件設計

嵌入式前移旋轉升降橫移式立體車庫的控制系統框圖如圖4所示，存取車控制系統流程圖如圖5所示。

控制系統主要包括限位開關、光電開關傳感器、上位機、旋轉升降橫移電機、PLC模塊，客戶通過上位機給PLC發送信息，輸入想要存車或取車的指令。同時，系統具有急停按鈕，遇到緊急情況可直接斷開設備主電源。

限位開關分為上限、上極限、下限、下極限，當車位到達指定位置后觸發限位開關，PLC接收信號后給出停止命令。光電傳感器安裝于車前和車后兩側，防止有人誤入和車輛超后。微動開關負責檢測上升車位鏈條的松緊，檢測上層車板掉落的裝置是否打開[8]。繼電器用于PLC控制電機的啟動、運行，同時若車庫出現故障或者有人誤入的情況，可以緊急停止車庫運行。PLC接口分配如表1所示。

2.2? ? 車庫液晶操作器設計

車庫液晶操作系統是為立體車庫所設計的操作器，通過人性化的人機界面、簡單易操作的系統，使得用戶可以很方便地使用立體車庫進行存車和取車。

車庫液晶操作器采用STM32為主控芯片、LCD12864液晶顯示屏、RS232通信模塊、4×4矩陣鍵盤模塊，同時還有急停按鈕與手自動模式旋轉按鈕。

上位機（車庫液晶操作器）與PLC間采用串行通信，即通過PLC上的串行口（RS232口）進行通信。PLC的串行口支持的通信方式有很多種，本文使用的上位機連接系統為HostLink系統，HostLink系統是對于FA系統一種既優化又經濟的通信方式[9]，允許一臺上位機通過上位機連接命令向HostLink系統的PLC發送命令，PLC處理來自上位機的每條指令，并把結果傳回上位機，所有通信也會做奇偶校驗和幀校驗，從而估計出通信中的錯誤。上位機連接命令格式如圖6所示。

上位機的連接參數設置：波特率為9 600 B/s，數據位、停止位和奇偶校驗位均為默認值（缺省值）。在主控STM32芯片中新建變量，與PLC中相應的數據內存DM區關聯，實現上位機、下位機間的通信[10]。液晶屏采用LCD12864模塊，直接使用其自帶字庫來顯示中文，不需要自己編碼，發送數據使用8位并行模式。信息的輸入采用4×4矩陣鍵盤模塊，和單片機的GPIO口連接后，編寫相應的按鍵掃描函數即可輸入要存取的車位號。其上位機設計如圖7所示。

3? ? 系統調試試驗與分析

3.1? ? 車庫調試試驗

將車位設備各部分安裝完成并輸入寫好的程序后，對立體車庫在三種存取車情形下進行運行調試。試驗結果表明，在所有情形下，立體車庫都可以準確穩定可靠地對車位進行存取操作。上層車位的升降時間為23 s，下層車位的橫移時間為12 s，第6停車位的旋轉時間為16 s，升降時間為20 s。

經過多組試驗包括空載運行、負載運行，系統均保持無故障運行。測試其安全裝置，包括人車誤入、車輛超后、運行警示等，都可以及時準確報警。

3.2? ? 系統分析

（1）結構簡單，基于傳統升降式停車設備進行改造，改造方便且成本低。

（2）結合升降橫移與旋轉無避讓兩種立體車庫的優點，實現了3變6、4變8等車位，相比傳統的3變5、4變7升降橫移式立體車庫，增加了一個車位，提升了設備空間的利用率，節約了土地資源，降低了設備的均價成本，提高了設備的整體售價。

（3）超級模式使本設計在特定時間段可以停放更多的車。

4? ? 結論

立體車庫目前是解決停車難問題的首要方法，是現代城市停車庫的發展方向。本文以最大化利用傳統升降橫移式車庫空車位為出發點，設計了一種嵌入式前移旋轉升降橫移式立體車庫，該立體車庫可以自動、可靠完成車輛存取，且結構穩定簡單、設計巧妙、維護便捷，提高了車位的利用率，因而具有重要的理論意義和使用價值。

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收稿日期：2023-04-27

作者簡介：鄧明斌（1995—），男，廣東韶關人，研究方向：移動機器人技術。