全自動立體書架式車庫系統(tǒng)的設計

(1.上海海洋大學 工程學院，上海 2013062； 2.華東師范大學 計算機科學與軟件工程學院，上海 200062)

隨著我國經濟發(fā)展，汽車逐漸走入了每一個家庭，然而原有車庫利用率低，停車位緊缺且難以管理，己成為影響城市發(fā)展的重要因素之一[1]。而目前市場上的立體車庫大多是升降橫移式、垂直循環(huán)式、巷道堆垛式等大型立體車庫，以及小型的簡易升降式立體車庫[2]。巷道堆垛式等大型的立體車庫存在造價高昂、管理不便、不易部署、存取車時間較長、維護困難等缺點。而一般的簡易升降式立體車庫在取車時需要移動底層的車輛，這給停取帶來了極大不便，降低工作效率的同時加大了故障的風險。且絕大多數的立體車庫采用的是鏈條牽動，鏈條的鉸鏈磨損后，容易使節(jié)距變大造成脫節(jié)，并且安裝和維護要求較高[3]。本文設計了基于絲桿傳動的全自動立體式車庫，以空間利用率高、結構簡單、停取方便、易于管理等優(yōu)點，成為解決這些問題的有效方式，因此可廣泛應用于醫(yī)院、車站、繁華的商業(yè)區(qū)等人流密集、車位緊缺的公共場所[4]。

1 系統(tǒng)的整體設計方案

1.1 系統(tǒng)的結構設計

圖1為全自動立體車庫的實物模型，該模型具有傳統(tǒng)的書柜式整體外觀結構，主要由書架式整體、存車傳輸平臺、取車傳輸平臺、車位傳輸平臺、絲桿滑臺及工控機組成。本系統(tǒng)共三層設計結構，一層為車庫控制層，在該層邊上安裝有工控機，可進行存車和取車操作，且不妨礙行人可自由行走；二、三兩層為車位層，共有2×3個停車位，按從左到右編號。車庫的具體大小可根據使用環(huán)境、空間和用戶需求進行靈活調整。存/取車傳輸平臺和車位傳輸平臺上均裝有傳送帶，通過傳輸平臺之間的相互配合，以實現對控制車輛的入庫和出庫控制。絲桿滑臺通過X軸和Y軸方向的運動，以實現存/取車傳輸平臺的左右、上下移動，且存/取車傳輸平臺分別位于車庫的前后兩側，結構對稱，以方便車輛的存取。

圖1 全自動立體書架式車庫的結構圖

1.2 控制方案設計

本系統(tǒng)方案采用三層控制結構設計，即應用層、控制層和執(zhí)行層，如圖2所示，以實現對車庫的智能化控制和管理。應用層為PC端設計的上位機管理界面，可方便用戶選擇具體車位和實時查看顯示車庫信息，并通過WiFi方式與控制器通信；控制層分別由Arduino和STC89C52RC單片機實現車庫的定位和存/取車入/出庫；執(zhí)行層1由步進電機控制絲桿滑臺，移動存/取車傳輸平臺至用戶選定車位；執(zhí)行層2通過光電傳感器檢測，由直流電機控制各傳輸平臺的傳送帶，完成存車入庫和取車出庫操作。

當進行存車入庫操作時，用戶先通過上位機界面選擇停車位，由Arduino控制絲桿滑臺分別在X軸和Y軸方向帶動存車傳輸平臺移動。當車位傳輸平臺上的光電傳感器接收到存車傳輸平臺上的光電傳感器發(fā)射的光電信號時，二維平面內定點控制結束，傳輸平臺上的傳送帶開始工作，移動車輛入庫。當收發(fā)一體的光電傳感器接收到回傳光電信號時，表明車輛?？康轿唬瑐魉蛶Ｖ罐D動。取車出庫過程與存車入庫過程的控制方式相似。

圖2 系統(tǒng)方案設計

車庫控制的關鍵是實現存/取車控制，本系統(tǒng)由存車、取車和車位3個傳輸平臺和光電傳感器配合完成，光電傳感器安裝如圖3所示，其中采用光電傳感器的發(fā)射端和接收端分別控制存/取傳輸平臺的對接，收發(fā)一體光電傳感器檢測存/取車是否到位。例如，當進行存車入庫操作時，用戶先在工控機上選擇車位號，由Arduino單片機控制絲桿滑臺帶動存車傳輸平臺在X、Y軸方向移動。當所選車位傳輸平臺上的光電傳感器1接收到存車傳輸平臺上的光電傳感器1發(fā)射的光電信號時，傳輸平臺實現了二維平面內定點控制，傳送帶開始工作，移動車輛入庫。當收發(fā)一體光電傳感器1接收到回傳光電信號，表明車輛停靠到位，傳送帶停止轉動。

圖3 存/取車控制

2 系統(tǒng)硬件設計

根據書架式立體車庫系統(tǒng)的控制要求，本系統(tǒng)主要由絲桿滑臺控制模塊、傳輸平臺控制模塊和WiFi通信模塊組成，控制器通過WiFi傳輸方式接收和反饋上位機命令；通過各模塊間相互配合，自動完成存/取車傳輸平臺在二維平面內的精準定位和車輛的出庫/入庫操作。

2.1 絲桿滑臺控制模塊

本模塊采用Arduino UNO R3作為控制器，它是一款基于ATmega328的微處理器，工作電壓為5 V，工作時鐘為16 MHz，有14個數字輸入/輸出引腳，其中6個可用作PWM輸出， 6個可用作模擬輸入[5]。絲桿滑臺控制模塊電路示意圖如圖4所示，其中GPIO 6-13引腳連接S-250-12步進電機驅動器，由4個步進電機控制車庫兩側絲桿滑臺在X和Y軸方向的運動，實現存/取車傳輸平臺的移動。

圖4 絲桿滑臺控制模塊電路示意圖

存/取車傳輸平臺移動的距離可通過Arduino控制器產生的PWM波控制步進電機的旋轉角度來實現，步進電機的主要參數如表1所示[6]。

表1 步進電機主要參數

假設車庫中每個車位的長為amm，高為bmm，存車傳輸平臺的起始位置為6號車位正下方，無論選擇哪一個車位，存車傳輸平臺均可在X、Y軸上移動后到達。假設絲桿滑臺在沿X軸方向移動Lmm時，所需的PWM方波數n為：

(1)

式中,S為步進電機每轉動一圈絲桿滑臺時所移動的距離，即

S=πDI

(2)

本設計中采用8細分方式。相比于一般的PID控制，本設計使用了模型預測控制算法，引入滾動優(yōu)化，反饋矯正，多步預測等策略，有效的減少了PID控制的滯后時間，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，具有較高的魯棒性[7]。

MPC控制器簡化結構如圖5所示。其中，ydes為絲桿滑臺期望運動距離,yr為絲桿滑臺運行軌跡，u為輸入的PWM方波數，y為絲杠滑臺實際運動距離,yp為反饋矯正，ym為基于絲桿滑臺運動模型的輸出。絲桿滑臺可簡化為線性系統(tǒng)，對于該系統(tǒng)，總的反饋矯正為有未來控制的強迫響應與無未來控制的自由響應之和。

圖5 MPC控制器結構簡化圖

控制目的是使未來輸出誤差值逼近于零，并取最小優(yōu)化性能指標即控制增量平方與預測誤差平方的加權和取最小值。本設計使用廣義預測，t時刻的優(yōu)化性能指標表達式如下：

(3)

式中,x1、x2分別為優(yōu)化的開始值與終止值;ε為對象輸出的期望值;Ux為控制時域;γ(i)為控制加權系數。同時對控制信號，控制增量和輸出值做出約束：

(4)

通過實驗可得，該MPC控制器通過預測很好地補償純滯后的影響，基本滿足設計要求，可以準確地控制絲桿滑臺的存取操作，提高控制精度[8]。

2.2 傳輸平臺控制模塊

由于Arduino控制器資源有限，本模塊采用STC89C52RC低功耗微處理器作為控制芯片，其工作電壓為3.3～5.5 V，共32個通用I/O口[9]。傳輸平臺控制模塊電路示意圖如圖6所示，其中P0、P1及P2.0～P2.2端口連接光電傳感器，本設計采用QT30CM和E18-D80NK-N光電傳感器，安裝如圖3所示。在存/取車傳輸平臺上分別安裝有光電傳感器的發(fā)射端，在車位傳輸平臺上的對應兩端分別安裝有光電傳感器的接收端，用于存/取車的定位控制；另外在車位和取車傳輸平臺上還分別安裝有收發(fā)一體光電傳感器，用于控制車輛入/出庫到位時停止直流電機轉動。

本模塊中有存車、車位和取車3個傳輸平臺，分別由8個直流電機控制，分別接在P2.3～P2.7及P3.2～P3.4上，實現存/取車操作。當指定車位的光電傳感器接收端接到信號時，STC89C52RC單片機發(fā)出控制信號，控制直流電機工作，帶動存/取車傳輸平臺與車位傳輸平臺同時同向轉動，進行存/取車操作，當收發(fā)一體的光電傳感器接收到信號時，車輛停車到位，直流電動機停止，存/取車操作結束。

圖6 傳輸平臺控制模塊電路示意圖

2.3 無線通信模塊

該系統(tǒng)中存車入庫或取出庫的操作，需要通過上位機進行控制和顯示，因此，選擇了成本低、功耗低的ESP8266串口轉WiFi模塊進行無線通信，它能夠實現點對點的數據傳輸[10]。當上位機發(fā)出存車或取車命令時，上位機將包含車位信息、存/取車操作信息及車位狀態(tài)的數據包({車位信息;存/取車操作信息;車位狀態(tài)信息})發(fā)送給下位機，下位機接收到數據包后，對其進行解析并得到相應的信息，隨后絲桿滑臺控制模塊根據車位信息，準確定位，執(zhí)行存/取車的操作，而傳輸平臺控制模塊將執(zhí)行存/取車操作后的車位信息存儲，并將數據包中的車位狀態(tài)進行更新，通過WiFi通訊反饋給上位機。具體數據包信息如表2所示。

表2 無線通信數據包

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機軟件設計

本系統(tǒng)主要包括絲桿滑臺和存/取車入/出庫兩個控制部分。由于采用Arduino和STC89C52RC兩種控制器，因此程序的開發(fā)環(huán)境分別為Arduino IDE和μKeil 4[11]，通過WiFi模塊接收上位機發(fā)送的存/取車命令，控制絲桿滑臺的移動，同時結合相應的存/取車入/出庫模塊，將車輛存入相應的車位或從預定車位取出。其中，存車整體程序流程如圖7所示，整體流程圖中的存車入庫檢測模塊流程圖如圖8所示。

圖7 存車入庫整體程序流程圖

圖8 存車入庫檢測模塊流程圖

Arduino控制器通過ESP8266 WiFi模塊以中斷的方式接收上位機發(fā)出的存/取車數據包。當未接收到數據包時，Arduino控制器一直處于休眠狀態(tài)；當接收到數據包時，通過中斷喚醒的方式喚醒Arduino控制器，根據車位信息計算出絲桿滑臺在車庫X軸、Y軸平移所需的PWM方波周期數，準確移動到相應車庫位置。

當存車傳輸平臺和車位傳輸平臺(或取車傳輸平臺和車位傳輸平臺)上安裝的光電傳感器對管，實時檢測到對應信號時，兩平臺對位準確，與Arduino控制器并行的STC89C52R控制器控制直流電機帶動傳送帶，將車輛存入預定車庫或從指定車庫取出。一旦車位傳輸平臺上安裝的收發(fā)一體光電傳感器檢測到回傳信號，說明停車到位，傳送帶停止轉動；同時STC89C52R控制器會將車位數據包的車位狀態(tài)位置1，表示當前車位有車，并通過ESP8266 WiFi轉串口模塊將車位數據包發(fā)送給上位機，實時反饋車庫的當前車位信息。

3.2 上位機軟件設計

書架式立體車庫的上位機管理界面采用LabVIEW開發(fā)。LabVIEW是一種圖形化編程語言，具有開發(fā)周期短、可兼容多種開發(fā)方式等優(yōu)點[12]。本設計中開發(fā)的上位機管理界面可供用戶選擇車位，下達存車、取車操作命令。

3.2.1 通信模塊設計

本系統(tǒng)的上位機和下位機之間采用WiFi通信，通過TCP/IP控件實現WiFi網絡通信。在建立通信前，需先對控件的IP地址和遠程端口等傳輸特性進行設置[13]。

3.2.2 存/取車命令模塊

該模塊由停車按鈕控件、取車按鈕控件、TCP/IP數據寫入控件、TCP/IP數據讀取控件、車位指示燈控件和停取車提示燈控件組成，如圖9所示。其中TCP/IP讀寫的數據格式均為2.3節(jié)所述的數據包格式。

圖9 存/取車系統(tǒng)

以車位1的存/取車操作為例簡述具體操作過程。

停車過程：在上位機和下位機成功建立通信連接的前提下，選擇1號車位，點擊1號車位的停車按鈕，此時TCP/IP寫入模塊將協(xié)議數據包{0001;1;0}發(fā)送給下位機。其中數據包中的數據從左往右依次表示“用戶選擇了1號車位”，“執(zhí)行停車操作”，“1號車位空閑”。下位機接收到數據包后進行解析，并執(zhí)行1號車位的停車操作。

取車過程：在上位機和下位機成功建立通信連接的前提下，選擇1號車位，點擊1號車位的取車按鈕，此時TCP/IP寫入模塊將協(xié)議數據包{0001;0;1}發(fā)送給下位機。其中數據包中的數據從左往右依次表示“用戶選擇了1號車位”，“執(zhí)行取車操作”，“1號車位繁忙”。下位機接收到數據包后進行解析，并執(zhí)行1號車位的取車操作。

此外，停/取車系統(tǒng)會周期性地接收下位機發(fā)回的數據包。系統(tǒng)在接收到數據包后會對數據包進行解析，提取數據包中的“車位狀態(tài)”位和“停/取車操作信息”位的數據，并將其轉換為布爾變量，用于“車位狀態(tài)指示燈”和“停/取車提示燈”的控制。

上位機設計界面和存/取車入/出庫的實時狀況如圖10所示。

圖10 存/取車入/出庫上位機設計界面

4 系統(tǒng)測試

4.1 實物模型

根據上述控制要求及軟件設計等做出了小型實物模型，模型具體如圖11所示，立體書架式車庫整體長為100 cm，寬為160 cm，高為100 cm;每個車位平臺的長為33 cm，寬為20 cm，高為40 cm;絲桿滑臺的長為100 cm。運輸平臺(傳送帶)的長度為20 cm;絲桿滑臺的速度為2.5 cm/s，傳送帶的速度為3 cm/s。

圖11 小型實物模型

4.2 系統(tǒng)測試

本全自動立體書架式車庫存/取車共分為12個不同過程，分別為存/取1～6號車位中汽車時的存/取過程。現以1號車位為目標車位進行存車操作：從存車傳輸平臺動作開始計時，至1號車位傳輸平臺上光電傳感器檢測到停車到位為止，存車時間計時結束。取車操作：從取車傳輸平臺動作開始，至從1號車位取車成功(回到初始位置)為止，取車時間計時結束，具體數據存/取時間記錄如表3所示。

對8組測試數據進行分析，將6個車位的存/取車時間與理論值進行對比，求出8組數據與理論值之間的誤差平均值和存/取車時間精度存于表4中，可知各過程時間數據的精度均大于99%，系統(tǒng)運行精度與期望情況相符。通過多次反復試驗與統(tǒng)計，本全自動立體車庫在實驗室的模擬調試中能夠較好地完成設計要求，平穩(wěn)運行，具有實際意義。

表3 全自動立體書架式車庫不同車位存/取時間記錄表 單位:s

表4 測試值與理論值分析表

4.3 實際分析

我國建筑規(guī)范中對車庫設計標準規(guī)定比較復雜，主要分為4個等級。本文以小型車停車庫為例，當采用垂直式停車方式，車位大小為5.3 m×2.4 m,停放6輛車時所用占地面積為73.32 m2，采用本文設計的立體式車庫停放6輛車時傳輸平臺等固定占用面積為47.58 m2，節(jié)約了35.10%的用地面積[14]，且此車庫平臺安全穩(wěn)定，保障了車庫下方通道的安全通行，隨著立體車庫層數的增加，車庫用地面積效率將成倍增加，大大提高了有限空間的利用率。

5 結論

本文設計了一款新型的全自動立體書架式車庫系統(tǒng)，整體設計模型采用書架式結構，根據應用層、控制層和執(zhí)行層這三層體系結構，由Arduino和STC89C52RC單片機分別對絲桿滑臺和傳輸平臺進行控制，實現車輛的自動存取，并將控制和反饋信息通過WiFi無線通信，傳輸給上位機監(jiān)控系統(tǒng)，以實現對車庫的管理和對車位狀態(tài)信息的實時顯示。該系統(tǒng)制作了實物模型，經過測試，系統(tǒng)運作平穩(wěn)，存取車準確可靠，提高了車庫有限空間的利用率，實現了車庫的智能控制和管理，是解決車位緊缺、結構復雜以及管理效率低的有效手段，可在醫(yī)院、車站、商業(yè)區(qū)等公共場合應用和推廣，具有良好的應用前景。