(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 2013062； 2.華東師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件工程學(xué)院，上海 200062)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車逐漸走入了每一個(gè)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(chǎng)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(jiǎn)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(jià)高昂、管理不便、不易部署、存取車時(shí)間較長(zhǎng)、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。而一般的簡(jiǎn)易升降式立體車庫在取車時(shí)需要移動(dòng)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(shí)加大了故障的風(fēng)險(xiǎn)。且絕大多數(shù)的立體車庫采用的是鏈條牽動(dòng)，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(hù)要求較高[3]。本文設(shè)計(jì)了基于絲桿傳動(dòng)的全自動(dòng)立體式車庫，以空間利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、停取方便、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，成為解決這些問題的有效方式，因此可廣泛應(yīng)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(chǎng)所[4]。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為全自動(dòng)立體車庫的實(shí)物模型，該模型具有傳統(tǒng)的書柜式整體外觀結(jié)構(gòu)，主要由書架式整體、存車傳輸平臺(tái)、取車傳輸平臺(tái)、車位傳輸平臺(tái)、絲桿滑臺(tái)及工控機(jī)組成。本系統(tǒng)共三層設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，一層為車庫控制層，在該層邊上安裝有工控機(jī)，可進(jìn)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(gè)停車位，按從左到右編號(hào)。車庫的具體大小可根據(jù)使用環(huán)境、空間和用戶需求進(jìn)行靈活調(diào)整。存/取車傳輸平臺(tái)和車位傳輸平臺(tái)上均裝有傳送帶，通過傳輸平臺(tái)之間的相互配合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制車輛的入庫和出庫控制。絲桿滑臺(tái)通過X軸和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)存/取車傳輸平臺(tái)的左右、上下移動(dòng)，且存/取車傳輸平臺(tái)分別位于車庫的前后兩側(cè)，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，以方便車輛的存取。

圖1 全自動(dòng)立體書架式車庫的結(jié)構(gòu)圖

1.2 控制方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)方案采用三層控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即應(yīng)用層、控制層和執(zhí)行層，如圖2所示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫的智能化控制和管理。應(yīng)用層為PC端設(shè)計(jì)的上位機(jī)管理界面，可方便用戶選擇具體車位和實(shí)時(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)車庫的定位和存/取車入/出庫；執(zhí)行層1由步進(jìn)電機(jī)控制絲桿滑臺(tái)，移動(dòng)存/取車傳輸平臺(tái)至用戶選定車位；執(zhí)行層2通過光電傳感器檢測(cè)，由直流電機(jī)控制各傳輸平臺(tái)的傳送帶，完成存車入庫和取車出庫操作。

當(dāng)進(jìn)行存車入庫操作時(shí)，用戶先通過上位機(jī)界面選擇停車位，由Arduino控制絲桿滑臺(tái)分別在X軸和Y軸方向帶動(dòng)存車傳輸平臺(tái)移動(dòng)。當(dāng)車位傳輸平臺(tái)上的光電傳感器接收到存車傳輸平臺(tái)上的光電傳感器發(fā)射的光電信號(hào)時(shí)，二維平面內(nèi)定點(diǎn)控制結(jié)束，傳輸平臺(tái)上的傳送帶開始工作，移動(dòng)車輛入庫。當(dāng)收發(fā)一體的光電傳感器接收到回傳光電信號(hào)時(shí)，表明車輛停靠到位，傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(shè)計(jì)

車庫控制的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)存/取車控制，本系統(tǒng)由存車、取車和車位3個(gè)傳輸平臺(tái)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(tái)的對(duì)接，收發(fā)一體光電傳感器檢測(cè)存/取車是否到位。例如，當(dāng)進(jìn)行存車入庫操作時(shí)，用戶先在工控機(jī)上選擇車位號(hào)，由Arduino單片機(jī)控制絲桿滑臺(tái)帶動(dòng)存車傳輸平臺(tái)在X、Y軸方向移動(dòng)。當(dāng)所選車位傳輸平臺(tái)上的光電傳感器1接收到存車傳輸平臺(tái)上的光電傳感器1發(fā)射的光電信號(hào)時(shí)，傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了二維平面內(nèi)定點(diǎn)控制，傳送帶開始工作，移動(dòng)車輛入庫。當(dāng)收發(fā)一體光電傳感器1接收到回傳光電信號(hào)，表明車輛停靠到位，傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 存/取車控制

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)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(tái)控制模塊、傳輸平臺(tái)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(jī)命令；通過各模塊間相互配合，自動(dòng)完成存/取車傳輸平臺(tái)在二維平面內(nèi)的精準(zhǔn)定位和車輛的出庫/入庫操作。

2.1 絲桿滑臺(tái)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(shí)鐘為16 MHz，有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，其中6個(gè)可用作PWM輸出， 6個(gè)可用作模擬輸入[5]。絲桿滑臺(tái)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由4個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制車庫兩側(cè)絲桿滑臺(tái)在X和Y軸方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)存/取車傳輸平臺(tái)的移動(dòng)。

圖4 絲桿滑臺(tái)控制模塊電路示意圖

存/取車傳輸平臺(tái)移動(dòng)的距離可通過Arduino控制器產(chǎn)生的PWM波控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示[6]。

表1 步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)

假設(shè)車庫中每個(gè)車位的長(zhǎng)為amm，高為bmm，存車傳輸平臺(tái)的起始位置為6號(hào)車位正下方，無論選擇哪一個(gè)車位，存車傳輸平臺(tái)均可在X、Y軸上移動(dòng)后到達(dá)。假設(shè)絲桿滑臺(tái)在沿X軸方向移動(dòng)Lmm時(shí)，所需的PWM方波數(shù)n為：

(1)

式中,S為步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈絲桿滑臺(tái)時(shí)所移動(dòng)的距離，即

S=πDI

(2)

本設(shè)計(jì)中采用8細(xì)分方式。相比于一般的PID控制，本設(shè)計(jì)使用了模型預(yù)測(cè)控制算法，引入滾動(dòng)優(yōu)化，反饋矯正，多步預(yù)測(cè)等策略，有效的減少了PID控制的滯后時(shí)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，ydes為絲桿滑臺(tái)期望運(yùn)動(dòng)距離,yr為絲桿滑臺(tái)運(yùn)行軌跡，u為輸入的PWM方波數(shù)，y為絲杠滑臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離,yp為反饋矯正，ym為基于絲桿滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型的輸出。絲桿滑臺(tái)可簡(jiǎn)化為線性系統(tǒng)，對(duì)于該系統(tǒng)，總的反饋矯正為有未來控制的強(qiáng)迫響應(yīng)與無未來控制的自由響應(yīng)之和。

圖5 MPC控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(biāo)即控制增量平方與預(yù)測(cè)誤差平方的加權(quán)和取最小值。本設(shè)計(jì)使用廣義預(yù)測(cè)，t時(shí)刻的優(yōu)化性能指標(biāo)表達(dá)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(duì)象輸出的期望值;Ux為控制時(shí)域;γ(i)為控制加權(quán)系數(shù)。同時(shí)對(duì)控制信號(hào)，控制增量和輸出值做出約束：

(4)

通過實(shí)驗(yàn)可得，該MPC控制器通過預(yù)測(cè)很好地補(bǔ)償純滯后的影響，基本滿足設(shè)計(jì)要求，可以準(zhǔn)確地控制絲桿滑臺(tái)的存取操作，提高控制精度[8]。

2.2 傳輸平臺(tái)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(gè)通用I/O口[9]。傳輸平臺(tái)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(shè)計(jì)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(tái)上分別安裝有光電傳感器的發(fā)射端，在車位傳輸平臺(tái)上的對(duì)應(yīng)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(tái)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(shí)停止直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

本模塊中有存車、車位和取車3個(gè)傳輸平臺(tái)，分別由8個(gè)直流電機(jī)控制，分別接在P2.3～P2.7及P3.2～P3.4上，實(shí)現(xiàn)存/取車操作。當(dāng)指定車位的光電傳感器接收端接到信號(hào)時(shí)，STC89C52RC單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制直流電機(jī)工作，帶動(dòng)存/取車傳輸平臺(tái)與車位傳輸平臺(tái)同時(shí)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行存/取車操作，當(dāng)收發(fā)一體的光電傳感器接收到信號(hào)時(shí)，車輛停車到位，直流電動(dòng)機(jī)停止，存/取車操作結(jié)束。

圖6 傳輸平臺(tái)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(jī)進(jìn)行控制和顯示，因此，選擇了成本低、功耗低的ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi模塊進(jìn)行無線通信，它能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸[10]。當(dāng)上位機(jī)發(fā)出存車或取車命令時(shí)，上位機(jī)將包含車位信息、存/取車操作信息及車位狀態(tài)的數(shù)據(jù)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(jī)，下位機(jī)接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)其進(jìn)行解析并得到相應(yīng)的信息，隨后絲桿滑臺(tái)控制模塊根據(jù)車位信息，準(zhǔn)確定位，執(zhí)行存/取車的操作，而傳輸平臺(tái)控制模塊將執(zhí)行存/取車操作后的車位信息存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)包中的車位狀態(tài)進(jìn)行更新，通過WiFi通訊反饋給上位機(jī)。具體數(shù)據(jù)包信息如表2所示。

表2 無線通信數(shù)據(jù)包

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括絲桿滑臺(tái)和存/取車入/出庫兩個(gè)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(jī)發(fā)送的存/取車命令，控制絲桿滑臺(tái)的移動(dòng)，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的存/取車入/出庫模塊，將車輛存入相應(yīng)的車位或從預(yù)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(cè)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(cè)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(jī)發(fā)出的存/取車數(shù)據(jù)包。當(dāng)未接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，Arduino控制器一直處于休眠狀態(tài)；當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，通過中斷喚醒的方式喚醒Arduino控制器，根據(jù)車位信息計(jì)算出絲桿滑臺(tái)在車庫X軸、Y軸平移所需的PWM方波周期數(shù)，準(zhǔn)確移動(dòng)到相應(yīng)車庫位置。

當(dāng)存車傳輸平臺(tái)和車位傳輸平臺(tái)(或取車傳輸平臺(tái)和車位傳輸平臺(tái))上安裝的光電傳感器對(duì)管，實(shí)時(shí)檢測(cè)到對(duì)應(yīng)信號(hào)時(shí)，兩平臺(tái)對(duì)位準(zhǔn)確，與Arduino控制器并行的STC89C52R控制器控制直流電機(jī)帶動(dòng)傳送帶，將車輛存入預(yù)定車庫或從指定車庫取出。一旦車位傳輸平臺(tái)上安裝的收發(fā)一體光電傳感器檢測(cè)到回傳信號(hào)，說明停車到位，傳送帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)STC89C52R控制器會(huì)將車位數(shù)據(jù)包的車位狀態(tài)位置1，表示當(dāng)前車位有車，并通過ESP8266 WiFi轉(zhuǎn)串口模塊將車位數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)時(shí)反饋車庫的當(dāng)前車位信息。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

書架式立體車庫的上位機(jī)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(diǎn)[12]。本設(shè)計(jì)中開發(fā)的上位機(jī)管理界面可供用戶選擇車位，下達(dá)存車、取車操作命令。

3.2.1 通信模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)之間采用WiFi通信，通過TCP/IP控件實(shí)現(xiàn)WiFi網(wǎng)絡(luò)通信。在建立通信前，需先對(duì)控件的IP地址和遠(yuǎn)程端口等傳輸特性進(jìn)行設(shè)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(shù)據(jù)寫入控件、TCP/IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)格式均為2.3節(jié)所述的數(shù)據(jù)包格式。

圖9 存/取車系統(tǒng)

以車位1的存/取車操作為例簡(jiǎn)述具體操作過程。

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

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

此外，停/取車系統(tǒng)會(huì)周期性地接收下位機(jī)發(fā)回的數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)包后會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，提取數(shù)據(jù)包中的“車位狀態(tài)”位和“停/取車操作信息”位的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)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(jī)設(shè)計(jì)界面和存/取車入/出庫的實(shí)時(shí)狀況如圖10所示。

圖10 存/取車入/出庫上位機(jī)設(shè)計(jì)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 實(shí)物模型

根據(jù)上述控制要求及軟件設(shè)計(jì)等做出了小型實(shí)物模型，模型具體如圖11所示，立體書架式車庫整體長(zhǎng)為100 cm，寬為160 cm，高為100 cm;每個(gè)車位平臺(tái)的長(zhǎng)為33 cm，寬為20 cm，高為40 cm;絲桿滑臺(tái)的長(zhǎng)為100 cm。運(yùn)輸平臺(tái)(傳送帶)的長(zhǎng)度為20 cm;絲桿滑臺(tái)的速度為2.5 cm/s，傳送帶的速度為3 cm/s。

圖11 小型實(shí)物模型

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

本全自動(dòng)立體書架式車庫存/取車共分為12個(gè)不同過程，分別為存/取1～6號(hào)車位中汽車時(shí)的存/取過程?，F(xiàn)以1號(hào)車位為目標(biāo)車位進(jìn)行存車操作：從存車傳輸平臺(tái)動(dòng)作開始計(jì)時(shí)，至1號(hào)車位傳輸平臺(tái)上光電傳感器檢測(cè)到停車到位為止，存車時(shí)間計(jì)時(shí)結(jié)束。取車操作：從取車傳輸平臺(tái)動(dòng)作開始，至從1號(hào)車位取車成功(回到初始位置)為止，取車時(shí)間計(jì)時(shí)結(jié)束，具體數(shù)據(jù)存/取時(shí)間記錄如表3所示。

對(duì)8組測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將6個(gè)車位的存/取車時(shí)間與理論值進(jìn)行對(duì)比，求出8組數(shù)據(jù)與理論值之間的誤差平均值和存/取車時(shí)間精度存于表4中，可知各過程時(shí)間數(shù)據(jù)的精度均大于99%，系統(tǒng)運(yùn)行精度與期望情況相符。通過多次反復(fù)試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)，本全自動(dòng)立體車庫在實(shí)驗(yàn)室的模擬調(diào)試中能夠較好地完成設(shè)計(jì)要求，平穩(wěn)運(yùn)行，具有實(shí)際意義。

表3 全自動(dòng)立體書架式車庫不同車位存/取時(shí)間記錄表 單位:s

表4 測(cè)試值與理論值分析表

4.3 實(shí)際分析

我國建筑規(guī)范中對(duì)車庫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定比較復(fù)雜，主要分為4個(gè)等級(jí)。本文以小型車停車庫為例，當(dāng)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(shí)所用占地面積為73.32 m2，采用本文設(shè)計(jì)的立體式車庫停放6輛車時(shí)傳輸平臺(tái)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(tái)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(shù)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(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款新型的全自動(dòng)立體書架式車庫系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)模型采用書架式結(jié)構(gòu)，根據(jù)應(yīng)用層、控制層和執(zhí)行層這三層體系結(jié)構(gòu)，由Arduino和STC89C52RC單片機(jī)分別對(duì)絲桿滑臺(tái)和傳輸平臺(tái)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)存取，并將控制和反饋信息通過WiFi無線通信，傳輸給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車庫的管理和對(duì)車位狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示。該系統(tǒng)制作了實(shí)物模型，經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)作平穩(wěn)，存取車準(zhǔn)確可靠，提高了車庫有限空間的利用率，實(shí)現(xiàn)了車庫的智能控制和管理，是解決車位緊缺、結(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎng)合應(yīng)用和推廣，具有良好的應(yīng)用前景。