基于滾動優化的智能環形疊放立體車庫系統設計研究

劉雨青，顏明陽

（上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

0 引言

隨著汽車持有量飛速增加，停車問題越來越突出，已成為影響城市發展的重要因素之一[1]。現有的泊車位利用率低，泊車環境單一，新型的泊車設備為解決以上問題提供了很好的思路。然而目前的停車設備比較簡易，實際的空間利用率并不是很高，而且許多泊車設備操作復雜、智能化程度較低、不方便管理且用戶體驗較差[2]。比如，簡易升降式立體車庫在取車時需移動底層的車輛，這帶來極大不便，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，容易使節距變大造成脫節，并且安裝和維護要求較高[3]。

在眾多類型的泊車設備中，全自動立體式車庫是比較大型的設備，有著較高的空間利用率、管理方便和泊車方式靈活等特點，是比較典型的泊車設備[4]。因此此類設備可廣泛使用在人流密集、車位緊缺的場景[5]。本文設計了一種新型的立體車庫系統——智能環形疊放式立體車庫系統，通過Simulink仿真驗證了設計過程中運動系統控制器的穩定性；同時制作了半實物模型，設計上位機管理以及車庫運動等系統，驗證了該立體車庫系統到的可行性和平順性，最終實現了整個立體車庫系統的存取車的智能運轉、高效管理。

1 系統的整體設計方案

1.1 系統的結構設計

圖1 設計模型效果圖

本文設計的智能環形疊放立體車庫的設計模型效果圖如圖1所示，整體成六面體狀，主要是由旋轉平臺、伸縮叉合結構、升降平臺及工控機組成，設計有五層，每層有6個車位，共有30個停車位。車庫的實際大小可主要由使用環境、空間和用戶需求決定進行相應的調整。車庫系統的運動由步進電機控制，運動狀態主要分為三種:上下垂直運動，水平伸縮運動和水平旋轉運動。旋轉平臺：由步進電機帶動運載平臺進行旋轉，完成同一層不同停車位的選擇。伸縮叉合機構：由步進電機提供動力完成伸縮動作控制運載平臺在停車位中的進/出。升降平臺：由步進電機配合相關機械傳動機構完成載車平臺的升降動作，將平臺運載到對應高度以滿足不同層的停車位。工控機：由STM32F429作主控芯片，使用預先編寫的程序控制整個系統的運作，還配有人機交互屏幕和車輛識別系統，是一個典型的CNC（Computer numerical control）系統[6]。

1.2 系統整體運行方案設計

本立體車庫系統設計使用三層控制結構，即應用層、控制層和執行層，如圖2所示，實現對立體車庫的智能化控制和高效管理。應用層為PC端設計的上位機人機交互管理界面，通過WiFi方式與控制器通信，用戶可用來瀏覽車庫實時存放信息和選擇待泊停車位；控制層由用C語言編寫的STM32F429作主控芯片實現車庫準確定位、存/取車入庫/出庫等功能；執行層包括執行層1、執行層2和執行層3。執行層1由步進電機控制伸縮叉合機構，移動載車平臺進入庫位或離開車位，執行層2通過光電傳感器檢測，由步進電機控制升降平臺，搭載載車板及車輛完成上下垂直方向的運動，該運動的穩定性和精確度決定立體車庫系統運行的好壞。執行層3則是旋轉平臺的運動，該層也是由步進電機控制，根據要停的目標車位位置，由控制器計算出載車平臺需旋轉的角度，以完成最后伸縮叉合平臺的存/取車操作。

當用戶進行存車入庫操作時，首先通過上位機界面選擇對應編號的停車位，由單片機控制三臺步進電機合作完成三維空間的存/取車操作。當載車平臺隨著升降平臺在z軸方向上運動到指定高度后，由光電傳感器確定是否到達指定高度。到達目標高度后載車平臺，旋轉平臺根據運算，在xoy平面旋轉對應角度，以保證載車平臺精準對應停車位。確認停車平臺后，載車平臺隨伸縮叉合機構推送至對應的停車平臺中，觸及限位開關后，載車平臺中的載車板隨車輛停放在停車平臺中。載車平臺隨后縮回至中心位置，再經過旋轉平臺旋轉，最后經升降平臺降至地面平臺，以待下次存/取車操作。取車出庫的過程與存車入庫過程的控制方式相似。

車庫控制的關鍵是實現存/取車控制，本系統由旋轉平臺、伸縮叉合結構、升降平臺和步進電機、光電傳感器配合完成，收發一體光電傳感器實時反饋升降平臺實際在垂直方向位移，以保證升降平臺運動到位，同時配備傳感器確保載車平臺操作精準。例如，當用戶進行存車入庫操作時，首先在人機交互界面上選擇泊車位置，由STM32F429單片機控制步進電機帶動伸縮叉合結構叉取已停放待入庫車輛的載車板，經升降平臺帶動載車平臺在z軸方向上移動。當光電傳感器檢測到升降平臺運動到預期高度后，實現載車平臺的定高控制，旋轉平臺旋轉指定角度，以完成定角度控制。伸縮叉合機構停放/叉取載車板由限位開關控制完成存/取車操作。

圖2 系統方案設計圖

2 系統硬件與軟件設計

根據智能循環疊放立體車庫系統的控制要求，本系統硬件設計主要包括人機交互界面（液晶顯示屏）、3個自由度的步進電機驅動模塊和智能取車系統；軟件設計主要包括車庫信息存儲數據庫和庫位規劃策略。

2.1 人機交互界面

本系統與用戶的交互界面如圖3所示，顯示器采用7寸800×480的液晶電容觸摸屏。界面能夠實時顯示當前庫位停放狀態，紅色為已占用，綠色為未占用，黃色以500ms/次交替閃爍為正在停放或正在取車。除自動停車系統外，本固件還加有手動停車功能，可通過點擊手動按鈕，選取車位，點擊確定，完成手動停車動作，有效避免自動系統出現故障時導致系統停滯。在停/取車時，系統會在屏幕右側顯示車輛的入庫時間或出庫時間，取車時還會顯示停車時長和所需費用。

初始化界面后，用戶可選擇停車模式，包括自動模式和手動模式；當人機交互屏幕接收到停車指令，控制器獲取識別到的車輛ID和檢索入庫信息，控制指示塊顯示黃色。停車完畢后對應庫位指示塊變為紅色，庫位為占用狀態；當接人機交互屏幕收到取車指令時，顯示車輛信息和時長費用，對應指示塊顯示黃色，取車完畢后，指示塊變為綠色，庫位釋放[7]。

圖3 人機交互界面

2.2 車庫驅動模塊

2.2.1 車庫系統的電機驅動模塊

本車庫運行的動力由步進電機提供，步進電機具有精度高，可開環控制的優點。根據主控芯片給的脈沖頻率以及脈沖數，精確控制步進電機的旋轉速度、旋轉距離以及旋轉角度。該車庫系統共使用3個步進電機：其一用于z軸方向，載車平臺的升降，以選擇車層；其二用于載車平臺繞z軸的自轉，以選擇具體車位；其三用于驅動伸縮叉合機構推拉載車平臺，以完成停/取車操作。根據向3個步進電機傳達的不同指令，實現取車、上升、旋轉、停車、下降等基本操作。

2.2.2 車庫系統傳動機構

車庫系統傳動機構主要分為三個部分：平臺旋轉機構、伸縮叉合機構和平臺升降機構。三個機構配合，實現三維度運動，完成空間內任一庫位的停/取車操作，保證空間的利用率高。

平臺旋轉機構機由步進電機主軸帶動整個載車平臺旋轉，以滿足在同一高度上不同停車位的選擇。

伸縮叉合機構由步進電機配合直線軸承、光桿導軌以及有齒皮帶完成叉臺的伸縮動作，實現載車平臺上車輛的出/入庫位操作。

平臺升降機構由步進電機配合直線軸承、光桿導軌及有齒皮帶完成平臺的升降動作，在電機滿足負載的的情況下，將運載平臺托運至對應的高度抵達指定車庫層。

2.3 智能存取車系統

本車庫的智能存取車系統，體現在支持車輛識別和遠程操作，同時區分普通用戶和會員用戶。

如圖4所示，車輛識別系統模塊主要由RFID讀卡器、WIFI模塊和AS15-HF 1002C芯片構成。主單片機將系統識別到的車輛信息，反饋到人機交互界面上[8]。該模塊的主要功能：1）為每個車輛分配ID號碼，以ID為標識符鎖定車輛并管理其相關信息；2）提供兩種方便快捷的停取車方式：刷卡方式，利用RFID讀寫器搭建讀寫協同，讀取車輛信息；手機APP方式，通過ESP8266模塊建立局域網，配合手機APP實現WIFI一鍵停/取車[9]。

會員用戶使用貴賓卡后，讀卡器識別貴賓卡上的車輛信息，將車輛信息傳輸到STM32F429總控芯片上。總控器根據車輛信息，查詢數據庫中該車的停放信息。若用戶車輛停放在底層載車平臺上，系統則為該車規劃最優車位，若用戶不滿意可選擇手動模式，選擇停車庫位，停放車輛，并取最近空車車位的載車板放回入口處。若用戶的車輛已停放入庫，則用戶點擊確認取車按鈕，將該車取出，再將站板放回原處。普通用戶將車停入底層載車平臺后，手動選擇庫位并確認庫位信息。取車時需確認庫位和車牌信息，完成安全校驗后再進行取車操作。遠程操作模式只適用于會員用戶，可通過登錄APP來實現存/取車的操作。

圖4 車輛識別系統

2.4 車庫系統信息庫和庫位規劃策略

車輛存取信息數據庫是由庫位信息、車輛實時存取信息以及用戶信息構成的。在方便管理的同時，既為普通用戶提供穩定安全的停車保障，又給會員用戶帶來更人性、方便的停車體驗。

控制器在獲得待停車輛信息后，根據車輛停放時間最短的原則，依據當前庫位信息，計算出一個實時最佳默認車位，即自動尋找最優停車路徑[10]。依據上述原理，本車位的自動尋優路徑算法是采用螺旋式上升的查詢方法找尋空車位，實驗結果表明該算法效率較高[11]。具體的停車趨勢是：第一層從默認起點車位開始順時針停放車輛，停滿后再停第二層，以此類推。

3 立體車庫運載系統

3.1 電機的選型

立體車庫的功能決定了車庫系統運行的速度較低，而立體車庫運行的穩定性，要求控制器能精準控制載車板的運動狀態。載車平臺較強的負載適應能力決定了車庫運行的穩定性較高。同時立體車庫設計還須兼具成本低和魯棒性強的特點，以保證車庫系統的實用性和穩定性。相比于一般的伺服電機，步進電機的控制精度更高，而且價格低廉，在市場上廣泛使用。本立體車庫的運行速度較低，步進電機完全滿足設計要求。終上所述，本文最終使用步進電機作為系統的動力源。選用的步進電機主要參數如表1所示。

在步進電機控制系統中，當控制器給定一個電脈沖輸入信號，步進電機就會轉動一個角度，傳動機構就會移動對應距離（或是旋轉對應角度）。因為在電機的負荷范圍內，電機的轉動角度與給定的脈沖個數成正比，所以最終的運動結果可以控制的很精確。另一方面當控制器給定的脈沖頻率加大時，電機轉動的速度則會加快，從而導致車庫的運行速度加快。根據上述原理：車輛載車平臺在步進電機的控制下，位移受給定脈沖個數影響，而載車平臺的速度受給定脈沖的頻率影響。

雖然步進電機相比于伺服電機優點更多，且在大多數情況下完全可以使用開環控制來完成系統設計。但是在實際的工程設計中，尤其是在工業級的產品中，完全的開環設計是絕對禁止的[12]。步進電機在開環下有失步的風險，失步后開環系統沒有調節能力，這將導致系統控制精度下降，嚴重時系統會失控引發重大事故。因此步進電機閉環控制是系統穩定運行的必要前提。

3.2 運載系統控制器的設計

整個循環式立體車庫的車輛運載系統，主要分為4個部分：平臺垂直升降系統、平臺旋轉系統、平臺推拉系統和環境感知系統。該立體車庫的車輛運載系統結構如圖5所示。

本設計使用分層控制策略，作為車輛運載系統的控制方式，分為上位控制器和下位控制器。上位控制器決策出期望運動速度和位移（或是旋轉角度），下位控制器根據上位控制器的需求決策出相關控制量來提供相應的運動速度和位移（或是旋轉角度）。下位控制器的輸出量對應的是電機輸出的轉動速度和轉動角度。在步進電機中該項直接由電機控制器的給定脈沖個數和頻率決定，控制精度和負載能力為電機的固有屬性。因此良好的上位控制器的控制策略直接決定了運載系統的穩定性和魯棒性，進而保證了整個車庫系統安全、高效地運行。

圖5 車輛運載系統框圖

傳統的控制系統，由于步進電機的精確度高，且大多采用的是開環控制（一般情況下可以滿足系統運行要求）。但是該循環立體車庫系統，工況復雜，負載差異較大，單一的開環系統存在失步的風險系數高；并且在實際工程中為確保系統高效運行，策略里對運載系統運行速度存在期望值，因此本系統中閉環控制器也格外重要。

本文的上位控制采用MPC控制，對運動控制進行滾動時域內的優化，下位的運載系統的運動速度和運動距離（旋轉角度）則為給定脈沖的頻率和個數。仿真實驗中使用Simulink建立整個運載系統仿真模型。整個運載系統控制器的結構框圖6所示。

圖6 控制器的結構框圖

表1 步進電機主要參數

3.3 運載系統控制器選型

假設車庫中每層車位的高為amm，載車平臺的起始位置為底層車位中間位置，此處記為坐標O。當選擇任意停車位時，伸縮叉合機構叉取載車板后旋轉一定角度，并在Z軸上移動對應高度到達停車位后停放載車板。假設運載平臺在沿Z軸方向移動Lmm時，單片機需發送的PWM方波數n為：

式中，S為步進電機旋轉一周時，載車平臺位移量的理論值，即：

步進電機的運行需經過加速、勻速和減速三個基本過程，由于此類電機的轉速由脈沖的頻率決定，所以一般情況下步進電機需控制在加速階段和減速階段的轉速。目前控制策略分為直線型控制和指數型控制。直線加速型的控制方法簡單，所以使用較為廣泛。然而本文以運載車輛為背景，需要使用控制精度更高、運行更平穩的指數型控制策略[13]，以確保車庫運行的平穩性，避免因劇烈波動造成系統的不穩定，導致車輛或設備的損壞。如圖7為指數型速度控制策略示意圖。

圖7 指數型速度控制策略示意圖

本設計在采用8細分方式的基礎上，設計了基于模型預測控制的控制器，運載系統可簡化為線性系統，在滾動時域內通過反饋矯正和優化完成多步預測控制，MPC控制器簡化結構如圖8所示[14]。ydes為載車平臺期望的位移或運行速度。yr為運載平臺的運行軌跡，u為實際輸入的PWM方波數或頻率，y為運載平臺實際位移或運行速度，ym為基于運載平臺模型的輸出，yp為實際誤差和模型輸出的反饋矯正值，通過這樣一個基于滾動優化的閉環控制可保證運載系統穩定運行。

圖8 MPC控制器結構簡化圖

本文的速度與位移控制是非耦合系統，可獨立使用控制器。在進行速度控制時，根據規劃的實時速度曲線，設計控制器使系統運行速度滿足期望速度軌跡。首先建立運動的速度誤差函數，而后將其離散化，使其可以應用模型預測控制器，同時可以引入增量和松弛因子優化模型。本文的MPC控制器應用場景并不復雜，簡單的硬約束即可滿足使用情況。如果實際工況相對復雜時，可以考慮使用軟約束條件，以便避免出現求解過程中沒有可行解，影響系統運行。此設計使用了廣義預測來優化目標函數，t時刻的優化性能指標表達式如下：

表達式中x1、x2分別表示優化的初始值與終止值，ε表示系統輸出的期望值，Ux表示控制時域，γ（i）表示對應控制的加權系數。同時對控制信號，控制增量和輸出值做出約束：

為體現出MPC控制器的優越性，在實驗模型仿真時，本文同樣設計了開環控制器和PID控制器。三種控制器在對于速度軌跡跟蹤的仿真結果如圖9所示。由結果可見三種控制器最終都可以完成較好的速度跟蹤控制，雖然開環控制的最終速度曲線也沒有完全跟上速度，但均在誤差范圍內。

圖9 控制器對于速度軌跡跟蹤的仿真

如圖10所示，是三種控制器的速度跟蹤誤差曲線，可直觀的看出開環控制的誤差一直較大且速度一直不穩定，在小范圍內有振蕩；而PID和MPC控制器都可以較好的跟隨上期望速度曲線，誤差很小，速度相對穩定，幾乎沒有振蕩現象。超調量來看：PID控制和開環控制的超調量都很大，都比MPC控制器超調量大了一倍。這是在實驗仿真環節，實驗數據比較理想，而實際立體車庫系統長期在高負載工況下工作，并伴有機械結構老化的問題，若持續受到較大的超調波動沖擊，容易造成整個立體車庫系統運行不穩定，造成車庫結構自身損壞，嚴重時可能會造成不必要的財產損失。由此可見，設計需采用精度較高的MPC控制器，來保障整個立體車庫系統更加穩定、安全和高效的運行。

圖10 控制器的速度跟蹤誤差曲線

4 系統半實物測試

在實際測試環節，由于設計智能環形疊放式立體車庫的等比例實物成本過高，因此設計了按比例縮小的半實物模型如圖11所示，該模型全面的展示了整個立體車庫的設計原理，基本實現了立體車庫的設計功能。如圖12所示為立體車庫系統的電氣設備箱：該設備箱使用開關電源為設備提供能源通道；并且開刻PCB母版集成設備所需要的電子元器件；制作過程中還優化了電路設計，使整個電路能夠長期穩定的工作。

圖11 半實物模型圖

圖12 立體車庫系統的電氣設備箱

停車過程：

1）待停車輛運動到停車口的載車板上；2）伸縮叉合機構將載車板抬起；3）叉取載車板，平臺旋轉機構、伸縮叉合機構和平臺升降機構，三個機構配合，實現三維度運動，完成空間內任一庫位的停車操作；4）控制器在獲得車位信息后，根據停/取載車板時間最短的原則，依據當前庫位信息，計算出一個實時最佳默認車位，即自動尋找最優叉取載車板路徑，自動尋找最優載車板叉取至入口的砧板上。

半實物模型測試為驗證設計的立體車庫系統實際運行效果，在不同負載下對比運載平臺上升到對應層的時間，表2所示，以此體現本系統設計的控制器對不同負載情況的適應性。

表2 不同負載下運載平臺運行到對應層的時間

由實驗結果表可知，在四種負載模式下，運載平臺到達每一層的時間大致相同，都接近期望到達時間，最大誤差為0.05s，最大誤差率小于1%；且平均誤差率遠小于1%，完全滿足設計要求，系統運行精度與實際期望相符。由此可知，設計的智能環形疊放式立體車庫半實物模型是可以穩定、高效運行的，且具有較強的抗干擾性和魯棒性。這對后期設計實際的該類型立體車庫系統提供了較好的方案，具有很強的現實意義。

5 結語

本文設計了一款新型的基于滾動優化的智能環形疊放立體車庫系統，整體設計突破傳統的垂直升降立體車庫模式，采用新型環形疊放式結構，根據應用層、控制層和執行層這三層體系結構，設計了由STM32F429單片機作為主控制器，實現對載車平臺的智能控制，完成車輛的自動存取。

相比于一般的立體車庫系統，本文設計的系統具有三個運動維度，靈活性高，可直接實現車輛的智能停/取。庫位采用缺角六棱柱為主體框架的設計，共有五層，每層設有六個庫位，空間利用率較高。本設計使用基于滾動優化的MPC控制器作為主控裝置，相比于開環和PID控制器，可實現系統更加穩定、高效的運行，同時保障立體車庫有較好的抗干擾性和負載適應性，極大的改善整個系統的魯棒性。系統設計的人機交互界面和智能存/取車系統等也大大提高了用戶體驗。最后，對半實物模型進行測試，其仿真結果和模型運行結果都體現了本立車車庫系統的運行穩定、安全，存/取車友好、快捷，管理智能、高效，具有較高的市場推廣價值。