基于微處理器系統的智能化小區立體停車系統設計

李天放，直金達，許旺蓓

基于微處理器系統的智能化小區立體停車系統設計

李天放1，直金達2，許旺蓓1

（1.天津理工大學 工程訓練中心，天津 300384；2.北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

微處理器系統在模塊化控制上具有著無可比擬的優勢。本文針對小區停車的難點與痛點，對液壓升降式車庫的原理進行了分析與改進。此外利用視覺識別、射頻識別技術，并輔以針對小區特點的存取車規劃控制策略，可完成對小區車輛存取的系統化智能化控制。將模塊化控制、升降式車庫、智能化控制系統三者的結合所形成的小區停車系統，有著較高的空間利用率、較好的可擴展性，能較好地解決停車難問題。

立體車庫；智能化；模塊化；小區停車；微處理器

近年來，我國城市停車問題日益突出，小區停車難、停車亂更是急需解決的問題。目前小區中主要以平面停車位為主，在小區內部地上或地下空間畫線停車，但此類停車方式占地面積較大，小區面積有限，大多數小區平面停車場均不能滿足住戶的停車需求[1]。而現有的立體停車解決方案大多缺少創新性、系統性，且存在著能源利用效率不高、存取車效率不高、存取車流程過于繁瑣等一系列問題。

本文設計了一種由微處理器系統控制的液壓驅動立體停車庫，并經由射頻識別和視覺識別系統輔助控制來實現智能控制，進而可有效解決小區“停車難”問題。

1 小區智能停車庫設計方案概述

1.1 小區停車庫現狀

目前機械式停車設備可分為：升降橫移類、垂直循環類、水平循環類、多層循環類、平面移動類、巷道堆垛類、垂直升降類、簡易升降類[2]。絕大多數立體車庫由于體積龐大、存取車效率低、噪聲大、成本高等原因并不適合在小區中使用。故目前大多數小區采用平面停車場的方式停車，少部分小區采用簡易升降式停車庫[3]。

1.2 問題描述

簡易升降式停車庫成本低、占地小，適合小區設立，但其對車位數的提升效果并不明顯，難以解決小區“停車難”問題。經過調研分析，要解決小區停車難主要需解決以下幾個問題：

（1）增大空間利用效率。小區內空間寸土寸金，要盡量保證較高的利用率。

（2）提高存取車效率。小區內車輛的存取高峰一般集中在固定的時間點，因而需要保證存取車效率足夠高，盡量保證能有多車輛同時完成存取操作。

（3）降低運行成本。能源利用率過低、人工成本過高，都是現有停車系統的痛點所在。

解決小區停車難問題，便是追求以上三個問題的平衡。現階段也存在著一些可一定程度提升停車數量的立體車庫設計，然而其繁瑣低效的存取車效率以及較低的能源利用效率導致其很難在生活中得到應用。

1.3 技術矛盾分析

針對上述問題，在兼顧了上文所提到的三個問題的平衡解決的前提下，本文提出的解決方案如下：

（1）設計一種建設、運行成本低，存取過程足夠簡單的模塊化立體停車庫；

（2）以（1）所設計的車庫模塊為基礎，將車庫與車庫縱向首尾相連成車庫列，再將車庫列與車庫列并列排放，利用滑輪原理提高車庫提升高度，增加車位；若想進一步提高空間利用率，可將車庫頂部充當行車道，構成地下立體車庫系統。

（3）以（2）中的立體車庫系統為基礎，構建智能車庫管理系統，使其能夠完成無人值守的高效存取操作，并在多用戶同時存取時為其規劃行為。

2 停車系統設計方案

小區停車時，各業主都有“長期、穩定的停車位”的需求，因而采用了“專車專位”的原則來完成存取車流程的優化設計，這樣產品在擴大了停車庫容量的同時又解決了存取車高峰時段“車位難尋”的問題。車庫出入口皆為單向通道，如圖1所示。

圖1 車庫整體規劃俯視圖

該停車系統無論放置于地上還是地下，都有優勢：將該系統置于地上，可保證較低的建設成本，工期較短；若為了進一步提高空間利用率，可將車庫的外圍框架固定在地下的升降井墻上，當有車主執行存取車操作時，車庫升起，完成存取車操作后，車庫降至地下，車庫最頂層可作為路面使用。與此同時，車庫整體在車庫列與車庫列之間設置人行道，人行道兩側安裝有護欄，護欄在每個車位處安裝有水平移動的柵欄門，方便將車開到載車板上后，車主及其他乘客安全地離開載車系統，且盡可能的節省空間。如圖2所示。

圖2 停車系統布置方式示意圖

2.1 模塊化升降式車庫提升裝置的改進

目前市場上簡易升降式停車庫基本為四缸直頂式、2～3層，提升距離3～4 m。為提升單個車庫容量，設計單個停車庫容量為三輛，由于車庫頂部需充當行車道，故頂部不能停放車輛，根據設計尺寸，從車庫底部至地面為6008 mm。根據GB 2349－1980《液壓氣動系統及元件——缸活塞行程系列》[13]中對于液壓缸活塞行程的要求，如表1所示，若依舊采用四缸直頂式結構需訂制非標液壓缸，將花費較多成本，故需要對車庫的提升系統結構進行改進。

表1 液壓缸活塞行程系列表

改進方案如下：整體框架固定在升降井墻上，車庫廂體兩側設置液壓缸，由四缸轉為兩缸[4]。油缸固定在框架側底部上，活塞桿上兩端有裝槽輪的滑輪軸。工作時，油缸內注入壓力油，活塞桿向上伸，活塞缸上的槽輪向上拉動板式起重鏈條，起重鏈條拉動車庫整體上升，根據功不變原理，液壓缸的負載變為原來的兩倍，相應的行程也增至兩倍。以此類推，油缸排出壓力油，活塞桿縮回，車庫下降[5]。

液壓缸選擇：因車庫底部至地面為6008 mm，故行程≥3004 mm，取＝3100 mm。

油缸柱塞直徑的確定如下。

根據《機械設計手冊》[14]對壓桿穩定性的規定可知：

從而可以推導出：

式中：為工作安全系數；n為壓桿穩定安全系數；F為壓桿穩定臨界載荷，N/mm2；為工作載荷，N/mm2；為彈性模量，N/mm2；為壓桿橫截面慣性矩，mm4；為壓桿的長度系數；為壓桿長度，mm；為壓桿直徑，mm。

根據GB 17907－2010《機械式停車設備安全要求》[12]中對液壓系統安全系數的要求，n

取4。總質量為：

式中：取9.8m/s2；空為車庫本身的重量，kg；車為一輛整車重量，kg。

依據停車設備安全要求以及GB 50017-2003[15]《鋼結構設計規范》的設計要求，取：空＝3261.78 kg，車＝1500 kg。

根據GB 17907－2010《機械式停車設備安全要求》[12]中對各機構的安全要求，取彈性模量＝211 GPa，長度系數取1（兩端鉸支），取3100 mm。代入可得：

≥73.2 mm

根據GB 2349－1980《液壓氣動系統及元件——缸活塞行程系列》對液壓缸尺寸的要求，決定采用80型液壓缸，數量為2，液壓缸具體參數如表2所示。

表2 液壓缸活塞行程系列表

市面上常見的升降式停車庫以及本文改進設計后的停車庫原理如圖3所示。

改進后的車庫雖然行程增加，但由于車庫原有的每層四點受力變為了只有底部兩點受力，且車庫與車輛重量較大，會出現穩定性問題，在上升過程中車庫可能會與車庫側部發生刮擦，故在外框架內需設置可沿其上下滑動的四個滑軌，以達到穩定車庫運動的目的。車庫底盤及滑軌滑塊設置位置[6-7]如圖4所示。

2.2 液壓系統及其控制設計

液壓系統結構如圖5所示。

在車庫墻壁設置帶有檢測孔位置檢測裝置如圖6所示，光電傳感器發出的光線通過檢測孔時光強會發生變化，從而會產生光電脈沖，通過單片機對光電脈沖進行計數，從而計算出車庫的位移量，再通過對單片機的編程可以控制車庫升至相應位置[9]。

圖3 停車庫原理圖

圖5 液壓系統結構示意圖

在車庫上設置速度傳感器，將傳感器輸出的信號傳入到微處理器系統中，再由微處理器系統將控制信號傳遞給相應控制閥，從而形成一個閉環控制系統。控制原理如圖7所示，如果因為載荷不平衡，導致液壓缸上升不一致，可通過微處理器系統控制上升較快的換向閥斷電，由于單向閥具有背壓功能，會使上升速度快的油缸減速，從而達到兩缸同步的目的[9-11]。

圖6 傳感器設置示意圖

圖7 液壓系統控制原理圖

工作原理如下：

上升時：液壓泵2工作，換向閥8、10通電，換向閥5斷電。液壓泵2將液壓油的壓力進行提升，油液經濾油器、單向閥4、換向閥8和10后進入液壓缸，驅動車庫上升。到位時，由微處理器系統控制換向閥8、10斷電，由于換向閥內置單向閥，故液壓換向閥斷電后車庫會停留在原位置，不會下降[8]。

下降時：由于本車庫在空載時質量空＝3261.78 kg，至少可產生5.1 MPa壓力，根據GB 17907－2010《機械式停車設備安全要求》[12]可以達到使用要求。所以，用車庫自身重量驅動液壓系統下降完全可行。下降時，由微處理器系統控制換向閥8、10、5和節流閥6，使油液流回油箱。下降速度由微處理器系統調節節流閥6來進行控制。此外，當換向閥5、8、10通電后，液壓缸亦會在車庫自身的重力作用下獲得向下的加速度。

2.3 存取車效率校核計算

以每個單獨車庫存車三輛、單個車庫列含有三個獨立存車庫為例。按照設計液壓缸上升速度0.1 m/s、每層車庫高2 m計算，車庫上升速度為0.2 m/s。最下層車庫升至地面約為30 s，中層約為20 s，頂層約為10 s。車庫下降速度可由液壓系統節流閥設定，按車庫下降速度0.3 m/s計算，最下層車庫降至原位約為20 s，中層約為14 s，頂層約為7 s。以此數據計算，若車庫內停滿車輛，或全部車輛停放至車庫內最長需要5～6 min。系統會記錄每個車位車主的存取時間，通過車庫一段時間的統計數據可以根據每個車主不同的出行和返回時間對車主的車位進行調整，將出行時間相似的車主車位分布在不同的車庫列，由此可以進一步提高車庫的存取效率，且幾乎不會所有車主集中在同一時間存取車輛，故早晚高峰存取車的時間平均可以在3 min以內。

3 車庫智能控制系統設計

3.1 系統整體控制流程的設計

由于整個停車系統中，升降式停車庫的動力源自動化控制與識別系統的算法實現對于處理器的運算能力要求不同，因而需要針對不同的模塊，選用不同的方法進行控制。整體系統的控制思路流程如圖8所示。

圖8 整體控制流程思路

在整個智能停車系統中，車庫的液壓動力控制、備用電源、車庫上的傳感器、車庫的顯示屏模塊、刷卡模塊等一系列模塊，由于其需計算的數據量較小、邏輯性較強、對穩定性的要求較高，與此同時出于成本控制的考慮，可以選用微處理器來完成對這些模塊的控制。對于智能停車系統所不可或缺的智能身份識別模塊，希望通過智能車牌識別＋刷卡輔助識別兩種方式的并存來實現。視覺模塊的數據計算量和處理量要大許多，對處理器的計算能力要求也增大了許多，因而采用計算機/服務器作為上位機，視覺識別模塊可將需處理的信息傳給計算機，計算機完成車牌識別的運算與識別過程后，判斷是否屬于本小區業主的車牌，進而將是否放行的指令發送給微處理器系統，由微處理器系統執行抬桿放行、車庫升降等一系列操作。除此之外，在引入了計算機作為上位機后，也可以更方便地匯總多個小區的車位使用情況，利用各小區車輛駛出高峰與駛入高峰的數據，可有效地輔助城市進行更好的交通規劃等。

3.2 存取車流程的優化設計

當車主將車開到正確車庫列前，視覺系統識別出車輛車牌，并與數據庫中已有車牌進行對比，完成識別、判定該車是否屬于本小區車主后，將是否抬桿、是否升降車庫以及顯示屏提示信息輸出給微處理器系統，由微處理器系統控制相應車庫升起，升起完畢后，控制入口欄桿升起，車輛駛入車庫，入口欄桿放下。而后車主確認停車完成，離開車庫，在人行道的刷卡處刷卡，車庫下降至地面下，存車結束。取車過程與之類似，車主在相應車庫旁側的刷卡處刷卡，相應車庫升起，當車輛行至出口時，視覺系統識別車輛并將欄桿抬起，車輛駛出后欄桿與車庫降下。出于安全和系統的考慮，同一車庫列在同一時間內只能存取一輛車。如圖9、圖10所示。

3.3 車牌識別系統的引用

本文在識別車主時，采用了車牌視覺識別系統。車牌識別系統包括分別與控制器連接的觸發設備、攝像設備、照明設備、圖像采集設備及車牌號碼識別設備，其原理如圖11（a）所示。升降欄桿的控制電機與控制器連接，當車輛檢測部分檢測到車輛到達時，觸發圖像采集設備，采集當前的視頻圖像。由上位機對圖像進行處理，定位出牌照位置，再將牌照中的字符分割出來進行識別，然后組成牌照號碼，并與后臺所錄入的小區車主車牌信息進行比對。比對完成后，若是本小區車主，則提示放行，并將相應信息傳遞給控制器，控制器控制升降欄桿自動升降，使得相應車主在駛至相應車庫列前車庫可以自動升起，使得業主能將車停至其車庫內，在車輛駛出后車庫可以自動降至地下，并且防止無關車輛誤入車庫；若非本小區車主，則提示非本小區車主不得放行，欄桿不升起。針對該模塊的建模仿真實驗效果如圖11（b）所示。

圖9 存車流程圖

3.4 射頻識別技術的引用

射頻識別技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

引入射頻識別技術的目的亦是輔助停車庫進行自動化控制，其作用為當車主將車駛入相應車庫并確認安全后，在側部刷卡，閱讀器將信號傳輸給控制系統，控制系統控制車庫下降，并在車庫下降至與地面平齊時允許下輛車駛入（如有車輛等待）。在車主需取車時，只需在閱讀器前刷卡，在同一車庫列無其他存取車的情況時，相應車庫會自動升起，車主便可將車輛駛出車庫。

圖10 取車流程圖

4 結論

本文將簡易升降式停車庫原有的升降系統通過增加滑輪來增加提升距離，提高單個車庫容量。并將多個簡易升降式停車庫有機組成一個系統，極大地減少了行車道的面積，使土地利用率較之前提升3.5倍以上。通過制作模型發現，該方案具有可行性和實際應用價值，具有以下幾點創新：

（1）車庫采取串聯方式連接在一起，存取車更加方便，不需要倒車入庫或側方位停車。

（2）車庫頂層充當行車道，車庫列更加緊密地連接在一起，無需為每一個車庫列專門設置存取車通道，相對于普通停車場的布局來講同一層容量更大。

（3）充分利用地下空間，在非存取車時，車庫內部相當于一個密封空間，可以有效降低車輛被惡劣氣候、人為損壞以及丟失的風險。

圖11 車牌視覺識別系統原理及效果

（4）操作簡單便捷。目前市場上已有的小型停車裝置不論取車存車都需要用戶下車操作兩次，而本作品只需刷一次卡即可。

（5）模塊化設計更加貼近實際，可以根據不同小區的不同位置靈活布局。

（6）擴展性好，整個控制系統由微處理器系統控制，后期可加入更多功能。可將存取車數據處理后用于分析城市一些交通狀況，為城市規劃提供建議。

（7）智能度高。識別車輛身份、控制車庫起降、安排停車順序、存取車等各環節皆由系統自行完成，無需人力控制看守。

（8）多重保障，安全系數高。動力源方面，在設置液壓起降的基礎上，留有備用電機方案，由備用電源驅動，防止由供電帶來的車主被困風險；讀卡出現問題時，則可通過控制系統中預留的按鈕組，由物業人員手動控制指定車庫起降；多重動力、多重控制邏輯，最大限度地保證車主的安全和車庫的使用。

本設計結構簡單，存取車便捷，可使普通小區車位總量提升三倍以上，性價比高，后期維護方便。能夠解決一般小區“停車難”問題，有良好的市場前景。

[1]文斐. 智能停車場案例分析[J]. 智能建筑與智慧城市，2018（3）：80-82.

[2]王一行. 基于PLC的智能立體停車場控制系統研究[D]. 吉林：吉林建筑大學，2014.

[3]丁銳. 智能停車場車位檢測和車牌識別系統的研究[D]. 武漢：武漢工程大學，2016.

[4]郝云鵬. 雙缸液壓電梯的設計[J]. 沈陽航空工業學院學報，1996，13（2）：85-87.

[5]賈同威. 便捷升降式地下立體停車庫的設計及研究[D]. 成都：西南石油大學，2016.

[6]劉鑫培. 一種大噸位電梯轎廂架穩健可靠性優化設計[D]. 蘇州：蘇州大學，2008.

[7]陳婧，田懷文. 大型垂直循環橫向平移立體車庫的結構設計及穩定性分析[J]. 機械設計，2013，30（5）：67-70.

[8]應秀華. 閥控液壓電梯單片機速度控制系統的研究[D]. 杭州：浙江大學，2002.

[9]李晶. 基于C8051單片機的液壓電梯速度控制系統設計[J]. 中國工程機械學報，2006，4（1）：64-67.

[10]劉忠. 基于PLC的多層液壓電梯控制系統設計[J]. 常熟理工學院學報，2014，28（4）：92-94.

[11]楊麗霞. 液壓電梯液壓系統及現場檢測方法研究[J]. 硅谷，2014（19）：41-42.

[12]GB 17907－2010，機械式停車設備通用安全要求[S].

[13]GB 2349－1980，液壓氣動系統及元件——缸活塞行程系列[S].

[14]成大先. 機械設計手冊[M]. 6版. 北京：化學工業出版社，2017.

[15]GB 50017－2003，鋼結構設計規范[S].

Design of Intelligent Residential Stereo Parking System Based on Microprocessor System

LI Tianfang1，ZHI Jinda2，XU Wangbei1

( 1.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2.School of Mechanical Engineering, University of Science and Technology, Beijing 100083, China )

Microprocessor system has unparalleled advantages in modular control. In this paper, the principle of hydraulic lifting garage is analyzed and improved in view of the difficulties and pain points of parking in residential communities. In addition, the systematic intelligent control of the vehicle access in the residential community are realized by using visual identification, radio frequency identification technology and the planning and control strategy of vehicle access based on the characteristics of the community. The residential parking system formed by modular control, lifting garage and intelligent control system shows high space utilization rate, good scalability, and can better solve the problem of parking.

stereo garage；intelligent control；modularization；residential parking；microprocessor

TP271

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.12.006

1006－0316 (2020) 12－0036－08

2019－09－24

大學生創新創業訓練項目（201810060016）

李天放（1997－），男，遼寧錦州人，主要研究方向為機電傳動與控制，E-mail：ltf2015@foxmail.com；直金達（1995－），男，北京人，主要研究方向為機械設計；許旺蓓（1986－），女，天津人，碩士，工程師，主要研究方向為機械制造。