基于滚动优化的智能环形叠放立体车库系统设计研究

刘雨青，颜明阳

（上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

0 引言

随着汽车持有量飞速增加，停车问题越来越突出，已成为影响城市发展的重要因素之一[1]。现有的泊车位利用率低，泊车环境单一，新型的泊车设备为解决以上问题提供了很好的思路。然而目前的停车设备比较简易，实际的空间利用率并不是很高，而且许多泊车设备操作复杂、智能化程度较低、不方便管理且用户体验较差[2]。比如，简易升降式立体车库在取车时需移动底层的车辆，这带来极大不便，降低工作效率的同时加大了故障的风险。且绝大多数的立体车库采用的是链条牵动，链条的铰链磨损后，容易使节距变大造成脱节，并且安装和维护要求较高[3]。

在众多类型的泊车设备中，全自动立体式车库是比较大型的设备，有着较高的空间利用率、管理方便和泊车方式灵活等特点，是比较典型的泊车设备[4]。因此此类设备可广泛使用在人流密集、车位紧缺的场景[5]。本文设计了一种新型的立体车库系统——智能环形叠放式立体车库系统，通过Simulink仿真验证了设计过程中运动系统控制器的稳定性；同时制作了半实物模型，设计上位机管理以及车库运动等系统，验证了该立体车库系统到的可行性和平顺性，最终实现了整个立体车库系统的存取车的智能运转、高效管理。

1 系统的整体设计方案

1.1 系统的结构设计

图1 设计模型效果图

本文设计的智能环形叠放立体车库的设计模型效果图如图1所示，整体成六面体状，主要是由旋转平台、伸缩叉合结构、升降平台及工控机组成，设计有五层，每层有6个车位，共有30个停车位。车库的实际大小可主要由使用环境、空间和用户需求决定进行相应的调整。车库系统的运动由步进电机控制，运动状态主要分为三种:上下垂直运动，水平伸缩运动和水平旋转运动。旋转平台：由步进电机带动运载平台进行旋转，完成同一层不同停车位的选择。伸缩叉合机构：由步进电机提供动力完成伸缩动作控制运载平台在停车位中的进/出。升降平台：由步进电机配合相关机械传动机构完成载车平台的升降动作，将平台运载到对应高度以满足不同层的停车位。工控机：由STM32F429作主控芯片，使用预先编写的程序控制整个系统的运作，还配有人机交互屏幕和车辆识别系统，是一个典型的CNC（Computer numerical control）系统[6]。

1.2 系统整体运行方案设计

本立体车库系统设计使用三层控制结构，即应用层、控制层和执行层，如图2所示，实现对立体车库的智能化控制和高效管理。应用层为PC端设计的上位机人机交互管理界面，通过WiFi方式与控制器通信，用户可用来浏览车库实时存放信息和选择待泊停车位；控制层由用C语言编写的STM32F429作主控芯片实现车库准确定位、存/取车入库/出库等功能；执行层包括执行层1、执行层2和执行层3。执行层1由步进电机控制伸缩叉合机构，移动载车平台进入库位或离开车位，执行层2通过光电传感器检测，由步进电机控制升降平台，搭载载车板及车辆完成上下垂直方向的运动，该运动的稳定性和精确度决定立体车库系统运行的好坏。执行层3则是旋转平台的运动，该层也是由步进电机控制，根据要停的目标车位位置，由控制器计算出载车平台需旋转的角度，以完成最后伸缩叉合平台的存/取车操作。

当用户进行存车入库操作时，首先通过上位机界面选择对应编号的停车位，由单片机控制三台步进电机合作完成三维空间的存/取车操作。当载车平台随着升降平台在z轴方向上运动到指定高度后，由光电传感器确定是否到达指定高度。到达目标高度后载车平台，旋转平台根据运算，在xoy平面旋转对应角度，以保证载车平台精准对应停车位。确认停车平台后，载车平台随伸缩叉合机构推送至对应的停车平台中，触及限位开关后，载车平台中的载车板随车辆停放在停车平台中。载车平台随后缩回至中心位置，再经过旋转平台旋转，最后经升降平台降至地面平台，以待下次存/取车操作。取车出库的过程与存车入库过程的控制方式相似。

车库控制的关键是实现存/取车控制，本系统由旋转平台、伸缩叉合结构、升降平台和步进电机、光电传感器配合完成，收发一体光电传感器实时反馈升降平台实际在垂直方向位移，以保证升降平台运动到位，同时配备传感器确保载车平台操作精准。例如，当用户进行存车入库操作时，首先在人机交互界面上选择泊车位置，由STM32F429单片机控制步进电机带动伸缩叉合结构叉取已停放待入库车辆的载车板，经升降平台带动载车平台在z轴方向上移动。当光电传感器检测到升降平台运动到预期高度后，实现载车平台的定高控制，旋转平台旋转指定角度，以完成定角度控制。伸缩叉合机构停放/叉取载车板由限位开关控制完成存/取车操作。

图2 系统方案设计图

2 系统硬件与软件设计

根据智能循环叠放立体车库系统的控制要求，本系统硬件设计主要包括人机交互界面（液晶显示屏）、3个自由度的步进电机驱动模块和智能取车系统；软件设计主要包括车库信息存储数据库和库位规划策略。

2.1 人机交互界面

本系统与用户的交互界面如图3所示，显示器采用7寸800×480的液晶电容触摸屏。界面能够实时显示当前库位停放状态，红色为已占用，绿色为未占用，黄色以500ms/次交替闪烁为正在停放或正在取车。除自动停车系统外，本固件还加有手动停车功能，可通过点击手动按钮，选取车位，点击确定，完成手动停车动作，有效避免自动系统出现故障时导致系统停滞。在停/取车时，系统会在屏幕右侧显示车辆的入库时间或出库时间，取车时还会显示停车时长和所需费用。

初始化界面后，用户可选择停车模式，包括自动模式和手动模式；当人机交互屏幕接收到停车指令，控制器获取识别到的车辆ID和检索入库信息，控制指示块显示黄色。停车完毕后对应库位指示块变为红色，库位为占用状态；当接人机交互屏幕收到取车指令时，显示车辆信息和时长费用，对应指示块显示黄色，取车完毕后，指示块变为绿色，库位释放[7]。

图3 人机交互界面

2.2 车库驱动模块

2.2.1 车库系统的电机驱动模块

本车库运行的动力由步进电机提供，步进电机具有精度高，可开环控制的优点。根据主控芯片给的脉冲频率以及脉冲数，精确控制步进电机的旋转速度、旋转距离以及旋转角度。该车库系统共使用3个步进电机：其一用于z轴方向，载车平台的升降，以选择车层；其二用于载车平台绕z轴的自转，以选择具体车位；其三用于驱动伸缩叉合机构推拉载车平台，以完成停/取车操作。根据向3个步进电机传达的不同指令，实现取车、上升、旋转、停车、下降等基本操作。

2.2.2 车库系统传动机构

车库系统传动机构主要分为三个部分：平台旋转机构、伸缩叉合机构和平台升降机构。三个机构配合，实现三维度运动，完成空间内任一库位的停/取车操作，保证空间的利用率高。

平台旋转机构机由步进电机主轴带动整个载车平台旋转，以满足在同一高度上不同停车位的选择。

伸缩叉合机构由步进电机配合直线轴承、光杆导轨以及有齿皮带完成叉台的伸缩动作，实现载车平台上车辆的出/入库位操作。

平台升降机构由步进电机配合直线轴承、光杆导轨及有齿皮带完成平台的升降动作，在电机满足负载的的情况下，将运载平台托运至对应的高度抵达指定车库层。

2.3 智能存取车系统

本车库的智能存取车系统，体现在支持车辆识别和远程操作，同时区分普通用户和会员用户。

如图4所示，车辆识别系统模块主要由RFID读卡器、WIFI模块和AS15-HF 1002C芯片构成。主单片机将系统识别到的车辆信息，反馈到人机交互界面上[8]。该模块的主要功能：1）为每个车辆分配ID号码，以ID为标识符锁定车辆并管理其相关信息；2）提供两种方便快捷的停取车方式：刷卡方式，利用RFID读写器搭建读写协同，读取车辆信息；手机APP方式，通过ESP8266模块建立局域网，配合手机APP实现WIFI一键停/取车[9]。

会员用户使用贵宾卡后，读卡器识别贵宾卡上的车辆信息，将车辆信息传输到STM32F429总控芯片上。总控器根据车辆信息，查询数据库中该车的停放信息。若用户车辆停放在底层载车平台上，系统则为该车规划最优车位，若用户不满意可选择手动模式，选择停车库位，停放车辆，并取最近空车车位的载车板放回入口处。若用户的车辆已停放入库，则用户点击确认取车按钮，将该车取出，再将站板放回原处。普通用户将车停入底层载车平台后，手动选择库位并确认库位信息。取车时需确认库位和车牌信息，完成安全校验后再进行取车操作。远程操作模式只适用于会员用户，可通过登录APP来实现存/取车的操作。

图4 车辆识别系统

2.4 车库系统信息库和库位规划策略

车辆存取信息数据库是由库位信息、车辆实时存取信息以及用户信息构成的。在方便管理的同时，既为普通用户提供稳定安全的停车保障，又给会员用户带来更人性、方便的停车体验。

控制器在获得待停车辆信息后，根据车辆停放时间最短的原则，依据当前库位信息，计算出一个实时最佳默认车位，即自动寻找最优停车路径[10]。依据上述原理，本车位的自动寻优路径算法是采用螺旋式上升的查询方法找寻空车位，实验结果表明该算法效率较高[11]。具体的停车趋势是：第一层从默认起点车位开始顺时针停放车辆，停满后再停第二层，以此类推。

3 立体车库运载系统

3.1 电机的选型

立体车库的功能决定了车库系统运行的速度较低，而立体车库运行的稳定性，要求控制器能精准控制载车板的运动状态。载车平台较强的负载适应能力决定了车库运行的稳定性较高。同时立体车库设计还须兼具成本低和鲁棒性强的特点，以保证车库系统的实用性和稳定性。相比于一般的伺服电机，步进电机的控制精度更高，而且价格低廉，在市场上广泛使用。本立体车库的运行速度较低，步进电机完全满足设计要求。终上所述，本文最终使用步进电机作为系统的动力源。选用的步进电机主要参数如表1所示。

在步进电机控制系统中，当控制器给定一个电脉冲输入信号，步进电机就会转动一个角度，传动机构就会移动对应距离（或是旋转对应角度）。因为在电机的负荷范围内，电机的转动角度与给定的脉冲个数成正比，所以最终的运动结果可以控制的很精确。另一方面当控制器给定的脉冲频率加大时，电机转动的速度则会加快，从而导致车库的运行速度加快。根据上述原理：车辆载车平台在步进电机的控制下，位移受给定脉冲个数影响，而载车平台的速度受给定脉冲的频率影响。

虽然步进电机相比于伺服电机优点更多，且在大多数情况下完全可以使用开环控制来完成系统设计。但是在实际的工程设计中，尤其是在工业级的产品中，完全的开环设计是绝对禁止的[12]。步进电机在开环下有失步的风险，失步后开环系统没有调节能力，这将导致系统控制精度下降，严重时系统会失控引发重大事故。因此步进电机闭环控制是系统稳定运行的必要前提。

3.2 运载系统控制器的设计

整个循环式立体车库的车辆运载系统，主要分为4个部分：平台垂直升降系统、平台旋转系统、平台推拉系统和环境感知系统。该立体车库的车辆运载系统结构如图5所示。

本设计使用分层控制策略，作为车辆运载系统的控制方式，分为上位控制器和下位控制器。上位控制器决策出期望运动速度和位移（或是旋转角度），下位控制器根据上位控制器的需求决策出相关控制量来提供相应的运动速度和位移（或是旋转角度）。下位控制器的输出量对应的是电机输出的转动速度和转动角度。在步进电机中该项直接由电机控制器的给定脉冲个数和频率决定，控制精度和负载能力为电机的固有属性。因此良好的上位控制器的控制策略直接决定了运载系统的稳定性和鲁棒性，进而保证了整个车库系统安全、高效地运行。

图5 车辆运载系统框图

传统的控制系统，由于步进电机的精确度高，且大多采用的是开环控制（一般情况下可以满足系统运行要求）。但是该循环立体车库系统，工况复杂，负载差异较大，单一的开环系统存在失步的风险系数高；并且在实际工程中为确保系统高效运行，策略里对运载系统运行速度存在期望值，因此本系统中闭环控制器也格外重要。

本文的上位控制采用MPC控制，对运动控制进行滚动时域内的优化，下位的运载系统的运动速度和运动距离（旋转角度）则为给定脉冲的频率和个数。仿真实验中使用Simulink建立整个运载系统仿真模型。整个运载系统控制器的结构框图6所示。

图6 控制器的结构框图

表1 步进电机主要参数

3.3 运载系统控制器选型

假设车库中每层车位的高为amm，载车平台的起始位置为底层车位中间位置，此处记为坐标O。当选择任意停车位时，伸缩叉合机构叉取载车板后旋转一定角度，并在Z轴上移动对应高度到达停车位后停放载车板。假设运载平台在沿Z轴方向移动Lmm时，单片机需发送的PWM方波数n为：

式中，S为步进电机旋转一周时，载车平台位移量的理论值，即：

步进电机的运行需经过加速、匀速和减速三个基本过程，由于此类电机的转速由脉冲的频率决定，所以一般情况下步进电机需控制在加速阶段和减速阶段的转速。目前控制策略分为直线型控制和指数型控制。直线加速型的控制方法简单，所以使用较为广泛。然而本文以运载车辆为背景，需要使用控制精度更高、运行更平稳的指数型控制策略[13]，以确保车库运行的平稳性，避免因剧烈波动造成系统的不稳定，导致车辆或设备的损坏。如图7为指数型速度控制策略示意图。

图7 指数型速度控制策略示意图

本设计在采用8细分方式的基础上，设计了基于模型预测控制的控制器，运载系统可简化为线性系统，在滚动时域内通过反馈矫正和优化完成多步预测控制，MPC控制器简化结构如图8所示[14]。ydes为载车平台期望的位移或运行速度。yr为运载平台的运行轨迹，u为实际输入的PWM方波数或频率，y为运载平台实际位移或运行速度，ym为基于运载平台模型的输出，yp为实际误差和模型输出的反馈矫正值，通过这样一个基于滚动优化的闭环控制可保证运载系统稳定运行。

图8 MPC控制器结构简化图

本文的速度与位移控制是非耦合系统，可独立使用控制器。在进行速度控制时，根据规划的实时速度曲线，设计控制器使系统运行速度满足期望速度轨迹。首先建立运动的速度误差函数，而后将其离散化，使其可以应用模型预测控制器，同时可以引入增量和松弛因子优化模型。本文的MPC控制器应用场景并不复杂，简单的硬约束即可满足使用情况。如果实际工况相对复杂时，可以考虑使用软约束条件，以便避免出现求解过程中没有可行解，影响系统运行。此设计使用了广义预测来优化目标函数，t时刻的优化性能指标表达式如下：

表达式中x1、x2分别表示优化的初始值与终止值，ε表示系统输出的期望值，Ux表示控制时域，γ（i）表示对应控制的加权系数。同时对控制信号，控制增量和输出值做出约束：

为体现出MPC控制器的优越性，在实验模型仿真时，本文同样设计了开环控制器和PID控制器。三种控制器在对于速度轨迹跟踪的仿真结果如图9所示。由结果可见三种控制器最终都可以完成较好的速度跟踪控制，虽然开环控制的最终速度曲线也没有完全跟上速度，但均在误差范围内。

图9 控制器对于速度轨迹跟踪的仿真

如图10所示，是三种控制器的速度跟踪误差曲线，可直观的看出开环控制的误差一直较大且速度一直不稳定，在小范围内有振荡；而PID和MPC控制器都可以较好的跟随上期望速度曲线，误差很小，速度相对稳定，几乎没有振荡现象。超调量来看：PID控制和开环控制的超调量都很大，都比MPC控制器超调量大了一倍。这是在实验仿真环节，实验数据比较理想，而实际立体车库系统长期在高负载工况下工作，并伴有机械结构老化的问题，若持续受到较大的超调波动冲击，容易造成整个立体车库系统运行不稳定，造成车库结构自身损坏，严重时可能会造成不必要的财产损失。由此可见，设计需采用精度较高的MPC控制器，来保障整个立体车库系统更加稳定、安全和高效的运行。

图10 控制器的速度跟踪误差曲线

4 系统半实物测试

在实际测试环节，由于设计智能环形叠放式立体车库的等比例实物成本过高，因此设计了按比例缩小的半实物模型如图11所示，该模型全面的展示了整个立体车库的设计原理，基本实现了立体车库的设计功能。如图12所示为立体车库系统的电气设备箱：该设备箱使用开关电源为设备提供能源通道；并且开刻PCB母版集成设备所需要的电子元器件；制作过程中还优化了电路设计，使整个电路能够长期稳定的工作。

图11 半实物模型图

图12 立体车库系统的电气设备箱

停车过程：

1）待停车辆运动到停车口的载车板上；2）伸缩叉合机构将载车板抬起；3）叉取载车板，平台旋转机构、伸缩叉合机构和平台升降机构，三个机构配合，实现三维度运动，完成空间内任一库位的停车操作；4）控制器在获得车位信息后，根据停/取载车板时间最短的原则，依据当前库位信息，计算出一个实时最佳默认车位，即自动寻找最优叉取载车板路径，自动寻找最优载车板叉取至入口的砧板上。

半实物模型测试为验证设计的立体车库系统实际运行效果，在不同负载下对比运载平台上升到对应层的时间，表2所示，以此体现本系统设计的控制器对不同负载情况的适应性。

表2 不同负载下运载平台运行到对应层的时间

由实验结果表可知，在四种负载模式下，运载平台到达每一层的时间大致相同，都接近期望到达时间，最大误差为0.05s，最大误差率小于1%；且平均误差率远小于1%，完全满足设计要求，系统运行精度与实际期望相符。由此可知，设计的智能环形叠放式立体车库半实物模型是可以稳定、高效运行的，且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。这对后期设计实际的该类型立体车库系统提供了较好的方案，具有很强的现实意义。

5 结语

本文设计了一款新型的基于滚动优化的智能环形叠放立体车库系统，整体设计突破传统的垂直升降立体车库模式，采用新型环形叠放式结构，根据应用层、控制层和执行层这三层体系结构，设计了由STM32F429单片机作为主控制器，实现对载车平台的智能控制，完成车辆的自动存取。

相比于一般的立体车库系统，本文设计的系统具有三个运动维度，灵活性高，可直接实现车辆的智能停/取。库位采用缺角六棱柱为主体框架的设计，共有五层，每层设有六个库位，空间利用率较高。本设计使用基于滚动优化的MPC控制器作为主控装置，相比于开环和PID控制器，可实现系统更加稳定、高效的运行，同时保障立体车库有较好的抗干扰性和负载适应性，极大的改善整个系统的鲁棒性。系统设计的人机交互界面和智能存/取车系统等也大大提高了用户体验。最后，对半实物模型进行测试，其仿真结果和模型运行结果都体现了本立车车库系统的运行稳定、安全，存/取车友好、快捷，管理智能、高效，具有较高的市场推广价值。