庭院门八字开智能电动机的简单介绍

冯麟皓1 王 琪1 陈远华2

1 江苏科技大学机电与动力工程学院 张家港 215600 2 江苏神农灭菌设备股份有限公司 张家港 215600

摘 要：介绍一种二层可转位的基于物联网的升降立体车库的设计，其四连杆设计能够自由存取停放车辆采用经典的四连杆升降结构，智能系统和人脸识别系统使传统机械化车库变为能够进行身份认证、使用安全的智能车库。系统的测试结果表明：该立体车库系统能满足小区私人庭院式住户的停车需求，对立体车库智能化的发展具有较高的应用价值。

关键词：二层可转位立体车库；智能系统；连杆机构；人脸识别系统

中图分类号：TU248.3 文献标识码：B 文章编号：1001-0785（2020）21-0071-06

0 引言

目前，随着我国汽车工业的迅速发展，拥有私家车的家庭越来越多，有些家庭甚至拥有两辆或更多的汽车，因此很难将车辆集中停放，给停取车带来不便。此外，由停车而引发的静态交通（车辆停放状态）问题[1] 无疑给小区和城市的停车带来困难。

根据国内外早期对于立体车库的研究，立体车库最早为1920 年美国设计的机械式升降车库[2]，对车库进行单一的机械性控制，缺乏安全性保证和自动化控制。目前，随着机械电气自动化、计算机智能技术等的大力发展，立体车库的结构设计也变得多样化。目前，现有立体停车库大致分为俯仰双层式、单柱单臂升降旋转式、桥式无避让式等[3-5]，但其结构都存在一定缺：车库占地面积较大，成本较高，不具有人脸识别认证[6]、防误入等安全性较高的功能，无法满足生活智能化的需求 [7，8] 。

为解决现代社会对于智能车库的需求，本文提出一种新型二层可转位庭院式框架升举无避让停车系统：采用新型四连杆框架结构，停取车可同时进行，快捷方便。同时加入人脸识别模块，配合手机远程控制实现对车辆集中的智能存取。

1 立体车库的结构设计

无避让双层立体停车库采用经典的四连杆升降结构，在确保安全性与稳定性的同时，避免了传统单柱单臂类立体停车设备[9，10] 在其自激惯性力的作用下产生的变形失效。该车库主要应用于车主固有车位或小区公共停车位的改造[11]，其双层结构能够更好地进行空间利用，解决停车难的问题。

1.1 机械结构设计

如图1 所示，立体停车库主要由基座、平行布置在升降机构顶端的两根载重梁、立柱、升降机构之间的基座上竖立有支撑座、卷扬机、第一电机及拉索、定滑轮、安装在载车架上的旋转机构及安装在旋转机构上的载车板、齿条等部分组成。

1. 基座 2. 载重梁 3. 立柱 4. 支撑座 5. 卷扬机 6. 第一电机及拉索 7. 定滑轮 8. 旋转机构及载车板 9. 齿条

图1 立体车库结构

1.2 升降机构

如图2 所示，立柱的上、下两端分别与载重梁和基座铰接，使载重梁、立柱及基座三者之间组成车库的平行四边形结构。在卷扬机与升降机构之间的基座上竖立有支撑座，在支撑座顶端安装有定滑轮，定滑轮的高度与立柱和拉索的连接位置等高，所述拉索绕在定滑轮上。固定在基座上的卷扬机通过放松或是拉紧固定在立柱上部的拉索，为升降机构提供动力，使平行四边形双摇杆机构稳固地移动。

图2 平行四边形双摇杆升降机构

1.3 载车台旋转平移机构

如图3 所示，载车板固定在旋转盘上，旋转盘固定在载车架上。车架和载重梁通过齿条连接，固定在载车架上的电机和减速器通过联轴器连接，带动车架移动，实现车辆的移动。旋转盘通过键与减速器的输出轴连接，电机的输出轴通过联轴器与第三减速器的输入轴连接。

图3 载车板示意图

1.4 存取车过程

1）存车过程

如图4 所示，车主驾车驶入载车台后下车，通过手机端软件按下存车按钮，进行人车误入装置检测，声光提示系统打开。启动基座电机，收紧拉索，载车台上升至行程极限位置，触发行程开关，旋转90°，并移动至初始位置，进行自锁，电动机停止工作，完成停车。

图4 存车过程示意图

2）取车过程

车主按下取车按钮，进行人车误入装置检测，声光提示系统打开；载车台电机启动，载车台平移至行程极限位置，载车台旋转90°；基座电动机启动，卷扬机开始工作，放松拉索，载车台下降，立柱转动至水平状态，基座电动机停止工作，卷扬机停止工作；车主驾车驶出载车台，载车台上升，载车台旋转90°，载车台移动复位，完成取车。

2 控制系统的设计

硬件系统包括人脸识别模块、无线传输模块、电机驱动模块、语音播报模块、红外识别模块、人机交互模块以及传感器模块等。选用STM32F103 单片机作为核心控制器，其高达512K 的Flash 能够使程序高效快速运行。

2.1 硬件设计

1）人脸识别模块

人脸识别模块采用OPenMv4-Cam-H7 摄像头，内置ARM-Cortex-M7 处理器拥有高达400 MHz 的主频，能够迅速对采集的图像进行处理，将采集的特征图像与云端保存的数据进行对比，完成身份识别。

2）人机交互模块

当用户在手机端进行存取操作时，手机小程序会进行状态显示，系统将通过扬声器语音提示车主，同时传感器工作，并提醒车主进行安全确认：车辆是否已停入规定区域、是否已拉手刹、是否已锁好车辆等。

3）传感器模块

由于机械结构长时间使用会存在误差，本车库采用位置传感器和行程开关分别作为连杆升降机构和水平旋转机构的传感器，位置传感器设计在第二层升降区域的四周，行程开关在水平导轨的末端，当平台移动到末端后会触发行程开关，弹出挡杆，对载车板进行自锁。同时红外传感器和光电传感器布置在停车平台的四周，防止存取车时误入。图5 所示为位置传感器原理图。

图5 位置传感器模块

4）无线传输模块

如图6 所示， 无线传输模块采用正点原子ATK-M751，下行150 Mbps、上行50 Mbps 速率保证工作时高速率和低延迟，其内置的全网通4G 模块，支持LTE-TDD:B38/B39/B40/B41、WCDMA:B1/B8、TDSCDMA:B34/B39、GSM:900/1800MHz 等多种工作频段，出现网络异常时，DTU 会自动重连之前的服务器，保证连接可靠。当程序运行异常时，看门狗会自动复位并自动重启DTU，保证系统正常运行，不会出现死机的情况。

图6 ATK-M751 模块

2.2 软件设计

系统程序主要由初始化主程序、中断服务程序、车辆存取程序（停车过程与取车过程类似）、语音播报程序、红外识别程序、人脸识别程序等组成。存取车辆的主程序流程如图7 所示。

图7 取车流程

1）初始化主程序

初始化函数包括对时钟的端口使能、初始化相应的I/O 参数初始化、对人脸识别函数初始化以及对车辆存取函数初始化、对无线传输模块初始化、对PWM 输出初始化。完成相应的初始化后，OpenMv 模块初始化，STM32F103 单片机开始执行程序。

2）人脸识别程序

车主需要进行操作时，STM32 单片机启动OpenMv摄像头进行图像采集，然后将采集的特征点通过无线传输模块将数据传送至监控中心进行身份识别，待身份确认后，进行车辆的存取，如图8 所示。

3）车辆取出程序

验证通过后，STM32 单片机发出PWM 脉冲，控制旋转机构和连杆机构的电机进行工作，控制载车台平移至行程极限位置，载车台旋转90°；基座电动机启动，卷扬机开始工作，放松拉索，载车台下降，结束取车后进行复位，见图9。

图8 人脸识别流程

图9 取车过程

4）语音、红外程序

当存取车辆程序运行时，语音模块会进行语音播报，警示灯安全提示，同时红外传感器工作，防止取车过程中人员误入，保证安全。

3 实验验证

根据其工作原理，利用慧鱼结构搭建了立体停车库的样机，如图10 所示。

图10 样机结构模型

3.1 整体结构验证

为进一步验证所述四连杆结构的安全性和有效性，将其三维模型导入Ansys 进行静力学分析。

通过分析整个连杆存取车过程的工作原理和受力情况，选取存取车过程中钢缆拉动连杆进行上升时作为最危险工况进行受力分析，此时绳子受力最大，结构受力最复杂。见图11。

图11 车库结构静力学分析

通过Ansys 有限元分析，在所加载荷为2 t ( 市面多数车型的质量) 时，可以看出该结构最大许用应力为277 MPa，而危险工况时的应力为108 MPa，整体结构表现良好，符合安全设计要求。

3.2 人脸识别验证

人脸识别测试系统设备采用基于Android 平台的华为手机和OPenMv4-Cam-H7 摄像头模块（处理器为ARM-Cortex-M7、主频为400 MHz、RAM 为1 MB、Flash 为2 MB），对文中所提及的人脸测试进行数据对比，先通过手机摄像头录入人脸特征，保存至监控中心，然后通过OPenMv 将采集的特征点上传至监控中心进行身份认证，如表1 所示，测试结果表明该种方法的人脸测试技术效果良好。

3.3 系统安全性测试

为保障使用过程中的安全性，对取车过程中系统的人车误入系统进行测试( 见表2)，将取车过程分成三个阶段进行测试。系统收到取车指令至载车台完全移出导轨为第一阶段，当连杆运动至与地面成45°时为第二阶段，连杆与地面成45°至车辆完全停好为第三阶段。

针对以上3 个过程，模拟外界干扰进行了50 次测试，最终得到系统各阶段响应的平均时间。

3.4 系统整体测试

为模拟验证不同质量的车辆对整个系统的运行时间及其对载车板的偏移量影响，运用控制变量法，测试样机在不同的质量下系统的存车时间以及载车板的偏移量，测试结果如图12 所示。

图12 载物板偏移及整体运行测试

测试数据表明，所设计的系统通过模拟不同质量的车辆进行存放的过程中，汽车质量对整个存取过程的运行时间影响较小，同时载车板的偏移量保持在2°左右，方差很小，整套系统设计合理、安全可靠。

通过对整套系统的结构进行模型搭建，对本文提出的四连杆机构进行Ansys 分析、人脸识别系统的测试和系统整体测试，各项数据综合表明所设计的立体车库的性能良好，对立体车库的智能化提升具有一定意义。

4 结束语

设计了一种无避让双层立体停车库，采用经典的四连杆升降结构，配备断链防坠落装置，在确保安全性与稳定性的同时，避免了传统单柱单臂类立体停车设备在其自激惯性力的作用下产生变形失效。

同时基于可联网的人脸识别程序，经过实验验证，在图像采集速度快的同时保证了高正确率，符合目前机械设备智能化的趋势。所设计的停车系统能有效利用空间，缓解庭院式小区停车难的问题，此外，该设计在公共停车场领域也有极大的应用前景。

参考文献

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[11] JiaqiJIN,Cui GAO. Application on Residential parking facilities of Stereo garage[P]. emeit-12,2012.