自动化立体车库教学实验系统研制

第23卷第5期　2004年5月实验室研究与探索R ESEA RCH AND EXPLORA T I ON I N LABORA TOR YV o l .23N o.5　M ay 2004　自动化立体车库教学实验系统研制郭　毓,　隋海美,　李文淼(南京理工大学自动化系1002教研室,江苏南京210094)摘　要:以研制高度自动化存取系统——立体车库为背景,介绍了自动化立体车库实验系统的设计思想、系统机械结构设计、控制系统设计、模块化管理软件设计。

该系统应用于实际教学,收效显著,具有良好的应用前景。

关键词:立体车库;创新能力;运动控制系统中图分类号:G 424.1文献标识码:A 文章编号:100627167(2004)0520045203D e ve lopm e nt of Autom a tic S te re o G a ra geS ys tem fo r Te a ching Expe ri m e ntGUO Y u ,　SU I H a i 2m ei ,　L I W en 2m iao(D ep t .of A u tom ati on ,N an jing U n iv .of Science and T echno logy ,N an jing 210094,Ch ina )Abstract :B ased on develop ing h igh au tom atic access system ,it w as in troduced that the design ideas of au to 2m atic stereo garage and the design of the m echan ical structu re system .Its con tro l system and the b lock ing m an 2aging softw are w ere also in troduced .T h is system w as app lied in p ractical teach ing and received good effects .Key words :stereo garage ;creativity ;m ovem en t con tro l system收稿日期:2003205220第一作者简介:郭　毓(1964-),女,副教授,在职博士研究生,主要从事运动控制教学与科研。

T el :025*********. 加强高校实验室建设,跟踪时代发展步伐,研制设计型、开放型实验装置具有重要意义。

目前,国内大多院校的自动化专业实验装置仍存在一些问题。

如调速、随动系统实验大多没有明确的被控对象,单一技术的验证型实验装置,已远远不能满足设计型实验的需要。

为了进一步拓宽知识面,加深对自动化技术深层次的认识,本文瞄准自动化技术应用的新领域,研制了自动化立体车库实验系统,为学生将来在未知领域进行自动控制系统的创新性设计创造了条件。

1　设计思想自动化立体车库就是一种新出现的高度自动化的设备,它是适应城市交通现代化发展需要而崛起的新型停车设施。

城市交通现代化的一个重要标志是城市道路车流量的不断增加,随之而来的是道路两旁停车面积的严重不足,停车难已成为城市发展中日益突出的矛盾。

自动化立体车库以向空间发展的多层形式,在计算机的控制下,人和车脱离开,车辆入库出库由拖动装置自动完成,车的存取时间大大缩短,空间利用率大大提高,很大地缓解了停车难的问题。

同时还具有无土石污染、低噪音、建造周期短等优点,这些都符合现代化生活的节奏。

尤其是随着计算机技术的发展和广泛应用,立体车库的自动化程度必将不断提高,并呈现出迅速发展的势头,具有广阔的应用前景。

本文以此为背景,开发了自动化立体车库这一综合、设计型实验系统,其设计思想是:(1)信息技术与运动控制技术相结合。

在IT 技术飞速发展的今天,自动化技术与信息技术密不可分。

过去那种单一的模拟运动控制系统实验已难以激发学生的兴趣。

从技术的角度看,也显落后。

故在设计时,考虑到将信息技术与运动控制系统联系起来,并采用多种传感器,为学生进行信号的检测、传递与处理提供了硬件实验平台,也为软件设计留有自由发挥的空间。

(2)软、硬件设计相结合。

立体车库实验系统的设计,要结合系统硬件设计相应的控制及数据采集程序、控制界面以及实时动画演示等,进一步强化了学生的软、硬件设计能力,以及产品开发能力。

(3)机与电相结合。

立体车库实验装置是集机械和电气于一体的运动控制系统,不仅在电气控制方面,而且在机械组装方面都锻炼了学生们的动手能力。

(4)预留创新空间,充分发挥学生潜力。

在立体车库实验装置的设计中,我们在传感器(图象像识别等)的应用、交流位置随动系统的控制算法、车库优化调度管理、计费方案以及界面程序设计等方面,都预留了很大的创新空间,使每位学生都可以根据自己的想法,设计出不同的控制界面及优化调度方案,同时也给他们以有益的启发,充分发挥自己的潜力和创造性。

2　积木式机械结构设计自动化立体车库实验系统采用垂直升降式结构,外形类似电梯,外形结构如图1所示,整个车架共由76根铝合金材料连接而成,为透明的积木式结构,可方便地进行组装和拆卸,便于学生反复进行实验,在实验过程中了解系统机械结构和控制系统组成。

车库外形美观、大方、紧凑,具有占地面积小、空间利用率高等优点。

图1　立体车库结构图为了给实验者提供不同类型电机位置控制实验,立体车库升降机构的运动采用交流变频电机控制,实现迅速准确的定位;横移机构设计为两级传动,由两个步进电机驱动,完成取、送车的动作。

3　车库控制系统设计自动化立体车库计算机控制系统组成如图2所示。

系统的电气传动部分采用了交流伺服电动机和步进电动机驱动。

步进电机1、2完成取、送车横移方向的运动,为提高控制精度并提高系统稳定性,采用细分驱动、变速控制。

交流电机完成垂直方向升降运动,由变频器进行速度控制。

该系统采用了基于PC I 总线的嵌入式运动控制卡PC I -8136,它是一个高集成度的通用6轴运动控制卡,用于完成升降和横移的位置控制,以及相关I O 信号的检测与处理,如限位、报警信号等。

由于一个车库运动轴共3个,故一块PC I -8136可实现两个车库的群控。

系统中控制计算机完成系统管理、调度与控制的任务,并完成调试。

在该系统上,实验者可以根据系统对各个过程的图2　自动化立体车库控制系统框图技术指标要求,设计各种控制算法,进行速度环、位置环参数的系统调试。

各轴可设置恰当的加减速时间,按“S ”形曲线,进行位置控制,实现精确定位。

学生还可根据实际情况,加入P I D 等控制算法,使系统获得准确、快速、无超调的优良动静态特性。

实际自动化立体车库实验系统实物照片见图3。

图3　自动化立体车库实验系统实物照片4　模块化管理软件设计由于自动化立体车库实验系统所有操作指令均由主机发出,所以要求系统软件不仅要迅速准确地进行库存数据管理,而且要进行出入库车辆管理,即在进行入库、出库等作业时,由系统软件按要求自动寻找合适的车位,进行全自动存取作业;同时,在作业过程中,主机必须能根据编码盘的反馈信息监测作业的准确性,一旦发生错误能迅速做出反应,并提醒操作人员如何处理。

系统上电后,要求控制管理软件能自动调入入库车辆信息(车位号、密码、入库时间等);当有新的存车请求时,系统能够根据现有的存放信息自动选择最优车位或者人工选择来完成操作,并检测车位是否已满,并给出相应的提示。

取车时需输入存车时产生的密码方可取车。

以上各步骤操作过程均在计算机屏幕上给出相应提示信息,并伴有实时动画演示功能。

该系统软件采用面向对象的设计思想,以V isual B asic 语言为开发工具,按功能进行模块划分,对嵌入式运动控制卡动态链接库函数进行调用。

创建了各功能模块,如系统介绍、动画演示、系统调试、密码管理、帮助等,各模块可方便地转换。

所编界面友好美观,操作方便简单,各模块可移植64 实　验　室　研　究　与　探　索第23卷　性强,按钮具有互锁功能,安全可靠。

管理系统提供两种调度方式:人为调度方式和自动调度方式。

人为调度时,可由操作者自行选择存、取车车位;自动调度时,则按预设的优化调度方案进行存车,两种方式可方便地任意切换。

存车时产生随机密码,供取车时检验校核。

车库管理系统存、取车主界面如图4所示。

图4　车库管理系统存、取车主界面 管理系统还可及时保存系统信息,并在断电重启后载入原始数据,包括轿厢位置,各车位状态,存车时间及密码等。

此外,系统还有计费,包租等功能,车库管理系统计费、包租管理界面如图5所示。

5　实践效果自动化立体车库实验系统设计,具有信息技术与运动控制技术相结合、软硬件设计相结合、机与电相结合的特点,为实验者提供了从机械安装、基本控制元件使用、控制系统软硬件设计与调试,到车库的优化调度程序设计和界面程序设计全过程的综合训练,其开放式结构又为学生进行创新性设计提供了良好的平台。

该立体车库实验系统可开设以下实验:(1)交流伺服图5　车库管理系统计费、包租管理界面系统设计与调试实验;(2)步进电动机控制实验;(3)嵌入式计算机控制系统综合实验;(4)计算机接口技术应用实验;(5)智能调度与管理程序设计实验;(6)计算机控制界面程序设计实验;(7)多车库优化调度实验;(8)自动计时与计费管理程序设计;(9)立体车库安装、调试、设计及计算机控制系统综合课程设计;(10)远程计算机控制与管理、数据采集等创新实验。

自从本装置完成以已为300名学生开设了演示实验,近50名学生以此为平台进行了毕业设计和课程设计。

学生们感到,通过立体车库系统实验,不仅锻炼了系统设计能力和动手能力,而且全面锻炼了综合能力,激发了创新欲望,系统调试能力也得到很大提高,受到学生们的普遍欢迎。

该系统已于2002年7月被评为江苏省高校自制仪器设备三等奖。

参考文献:[1]　杜崇杰,袁荣娟,霍爱荣.创新思维融于专业实验教学[J ].实验室研究与探索,2002,(6):527.[2]　孙连荣.高校实验教学模式的研究与探讨[J ].实验室研究与探索,2003,(1):425.・信息台・全国高校实验室建设与管理研讨会召开为加强高校实验室建设,促进学术研究与交流,高校实验室工作研究会实验室管理委员会于2004年5月9～11日在湖北武汉华中科技大学召开全国高校实验室建设与管理研讨会。

会议收到全国各高校150篇论文,6篇论文将作为大会交流发言,预计到校代表近百人。

会议对高校实验室工作必将产生积极有效的推动作用。

——本刊编辑部74　第5期郭　毓,等:自动化立体车库教学实验系统研制。