智能立体停车场设计.docx
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智能立体停车场设计
智能立体停车场设计
摘要
随着人民生活水平不断提高，我国汽车保有量不断提升，私家车的数量越来越多，在生活小区及办公场所、商场、旅游景点等地方，停车难问题日益突出。
解决停车难问题，除了加大基础设施投入（扩建停车场）外，有效地对现有的传统停车场进行智能化、立体化改造，则能解决单纯扩建所带来的占地多，利用率低，找车位难等现实问题。
因而建设配套的智能立体停车场，对增加停车位及对其进行有序地管理十分必要，智能立体停车场的建设已经成为大势所趋，将拥有强大的市场需求。
基于上述两点需求，本文设计了一套智能立体停车场系统，通过优先级表的调度算法实现车位的分配与调度，并运用模糊控制实现对汽车存入与取出速度的调节。
本文将从整体方案、基于优先级表的算法、基于模糊控制的速度控制、MATLAB仿真等方面进行全面地介绍该系统。
智能立体停车场系统是一种高效快捷、公正准确、科学经济的停车场，是停车场对于车辆实行动态和静态管理的综合。
从用户角度看，其服务高效、安全、收费透明度高、准确无误；从管理者角度看，其易于操作维护、自动化程度高、大大减轻管理者的劳动强度；从投资者角度看，彻底杜绝失误及任何形式的作弊，防止停车费用流失，投资者的回报有了可靠的保证。
关键词：
智能、立体、优先级、模糊控制、MATLAB仿真
Intelligentthree-dimensionalparkinglotdesign
Abstract
Author：
ChenLueTutor：
ZhangJiasheng
AsthelivingstandardofpeopleimprovesandtheautomobileoccupancyespeciallyprivatecarsincreasesinChina,theresidentialareas,offices,markets,scenicspotsandparkingplacesufferamoreandmoreseriousparkingproblem.Inadditiontoincreasinginfrastructureinvestment（constructionofnewparkinglots）,intelligenttraditionalintelligentparkinglotandthree-dimensionalreconstruction,alsocanrelievethelargelandoccupancy,propellowefficiency,andsolvedifficultiesoffindinganavailableposition.Theconstructionof3-Dparkinglotanditsrelativesmartmanagementsystemdesignwhichcontainsagreatpotentialofprofits,becomesanecessarytrendformoderncities’development.Basedonthetwopointsabove,thispaperdesignsasetofintelligentcar-parksystem,realizesthedistributionofparkingspacesthroughtheprioritylistofschedulingalgorithm,andadjuststhespeedofcarsbasedonthefuzzycontroltheory.Thispapercomprehensivelyintroducestheprioritytablealgorithm,thefuzzycontrolofspeedcontrolandtheMATLABsimulationofthedesignedsystem.Intelligentcar-parksystemwhichisacombinationofbothdynamicandstaticmanagementisprovedtobeanefficient,fast,accurate,andeconomical.Itisanefficient,safe,transparent,accuratesystemforusers.Intheviewofitsmanagers,itiseasytooperateandmaintain.Itsautomaticcharacteristicalsogreatlyreducesthelaborintensity.Forinvestors,theerrorpreventionandcheatingeliminationguaranteestableprofits.Keywords：
Intelligent,stereo,priority,andfuzzycontrol,MATLABsimulation
1绪论
1.1本课题研究背景
中国汽车保有量逐年递增，停车难的问题越来越突出，特别是在大城市，由于停车位不足，大量汽车占道停车，使本来就狭窄的街道变得更加拥挤。
2011年北京实施停车收费新政，新政规定一类地区为三环路（含）内及三环外的4个重点区域：
CBD、燕莎地区、中关村西区和翠微商业区，路侧停车首小时10元，第二小时起15元；露天停车场8元每小时；地下停车场6元每小时。
从该新政可以看出，在发达地区停车很难而且价格很贵，这样智能立体停车场的建设就显得十分必要和可行，该类停车场的建设可以在相同的占地面积上实现挺原来多数倍,甚至十多倍的车辆，用户停取车方便、快捷，而且车辆安全有保证。
另外较高的收费使成本收回周期变短，投资积极性提高。
模糊控制系统是一种典型的智能控制系统，是通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动，可以不需要知道被控对象的数学模型即可实现较好的控制，具有系统响应快，超调小，过渡过程时间短等优点。
在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂过程进行控制。
在结构上与传统的控制系统没有太大的差别，主要不同之处在于控制器采用了具有智能性的模糊控制器。
模糊控制器是模糊控制系统的核心。
模糊控制器主要包括输入模糊化、知识库、推理决策、输出精确化四个部分。
智能立体停车场通过引入模糊控制的控制方法实现了对停取车的智能控制，使系统快速、平稳、准确。
随着智能立体停车场的不断完善，它的应用已经成为全球的发展趋势。
而如何合理的进行智能立体停车场的设计，对立体停车场进行优化管理、调度以保证整个智能立体停车场的性能指标最优，能够更加有效的工作，提高工作的效率，就成为当今停车场研究的一个热点问题。
智调度实际上是一类特殊的优化问题，是在满足各种约束条件的情况下调配资源、合理安排作业顺序，以达到运行成本最小的目的。
寻求合理调度方案的过程实际上就是对任务的作业顺序进行组合优化的过程。
不同领域的调度算法会有相似之处，因此本文引入基于优先级的的调度算法，将其改进后应用于出入库作业调度。
运用了模糊控制的方式对电机速度进行调节，实现对车出库入库的速度控制。
通过仿真建模来验证其算法的可行性和适用环境。
1.2国内外发展及研究概况
1.2.1智能立体停车场的发展与现状
智能立体停车装备系统在世界各地的发展极不均衡，德国开发最早，技术居于领先地位，在二层及多层平面式立体停车库系列中，它已发展了Ｈ型、Ｕ型和Ｖ型。
日本由于国土面积小而应用最广，自1959年引进了建造机械式立体停车库技术之后，到1983年，就已经在本土上共建造了25454座各种形式的机械式车库，平均每座容车量达到十辆左右，最多的能达到百辆以上。
从上世纪七十年代末期，车库容量年递增率为5%-7%，已经赶上了同期汽车拥有量的年递增率4%-6%，从技术特征上看，日本更重视竖式智能立体车库的发展，即密集型智能立体停车库的发展。
1993年，在日本东京举行的世界立体智能停车设备展览会，盛况空前。
进入20世纪以后，在国内举办了多个与停车设备相关的展览会，2006年10月在上海举办的“2006上海国际停车设备和智能系统展览会”同样热闹非凡，它吸引了来自德、日、美等世界上知名的停车设备制造商，全自动智能立体停车设备的容车能力及其技术完备，先进程度已被世界广泛承认和接受。
国内正处于经济与建设发展阶段，目前已有多种国外停车设备出现在国内市场上。
停车装置种类繁多，必须通过详尽的技术分析及经济分析才能够有明智的决断，有效的利用一切有利因素，建造出经济技术都合理的停车装置。
总之，当我们面临着建设现代化大都市的重任和土地资源寸土万金的现实情况下，设计、生产和使用这一现代化设备是可行的、明智的，也是必然的选择。
它的前景将是无限美好的。
1.2.2模糊控制器发展与现状
美国加利福尼亚大学L.A.Zadeh教授于1965年提出《Fuzzyset》开创了模糊数学的历史，1973年，Zadeh给出了模糊控制逻辑控制器的定义及定理，为模糊控制的形成奠定了基础。
1974年Mamdini成功的将模糊理论应用于锅炉和汽轮机的过程控制，从那时起，模糊控制理论及技术得到了广泛的应用和飞速的发展。
现今无论是模糊数学理论还是模糊控制技术都得到了显著的发展。
特别是80年代后期以来，模糊控制理论在日本、中国及欧洲得到了广泛的应用，采用模糊控制器的各种产品（如照相机、摄像机、洗衣机等）出现在世界各地的市场上，此外模糊控制技术在航天领域及生物医学领域及自动化立体仓库领域都较为广泛的应用。
模糊控制的发展根据其结构特点可大致分为3个阶段：
第一阶段（1965~1974）为萌芽阶段，主要是模糊数学的发展和成形时期；
第二阶段（1974~1979）为简单的模糊控制器阶段，这种模糊控制器的核心是利用实践惊讶形成一定的模糊控制规则表，由于模糊控制器的设计是针对控制过程中的某些特定过程，因此控制器的使用具有针对性。
第三阶段（1970~至今）高性能模糊控制器阶段，人们在使用过程中针对简单模糊控制器的不足，提出了许多高性能的模糊控制策略，特别是1979年由T.J.Procky和E.H.Mamdani共同提出的给模糊控制器增加学习功能，使它能在控制过程中不断获取新的信息，并对控制量做出适当的调整，使系统性能大为改善。
今天的模糊控制技术已经广泛应用于许多领域，已开发的比较典型的模糊控制系统有：
热交换过程的控制；暖水工厂的控制；污水处理过程控制；交通路口控制；水泥窑控制；飞船飞行控制；机器人控制；模型小车的停靠和转弯控制；电梯控制；核反应堆控制等；
自80年代中期开始，日本在模糊控制的研究和应用中走在了世界前列。
日本还率先将模糊控制应用到家电产品的控制，采用模糊控制的照相机、洗衣机、微波炉、吸尘器等再日本已经比较普及。
从1979年开始，我国也开展了模糊控制理论及应用方面的研究工作，已取得了重要成果。
已采用模糊控制实现了某些工业炉、窑的自动化；在造纸过程和流体催化过程中，模糊控制取得了成功的应用。
国内已有厂家研制出单回路模糊控制器。
在这些应用中模糊控制体现出了两大优点：
第一，模糊控制在许多应用中可以有效且便捷地实现人的控制策略和经验，这一点自从模糊控制诞生以来就一直被广泛强调着;第二，模糊控制可以不需被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入、输出模糊集和模糊规则中。
但与其他比较成熟的学科相比（如现代控制理论），模糊控制的系统理论还有一些重要的理论课题没有解决。
第一，模糊控制的万能逼近特性己被证明，但还只是一个存在性定理，实际中，对于一般的未知系统，如何找到一个合理的模糊逼近器尚无确定的方法;第二，模糊控制系统的稳定性分析近年来有了一定的进展，但这些分析都是针对一定的特殊系统，模糊控制器具有一定的鲁棒性，但只能从概念上讲，严格的理论分析仍需进一步是深入研究。
由于模糊控制系统本身在理论上尚不成熟，使其虽是当前研究的一个热门课题，然而其研究成果仍然有限。
正是由于模糊控制取得了很大的实用成果，同时又在理论上不够完善，因此模糊控制系统从诞生以来就充满了争议。
1.3本课题研究内容
1.对智能立体停车场整体方案进行设计。
2.对智能停车场停车进行基于优先级表的调度算法研究并运用模糊控制的原理对智能立体停车场进行速度控制，运用进行MATLAB仿真。
3通过MATLAB的仿真，对整个设计方案进行仿真实验，检验其是否准确、可行、合理。
1.4本课题研究意义
在中国汽车保有量持续增长，停车难日益突出的大背景下。
智能立体停车场的出现将极大的改善停车难的问题，可以大大的减少找车位的不便，为车主节省大量时间。
并且，智能立体停车场能够有效的防盗及利于车辆的保养。
随着城市规模的不断扩大及现代化建设的不断深入发展，对智能立体停车场的需求将越来越大，对其各方面功能、性能的要求也越来越高。
研究新型控制技术在智能停车场中的应用，对于提高管理控制功能和作业效率具有重大的社会效益和市场前景。
智能立体停车场担负着车辆的分类、入库、保管、出库、收费、存档等多种功能，是实现高效率和大容量的自动化存车手段，适应现代化建设的发展需要。
通过引入模糊控制及优先，实现了对算法的优化，使整个系统更加完善、实用。
1.5本论文的组织结构
本论文主要是通过对智能立体停车场进行整个系统的设计，引入优先表与模糊控制，对整个系统的运行方式进行了研究。
运用MATLAB进行仿真，检验系统的各方面的性能。
本论文的组织结构如下：
第二章介绍智能立体停车场的整体设计方案；第三章主要介绍用优先表对智能立体停车场车位进行安排的算法；第四章主要介绍运用模糊控制实现车得入库与出库速度控制；第五章介绍运用MATLAB对智能立体停车场系统进行仿真。
最后得出相应的结论。
2智能立体停车场的系统设计与整体方案
2.1智能立体停车场的示意图
图2.1智能立体停车场示意图
图2-1为有2个单元的智能立体停车场。
停车时，所有汽车从入口1进入，然后按提示进入入口2或3。
取车时，车主去对应的单元取车，从出口1离开停车场。
图2.2停车场各单元内部示意图
图2-2为第一单元和第二单元内部车位分布图.第一单元总共为四层,用于停小汽车,最多可以停30辆车,容积率为原来的5倍。
第二单元共三层，用于停大巴车，最多可以停6辆车，容积率为原来的3倍。
从上可以看出，立体停车场在占地面积一定的情况下，可以大大的增加车位的数量。
可以有效的缓解停车难，减少占道停车，有利于交通通畅。
2.2智能立体停车场系统的工作流程
2.2.1智能立体停车场的系统结构
图2-3为智能立体停车场的系统结构图，这些部分构成了整个智能立体停车场的管理系统。
信息提示系统
自动调速停车系统
发卡读卡系统
车辆检测系统
数据处理中心
收费系统
安全监控系统
出入口控制系统
自动停车系统
票据打印系统
计费收费系统
用户信息系统
监控系统
报警系统
出入控制系统
图2.3智能立体停车场的系统结构
2.2.2智能立体停车场的工作过程
当会员用户持射频卡（简称RF卡）或者是非会员用户在自动吐卡机领取射频卡，进入感应区后（读卡器感应到射频卡，车道下的车辆感应线圈检测到车辆），系统自动对车的尺寸进行测量，测量完毕后外围栏杆开启。
系统自动根据车辆自身情况安排停车场号，再根据优先表确定车辆的停车位。
当车辆进入对应号停车场时，内部栏杆开启，车主将车停入指定位置，感应装置随时刷新检测，若车辆未停好，指示灯显示红色，若停好了则显示绿色。
车主离开停车位后，在对应号停车场外刷卡离开内部栏杆关闭。
栏杆关闭后，根据系统安排的车位，根据事先设计的停车路线，运用
模糊控制的方式对停车速度进行控制。
当车辆停好以后，该号停车场准备接收下一辆车。
取车时，车主在出口处刷卡，系统运用模糊控制，根据事先设计的停车路线为用户取车至指定区域，车停好后，出口处栏杆开启，用户进入取车。
出口处感应线圈检测到车辆离开后，出口处栏杆关闭。
在出口处，车主可以看到收费详单，并可以打印。
2.2.3射频卡
射频卡是近十几年发展起来的一项新技术，它成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了无源（卡中无电池）和免接触这一难题，是电子器件领域的一大突破。
（1）各种管理介质对比:
停车场管理系统中曾经出现过的管理介质有磁卡（纸质），条形码（纸质），接触式IC卡等多种，其优缺点各有不同。
1.纸质磁卡:
纸质磁卡应用较早，是最传统的管理介质。
它的优点是：
成本低、体积小、便于携带。
缺点是：
容易损坏，存储容量小，安全性不好，不能重复使用等。
2.条形码:
条形码是继纸质磁卡出现后，被各个行业广泛应用的管理介质。
它的优点是：
实现自动化管理，不需人工参与。
成本也很低，还可以很好的恢复数据。
它的缺点是：
里面的信息不可以改写。
3.接触式IC卡:
它是继纸质磁卡和条形码之后出现的一种新的集成电路芯片技术。
它的优点是：
提高了安全性，提高存储容量，价格便宜，不易损坏。
它的缺点是：
成本相对于纸质磁卡和条形码稍微有些高，使用时间久了也会造成卡的磨损。
读卡过程比较麻烦，读卡时间相对较长，容易受到污染，必须定期清洗。
4.射频卡:
射频卡（简称RF卡）是继接触式IC卡之后发展起来的一种新的管理介质。
它是电子领域的一个新的成果，把射频技术与IC卡技术很好的结合，既是无源卡又不需要和读卡器接触。
它的优点是：
使用寿命长、可靠性高、维护成本低。
由于射频卡和读卡器不需要接触，提高了系统的工作效率。
其次，它不易损坏，容易保存，不容易受到外界环境的影响。
它的使用寿命超过了10年，方便用户进行操作。
因为是不需要直接接触的，读卡器可以安装在合适的位置，这样可以避免外界恶劣条件对读卡器造成损坏。
射频卡的使用非常方便，它可以在任何方向，任何位置和读卡器建立通信。
无论如何转变方向，只要在读卡器的感应范围之内都可以很好的读取卡片信息。
每张射频卡在生产后都会冠以自己唯一的ID号，并且是不可以修改的。
射频卡与读卡器之间的通信是全双工的，就是在读卡器验证射频卡是否合法的同时，射频卡也可以验证读卡器的合法性。
他们遵守握手协议，要进行三次互相认证，且安全性好。
此外，射频卡的每个扇区都有自己的访问条件和操作密码，使得识别更加可靠。
它的抗干扰性很强，数据处理中心可以同时处理多个射频卡，这个过程中不容易发生相互的干扰。
由于射频卡是最新发展起来的管理介质，它的优点真是举不胜举。
现在很多厂商都采用射频卡作为停车场系统的管理介质，来提高系统的安全性和可靠性。
本文也是选用它作为停车场管理及远程监控系统的管理介质。
（2）射频识别系统:
射频标签、读卡器和天线是射频识别系统最基本的三个组成部分。
芯片和耦合元件是射频标签的两个组成部分，射频标签在本系统中是射频卡，它通过内置天线与射频天线进行信息交流。
读卡器是用来读取射频卡信息的。
天线是射频卡和读卡器的信息传递的媒介。
射频识别系统的基本工作流程是：
读卡器通过天线发生自身频率的射频感应到射频卡时，就会产生感应电流，这时射频卡激活；射频卡激活后把自己的ID号发送出去；射频天线接收到射频卡的信号时，把信息上传到读卡器，读卡器将信息处理好后上传到数据处理中心；数据处理中心根据收到的信息进行合法性认证，控制整个识别过程。
射频卡按照不同的方式可以分为5类：
1.按照供电方式可以分为有源射频卡和无源射频卡。
内部有电源的射频卡我们通常称为有源射频卡，它的优点是作用距离远，缺点是寿命短、体积大。
2.按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。
低频系统用于短距离、低成本的系统中，如多数的校园卡、门禁控制、动物监管、货物跟踪等。
中频系统用于门禁控制等需要大的存储容量的行业中；高频系统多应用在火车监控、高速公路收费系统中，因为他们不在乎价格是否昂贵。
而是需要较长的读写距离和较高的读写速度。
3.按调制方式的不同可分为主动式和被动式两种。
主动式射频卡主动发送信息给读卡器，被动射频卡等待读卡器发送信息给自己。
因为主动方式的射频卡发射的信号只穿过障碍物一次，所以它主要用于有障碍物的应用中，作用距离更远。
4.按作用距离可以分为密耦合卡（作用距离小于1cm）、疏耦合卡（作用距离约1m）、近耦合卡（作用距离小于15cm）和远距离卡（作用距离至少1m以上）。
5.按芯片可分为只读卡、读写卡和CPU卡。
2.2.4传感器与测量系统
一、传感器与测量系统的概述
传感器是能感受某种信息并按照一定规律将信息转换成可用信号的器件或装置。
传感器能够感受的信息也称被测量，有力学量、运动学量、热力学量、化学量、生物学量等。
传感器将被测从一种能量形式转换成另一种能量形式作为可用信号输出。
可用信号是某一特定场合中适于传输、处理、储存、显示、记录并且满足系统简册或控制等要求的信号，它是实现自动检测和控制的首要环节。
测量系统中最常用的信号形式是电信号，这是因为电信号易于传输、存储和处理。
因此，也可以狭义地理解传感器就是能将被测量转换成电信号的器件或装置。
各种传感器是测量系统的感官，被测量就是传感器的输入信号。
传感器的输出信号往往功率很弱，或者数值范围不合适，或者信号形式不适合。
由于这些原因，传感器的信号往往不能直接用于工业系统的状态显示和控制。
信号调理电路是对传感器的输出信号进行一定预处理的装置，如在测量系统中要将看到的电压放大、电流/电压转换、整形、频率/电压转换等，使信号适于显示或控制之用。
信号调理电路的主要技术是电路和电力电子技术。
测量系统的作用是获取系统的状态信息。
为了实现这一作用，必须将被测物理量转换成可用信号。
下图描述了测量系统的基本组成。
二、测量系统在智能立体停车场中的应用
测量系统在智能立体停车场中的主要应用有如下三个方面：
（1）出入口出处得测量系统。
在停车场的总入口处，运用当前应用广泛、技术成熟的电子过磅装置，通过重量的变化来确定有无车辆需要进入，以及车辆是否已经通过栏杆。
通过整个测量的最大值确定来车的重量来确定来车的类型，以及该车是否能停入该智能立体停车场。
在停车场个单元的出入口处及停车场总出口处采用感应线圈判断是否有车辆需要通过和车辆是否已经通过，从而控制栏杆的起降。
（2）用户停车位置的测量系统。
用户将车停入停车单元一层的指定位置，此时需要对车辆的位置进行一个判断，该车辆是否停在了规定地点，系统接下来的自动停车操作是否安全。
为了确定汽车的位置，本系统采用在指定区域安全边界线上安装红外发射和接收装置。
如果车辆没有按要求停泊，显示装置将会亮红灯，如果停好了，指示等将会亮绿灯，提示车主离开。
若长时间处于红灯，系统将会报警，提示工作人员过来处理。
若亮绿灯，待车主刷卡确定离开后系统将自动帮车主停好车辆。
（3）系统自动停车时的测量系统。
要实现对车辆安全、快速入库，就必须实时测量车辆与指定位置的位移量。
根据本系统的实际情况，选择了激光测距仪。
激光测距是光波测距中的一种方式，如果光以速度c在A、B两点间传播往返1次所需时间为t，则A、B两点间的距离D=c/2。
因此，当光速确定后，要测量A、B两点间的距离实际上只需测量光传播的时间即可。
相位式激光测距仪对静止或移动相对缓慢的物体比较有效，适用于速度低于10而s、做线性运动的物体。
。
当要求将车辆停到达某一目的车位时，根据激光测距仪反馈回来的车辆的距离信号及预先设定的控制策略调整变频器的频
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