作者：陈俊蓉 学校：上海中东学校
摘要：随着机动车数量持续攀升，社会停车位供需矛盾日益凸显，特别是繁华地段停车费高昂，即便增设了立体停车位，也因驾驶技术参差不齐、车位间距限制等因素，使得停车难题愈发棘手。鉴于此，本文提出了一种立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置，运用屏幕显示技术实时反馈车辆停放状态，精准引导驾驶员停车；内置触碰传感器即时监测车辆位置是否精准到位；装置还集成超声或红外探测技术，以精确测量车辆停放的左右间距，确保停放规范。更为贴心的是，装置配备了醒目的提示灯，为驾驶员提供直观、清晰的停车指引。通过这些创新设计，装置有望缓解停车难题，提升停车效率，为城市交通管理贡献力量。
关键词：立体车位；触碰传感器；超声红外技术检测
1.引言
随着城市化水平的持续提升及汽车普及率的不断攀升，机动车数量显著增加。然而，社会车位的供给未能与之同步增长，导致停车问题愈发严峻，成为城市交通管理领域亟待解决的关键问题之一。特别是在城市中心区域，停车位稀缺且停车成本高昂，给市民日常出行带来显著不便。传统的地面停车方式已无法适应日益增长的停车需求，因此，立体车库技术的发展成为缓解停车难题的关键途径之一。
然而，尽管立体车库技术能显著提升停车位的使用效率，但其在实际应用中也暴露若干问题。一方面，立体车库停车位空间相对狭小，驾驶员在停车过程中易发生碰撞，这不仅导致车辆损坏，还可能引发交通事故。另一方面，停车位的高度和密度较大，驾驶员在停车时往往难以准确判断停车位置，从而导致停车行为不规范，影响其他车辆正常通行。鉴于此，研发一种立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置，对于提高停车效率、降低交通事故发生率具有重要的现实意义。
本研究的核心目标在于，通过引入先进的传感技术和智能化辅助系统，设计并实现一种可靠且高效的立体车库辅助停车装置，为驾驶员提供精确的停车引导和实时停车状态监测，以期缓解城市停车难题，提升城市交通管理水平。
2. 系统总体方案设计
2.1整体方案设计
随着城市化进程的不断推进和汽车普及率的提高，机动车数量不断增加，而社会车位数量却未能相应增加，导致停车难题日益突出，成为城市交通管理的重要问题之一。本课题拟设计一款立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置，为立体车库停车场景提供辅助停车功能，通过结合传感技术和智能辅助系统，提高驾驶员停车的精准性和安全性。具体包括如下模块：
（1）滑动档轮杆缓冲。设计滑动档轮杆装置，能在停车中让后轮提前接触档杠让驾驶员清楚了解车身是否倾斜。
（2）屏幕模块。提供实时停车状态显示，类似倒车影像，让驾驶员了解车辆停车状态，提供直观停车引导。
（3）触碰传感。定位车辆位置，提示驾驶员是否停车位置摆正，确保车辆停放准确。
（4）超声或红外检测。实时监测车辆停放左右间距，帮驾驶员掌握停车位置，避免碰撞或停车不规范。
（5）提示灯。提示驾驶员当前停车是否规范，通过灯光信号指示，引导驾驶员调整停车位置，确保停车安全。
2.2系统结构设计
本课题在研究时还设计了整个系统的结构手绘图，如下图所示。
滑动挡杆结构设计图
整个装置的总体尺寸，宽度为56cm，高度为32.5cm，长度为40cm。整个装置的升降功能通过齿条和齿轮传动系统实现装置移动的演示功能。装置使用齿条传动系统，齿条与齿轮啮合传动，实现纵向的位移，还有一个滑动档轮杆装置，能起到提前接触轮胎达到车身是否摆正的作用。装置底部中央有滑动槽，用于装置的纵向移动。底部有一个导轨，滑块沿导轨滑动，保证装置移动的平稳性。装置前部配有超声波检测器，用于检测车位和车辆间的距离。两侧装有红外传感器，用于检测车辆的位置和运动情况。装置上方配有角幕，可进行视角调整。装置还配有指示灯，方便用户查看装置状态。
2.3系统硬件设计
2.3.1主控制器本课题选择了ArduinoUno作为主控板。Arduino Uno是一款备受欢迎的开源电子原型开发板，其设计简洁、功能强大，广泛用于物联网、机器人、智能家居等领域。搭载了ATmega328P微控制器，具备丰富的输入输出接口及通信功能，为创客提供了一个理想的原型设计平台。
Arduino Uno主控板
Arduino Uno作为主控板扮演着装置的核心控制中枢角色。它负责接收来自各传感器的数据，并根据预设的算法和逻辑来控制碰撞缓冲装置的运动，屏幕模块的显示，以及各种提示灯的状态。Arduino Uno具备强大的数据处理能力，可对传感器采集的数据进行实时处理和分析。基于这些数据，Arduino Uno能智能地做出相应决策，如判断车辆的停车状态、位置是否正确，以及是否需启动碰撞缓冲装置等。Arduino Uno的开源性质使它具有很高的灵活性和可扩展性。通过连接各种传感器和执行器，可根据实际需求灵活扩展装置功能，如添加额外的触碰传感器、超声或红外检测模块等，从而进一步提升停车辅助系统的性能和可靠性。
2.3.2 触碰传感器
本课题采用触碰传感器。这是一种常用于电子设备和交互设计的传感器，能检测物体的接触或触摸，并将这种接触或触摸转换成电信号。这种传感器的应用十分广泛，涵盖了从智能手机、平板电脑、工业控制系统到家用电器等多个领域。在不同的应用场景中，触碰传感器扮演着各种角色，如用于触摸屏的输入设备、开关控制、安全检测等。触碰传感器的工作原理主要基于电容或压力的变化。其中，电容式触碰传感器利用物体与传感器间的电容变化，压力式触碰传感器则是通过物体对传感器施加的压力来检测触摸。
碰撞传感器
触碰传感器可精确检测车辆后轮与滑动档杆装置间的接触情况，从而准确确定车辆的停车位置。当车辆触碰到传感器所在位置时，传感器会发送信号给主控板，提示车辆已到达停车位。通过触碰传感器的信号，主控板可向驾驶员提供即时反馈，告知车辆是否已准确停放在预定位置上。
车辆停车进入状态
在进入到平行入库的情况下有助于驾驶员准确掌握车辆的停车状态，避免停车位置偏离或停车不规范。触碰传感器的使用可提高停车的精准性，使车辆停放更准确、安全。驾驶员可通过传感器的提示及时调整车辆位置，确保车辆停放在最佳位置上，避免碰撞或影响其他车辆停车。
触碰传感器作为停车辅助系统的一部分，可与其他传感器模块（如超声或红外检测）协同工作，提供全方位的停车引导服务。当车辆接近停车位时，触碰传感器可与其他传感器共同作用，为驾驶员提供更精准、可靠的停车引导，帮助驾驶员轻松完成停车操作。
2.3.3超声、红外检测
本课题采用超声、红外检测，这是一种先进的非接触式检测技术，综合了超声波和红外线技术的优势，可用于测量物体的距离、位置和特征。这项技术通过利用超声波和红外线的物理原理，能在各种环境条件下精确探测物体信息。
首先，超声波是一种频率高于人类听觉范围的声波，通常在20 kHz以上。超声波检测利用超声波的传播和反射原理来测量物体与传感器间的距离或存在障碍物的位置。传感器发送超声波脉冲，当波遇到物体并反射回来时，传感器接收到反射波，并根据波的传播时间计算出物体与传感器间的距离。
超声传感器
其次，红外线技术也是超声红外检测中的关键组成部分。红外线是一种电磁辐射，其频率高于可见光但低于微波。红外线检测利用物体发出的红外辐射来确定其温度和位置。传感器测量物体所发出的红外辐射强度，并根据辐射强度的变化来确定物体的距离或温度。
超声红外检测结合了这两种技术，通过同时利用超声波和红外线技术，可实现更高精度的检测和测量。例如，在工业领域，超声红外检测常用于测量流体水平、检测物体的存在和位置、监测温度变化等应用中。其优点包括高精度、非接触式检测、适用于各种环境条件等。
超声或红外检测模块可实时监测车辆停放的左右间距和与障碍物距离。通过检测车辆与停车位边缘或其他障碍物的距离，系统可精确判断车辆的停放位置是否合适，从而提供及时的停车引导。超声或红外检测模块可与屏幕模块配合，将检测距离信息显示在驾驶员屏幕上，为驾驶员提供直观的停车引导。驾驶员可据屏幕显示的距离信息，调整车辆位置，确保停车操作更精准和安全。
车辆倒车平行入库警报
2.3.4 屏幕、提示灯
在本课题的研究与开发过程中，特别选用了OLED屏幕作为主要的显示设备，并设计了简单的提示灯辅助驾驶员更好地完成停车操作。首先，OLED屏幕的使用可为用户提供直观的视觉反馈，类似于倒车影像系统，使驾驶员能清晰了解停车时的车辆状态。这种直观的显示方式能帮助驾驶员更准确地判断车辆与周围环境的位置关系，从而提供更有效的停车引导，确保停车过程的安全性和准确性。其次，还设计了一个专门的提示灯模块，其主要功能是向驾驶员提供即时视觉反馈，以提示当前车辆是否已停放妥当。通过这个提示灯，驾驶员可迅速得知停车操作是否成功完成，从而避免因停车不稳或未停好而带来的安全隐患。这个提示灯的设计简洁明了，能在各种光线条件下清晰可见，确保驾驶员在任何情况下都能及时获取停车状态信息。通过OLED屏幕和提示灯模块的双重辅助，相信驾驶员在停车时会更得心应手，停车过程也会更顺畅和安全。
OLED屏幕、指示灯
2.4 系统软件设计
2.4.1系统工作流程通过深入思考和计划，在软件编写前进行了整个系统工作流程的设计和梳理，提高代码的质量和可靠性，这有助于减少后期修复和维护工作，节省时间和资源。本课题设计的立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置使用的工作流程是当驾驶员准备在立体车库停放车辆时，碰撞传感先检测车辆是否摆正，然后超声红外传感器检测车辆停放的左右间距，指示灯提示车辆是否停放规范。
系统工作流程图
2.4.2 硬件编程环境
本课题在硬件的软件编程时，选择了mind+编程环境。mind+是一款开源图形化编程软件，专为Arduino等开发板设计，能让用户通过直观、简单的方式进行硬件编程。随着物联网、嵌入式系统等领域的迅速发展，对硬件编程的需求也越来越大。然而，传统的编程方式对初学者或非专业人士来说存在一定门槛，mind+的出现填补了这一空白，为更多人提供了参与硬件编程的机会。mind+的核心特点之一是其直观易用的图形化编程界面。用户无需深入学习编程语言的语法规则，只需通过拖拽和连接不同模块，就能构建复杂的硬件控制程序。这种方式使编程变得更直观、可视化，降低了学习和使用难度，使更多人能轻松上手。
硬件程序
2.3.3 MQTT物联网和APP
本课题用MIT App Inventor进行编程，通过MQTT协议与物联网平台进行通信，并设计了相应车位情况APP。主要功能是监控停车场车位连接状态，并在收到消息后更新车位信息和相应图片反馈给车主。
MQTT界面
首先是Screen1初始化。设置MQTT客户端1的服务器URI为“iot.dfrobot.com.cn”，用户名为“CsVOwsSVR”，密码为“jyVAsQlVgz”。设置标签“车位”的文本为“4”。然后按钮连接停车场被点击。调用MQTT客户端1订阅主题“6RcK2LElg”。设置消息回调属性。判断MQTT客户端1是否已连接：若已连接，设置标签“连接状态”的文本为“车位已连接”。否则，设置标签“连接状态”的文本为“车位未连接”。最后MQTT客户端1收到消息。当MQTT客户端1收到消息，且主题为“6RcK2LElg”时，执行以下操作：设置标签“车位”的文本为“3”。设置图像框1的图片为“1.png”。
APP程序截图
APP界面设计
3.实物制作
再进行以上总体方案设计和软硬件设计后，还制作了相应的实物模型，制作该系统的实物模型需要一些基本的材料和工具。以下是制作过程的大致步骤。
3.1准备所需材料和工具
根据以上设计，需制作出相应的实物模型，需要如下材料：（1）微控制器单元（本系统使用的是ArduinoUno主控板）；（2）超声、红外传感器；（3）触碰传感器；（4）泡沫板等防碰撞道具；（5）充电模块和电池或电源适配器；（6）汽车模型；（7）杜邦线和焊接工具；（8）电池盒或电源连接器；（9）装置开关。
3.2模块连接与组装
首先，根据立体车库的实例，用泡沫板制作相应的立体车库模型，然后将相应的防撞设施添加在立体车库下端，通过与车辆轮胎的接触，每当车辆靠近后端时，就会增加相应的阻力，从而有效防止车辆撞击车库后端。其次就是将相应的传感器、屏幕提示灯和主板与模型进行连接，通过相应的传感器，能提示汽车停车时的左右间距及是否偏移了停车位置。最后，将电源及开关模块与模型进行连接，给模型供电，以便其能正常使用。
3.3装置的操作
将小车模型放置到装置上，首先系统会进行一系列检测，以确保车子摆正停放。这个过程中，两边的触碰传感器会检测车子是否正确摆放在指定位置。如果车子摆正停放，触碰传感器会接触到车子，从而确认车子位置。接下来，超声波检测器会启动，对周围环境进行细致检测，以便判断停车位的具体位置。通过这种方式，系统能精确了解停车位尺寸和位置，为下一步停车操作提供准确的数据支持。与此同时，红外传感器也开始工作，检测两边车辆的位置。这些传感器能确保车辆在车位上的相对位置正确无误，避免发生碰撞或刮擦。显示屏和指示灯会实时显示车辆的摆放状态，为操作者提供直观反馈。如果车辆摆放不正确，显示屏会显示相应的提示信息，指示灯也会闪烁以引起注意。
在所有检测和确认工作完成后，车辆会沿导轨移动到指定位置。这个过程中，系统会控制车辆以合适的速度和方向移动，确保车辆平稳、安全到达停车位。当车辆到达指定位置后，齿条传动系统会启动，将车位上升，最终完成车辆在立体车库的停放。整个过程需精确的控制和协调，以确保车辆能安全、准确地停放在预定位置。
4.系统实验与分析
4.1系统测试方案
4.1.1车辆偏移数据检测测试
目标：旨在验证当车辆发生偏移时，系统是否能正常采集相关数据信息。
测试步骤：首先，确保车辆处于静止状态。随后，在不同偏移角度下进行停车操作，例如，可分别选取30度、45度和60度的偏移角度。在每次停车后，检查装置是否能准确识别并记录车辆的偏移数据。确保装置在各种偏移角度下均能正常工作，从而验证其数据采集功能的可靠性。
4.2测试设备
为验证上述测试方案的有效性，需准备以下一些必要的测试设备：
（1）车辆模型：用于模拟实际车辆在各种测试条件下的表现，确保测试结果的准确性和可重复性。
（2）简便测速仪：用于测量车辆在不同测试条件下的速度，以便评估防碰撞装置在不同速度下的性能表现。确保测速仪的精度和可靠性，以便获取准确的测试数据。
4.3测试数据
4.3.1车辆偏移数据检测实验过程中，将系统于四种不同偏移程度中测试触碰传感器及超声红外传感器的识别性，我们的系统都能保持正常的识别性，可提供可靠数据依据。
表1 车辆偏移数据测试结果
由上可以看出，车辆在不同偏移情况下，触碰传感器及红外、超声传感器都可正常进行识别，可为装置提供准确数据。 4.4结果数据分析
在进行不同偏移程度的测试时，该装置的触碰传感器及超声波和红外传感器均可以正常工作，这充分表明系统可以正常运行，可为用户提供稳定的立体车库泊车服务。无论是轻微的偏移还是较大的偏移，这些传感器都能准确检测车辆的位置和运动状态，从而确保整个泊车过程的安全和顺畅。
在进行不同车辆入库的测试时，据详细的测试数据，可看出系统的滑动档轮杆区间能满足正常的停车动能需求。这意味着无论是小型轿车还是大型SUV，系统都能提供足够的动力来完成停车动作。此外，对于突发情况，如车辆突然停止或偏离预定轨道，装置也具有一定的防碰撞能力。这种能力可为用户减少一定的损失，避免因碰撞而产生维修费用和时间成本。
总的来说，以上结果数据分析表明，我们的系统在车辆偏移数据测试方面及车辆防碰撞性能测试方面表现出不错的性能，完全符合设计要求。这不仅确保了装置的可靠运行，还为用户提供了更安全便捷的泊车体验。无论是日常使用还是在高峰时段，该系统都能稳定工作，满足各种复杂的泊车需求，从而提升了立体车库的整体使用效率和用户满意度。
5.总结与展望
随着城市化进程的加速推进和汽车普及率的不断提升，停车难题已成为城市交通管理中一个日益重要的问题。本课题提出了一款创新的立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置，为立体车库停车场景提供有效的辅助停车功能，缓解停车难题。该装置结合先进的传感技术和智能辅助系统，能显著提高驾驶员在停车过程中的精准性和安全性。具体来说，这款装置包括多个关键模块，如碰撞缓冲模块、屏幕显示模块、触碰传感模块、超声波或红外检测模块及提示灯模块等。这些模块协同工作，为驾驶员提供全方位的停车辅助和安全保障。
碰撞缓冲模块能在车辆发生碰撞时起到缓冲作用，减少车辆和车库设施的损伤。屏幕显示模块则为驾驶员提供实时的停车信息和操作指引，使停车过程更直观和便捷。触碰传感模块能检测车辆与车库设施间的接触，及时发出警报，避免进一步的损害。超声波或红外检测模块用于检测车辆周围的障碍物，确保停车过程中的安全距离。提示灯模块通过视觉信号提醒驾驶员注意停车过程中的各种情况，进一步提高停车安全性。通过这些模块的综合应用，这款立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置能显著提升驾驶员的停车体验，减少停车过程中的错误和事故，为城市交通管理提供有效的解决方案。
未来，立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置系统有望在以下几方面继续发展壮大：首先，智能化水平的提升是一个重要的发展方向。通过结合人工智能技术，系统将能学习并适应驾驶员的停车习惯，从而提供更个性化的停车引导服务，进一步提高停车的精准性和安全性，使停车过程更高效便捷。其次，网络连接功能的增强也是一个关键的发展趋势。将装置与城市交通管理系统进行有效连接，可实现停车位信息实时监控和管理，有助于优化停车资源利用，提高城市停车效率，缓解城市停车难问题。再者，环保节能方面的探索也是未来发展的重点。通过使用环保材料和节能技术，可有效减少装置在运行过程中的能源消耗和碳排放，使装置更环保和可持续。这不仅有助于保护环境，还能降低长期运营成本，实现经济效益和环境效益的双赢。此外，用户体验的优化也不可忽视。通过不断优化用户界面和交互设计，可使驾驶员更方便快捷地使用该装置，从而提升用户体验。良好的用户体验将有助于促进装置的推广应用，使其在市场占据更大份额。
综上所述，随着科技的不断进步和社会需求的持续增长，立体车库滑动档轮杆缓冲辅助停车装置将会迎来更广阔的发展空间和应用场景。它不仅能为城市停车管理提供更高效便捷的解决方案，还能在交通安全方面发挥重要作用，为城市交通的可持续发展作出更大贡献。
实物图
责任编辑：李银慧
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