自平衡式電動車立體停車裝置設計

黃莉莉　江家伍　張苗苗　王耀　朱曉康　張欣　馬斌

摘 要：設計一款電動車立體停車裝置，以解決城市小區(qū)中電動車停車難問題.裝置擁有多層停車平臺，利用旋轉(zhuǎn)方式存取，其內(nèi)部的平行四桿機構(gòu)設計使運行過程中停車板始終保持水平狀態(tài)；伺服控制程序?qū)崿F(xiàn)了最快調(diào)取和準確停位；人體紅外傳感器的安裝提高了裝置的安全性；停車板上導向槽和移動鎖的設計加大了存取方便性.

關鍵詞：電動車；平行四桿機構(gòu)；自平衡； 伺服控制

[中圖分類號]O351 [文獻標志碼]A

Abstract：An three-dimensional parking device for electric vehicle is designed to solve the difficulty of parking in urban community. The device has multi-layer parking platforms which are accessed by the rotating method. A parallel four-bar mechanism is used to keep the parking plate in a horizontal state during operation. The servo control program achieves automatically the fastest extraction and accurate parking； the applying of a infrared body sensor improves the security； the guide slots and mobile locks on the parking plates make parking expediently.

Key words：electric vehicle； parallel four-bar mechanism；self-balancing；servo control

電動自行車是城市小區(qū)居民短途出行必備的交通工具.據(jù)統(tǒng)計，一個具有1 000戶居民的小區(qū)，其電動車保有量不低于1 300輛.現(xiàn)小區(qū)的電動車停車方式多采用平面式[1]，搭建的車棚已無法解決電動車停車位不足和充電問題.普通的卡位式以及電動車立體停車庫主要針對電動車的充電、收費以及美觀、防盜進行的設計，空間利用率非常有限.[2]杭州已運行的雙層停車架雖然增大了存車容量，但是主要用于共享單車，且停放過程中需要一定的力度，能否滿足小區(qū)使用者的要求仍有待商榷.[3-4]郭潤坤曾提到的懸掛式停車方式，空間利用較好，但不能滿足電動車停放平穩(wěn)的要求，僅適用于自行車.[5]此外，傳動旋轉(zhuǎn)式停車裝置多采用重力摩天輪式，停車板不易實現(xiàn)自平衡，旋轉(zhuǎn)過程中晃動很大，且存取消耗時間較長.針對上述問題，本文設計一款停車平穩(wěn)、存取方便的自平衡式立體停車裝置.

1 停車裝置介紹

1.1 結(jié)構(gòu)組成

裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.偏心機構(gòu)中主動板在鏈輪的帶動下旋轉(zhuǎn)運動，利用四桿機構(gòu)特性，裝置停車板可始終保持水平，其六層停車板可提高同等面積下的停車容量，旋轉(zhuǎn)的運行方式可方便使用者存取.通過伺服控制可實現(xiàn)對應按鍵存取、停車板準確?？亢妥詣舆x擇最短旋轉(zhuǎn)路徑的功能.導向槽、移動鎖以及人體紅外感應器的應用，可保證使用者的安全.

2.4 停車板

為進一步加強裝置的安全實用性，需對停車板進行優(yōu)化設計，在停車板上安裝圍欄和導向槽，導向槽的一端安移動鎖.車輛進入停車板后，使用者只需扶住電動車尾部，便能將車按導向槽的軌跡推入.在支起支撐后，鎖住前輪，便能使電動車平衡并約束在相應位置處.考慮小區(qū)電動車的多樣性，電車前輪尺寸存在差異，導向槽上鎖柄安裝在導向槽軌道上并可在一定范圍內(nèi)前后移動，可起到防盜作用，還可以避免意外狀況下車輛的墜落.取車時，使用者可根據(jù)鎖上編號取車.

3 控制模塊設計

3.1 伺服電機

裝置在旋轉(zhuǎn)的過程中對速度、平穩(wěn)性及精度具有較高的要求，不工作時停車板要保持原態(tài)不能發(fā)生轉(zhuǎn)動.因此，選用控制精度高、帶剎車功能的伺服電機.極限狀態(tài)下，裝置的最大扭矩出現(xiàn)在同側(cè)三個停車板停滿車而對側(cè)沒有停車時，此時距支撐軸最遠處停車板產(chǎn)生的扭矩最大.

令每個停車板位于距支撐軸最遠處，此時每塊停車板產(chǎn)生的力矩為60×9.8×2.3×4=5 409.6 N·m.假設三塊停車板均在極限位置，此時總力矩為5 409.6×3=16 228.8 N·m.考慮到扭矩、慣量比等因素，選擇型號為SM 130-100-25LFBZ的伺服電機.[9]電機轉(zhuǎn)矩為10 N·m，轉(zhuǎn)速為2 500 rpm.實際應用中，轉(zhuǎn)速控制在1 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為2 500×10=25 000 N·m，此轉(zhuǎn)矩大于極限狀態(tài)下扭矩和，滿足極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩需求.

3.2 控制程序

采用伺服電機的位置控制方式，讓伺服驅(qū)動器工作在位置模式（CP脈沖/DIR方向接口），通過stc51單片機產(chǎn)生脈沖來控制伺服電機驅(qū)動器，以精確控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角.[10]設計增加人體紅外傳感器[11]，對?？课恢眠M行監(jiān)測，通過感應反饋實現(xiàn)單片機的中斷，目的是加大裝置的安全系數(shù).

停放位置的選取由矩陣鍵盤來實現(xiàn).鍵盤上的“1-6”分別表示裝置上編號為1-6的停車板；鍵盤上的“7”和“8”是出現(xiàn)位置偏差后進行人工調(diào)節(jié)的正反轉(zhuǎn)按鈕.當檢測到按鍵被按下時，單片機的相應的i/o口就會發(fā)出脈沖到伺服電機驅(qū)動器，通過脈沖的寬度與頻率控制電機的轉(zhuǎn)動速度，通過脈沖數(shù)量確定電機的工作位置.初始狀態(tài)下，編號為1的停車板放置在停放位置，當按下其他編號停車板對應的按鍵后，主動輪就會旋轉(zhuǎn)，使相應編號停車板轉(zhuǎn)到?？课恢?當所按按鍵編號與此刻?？课话存I編號之差絕對值打小于3時，裝置正轉(zhuǎn)；當絕對值大于3時，裝置就會選擇較短路徑——反轉(zhuǎn).通過這種設計可壓縮存取等待時間，加大人性化程度.

伺服驅(qū)動器接收到的位置指令信號與反饋信號比較后形成偏差信號，經(jīng)PID運算減少累計輸出誤差，保持輸出信號的穩(wěn)定，實現(xiàn)停車板的準確停位.

裝置外殼上安裝人體紅外傳感器，對?？繀^(qū)域進行監(jiān)測，目的是加大裝置的安全系數(shù)，減少意外狀況的發(fā)生.使用者按相應編號停車板進入?？繀^(qū)域，準備停車時，傳感器會立刻反饋一個信號給單片機，使單片機出現(xiàn)中斷，保持停車板此刻狀態(tài)不會旋轉(zhuǎn)，避免人在停車區(qū)域時，裝置因為其他因素出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對使用者造成的傷害.

4 結(jié)論

設計了一款電動車立體停車裝置，可以解決城市小區(qū)中電動車停車難問題.停車裝置占地面積 25.5 m2，是普通停車方式占地面積的一半，極大地節(jié)約了空間.裝置存取方便，安全可靠，可有效緩解城市小區(qū)中存在的電動車停車難問題.裝置的長寬高均可調(diào)節(jié)，能夠適用于不同類型的小區(qū)、商場、車站、公交站點等地.旋轉(zhuǎn)層數(shù)可根據(jù)空間優(yōu)化調(diào)整，最大化提高停放數(shù)量.將導向槽改為自行車停車架，可停放自行車.

參考文獻

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編輯：琳莉