立式全自動單車停放系統(tǒng)

王世偉， 李淑娟， 張 龍， 伍 龍， 文世鵬， 張 雨

(淮南師范學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院， 安徽 淮南 232038)

0 引 言

共享單車一經(jīng)推出，就以其方便快捷、便宜實惠的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了各大城市，得到了人們的廣泛認可，成為人們?nèi)粘３鲂械谋貍涔ぞ摺；诖肆己玫谋尘昂蛷V闊的市場，各地涌現(xiàn)出了大量的共享單車公司，毫無限制的將共享單車投放到了城市之中，使得投放嚴重超量，供過于求，由此引發(fā)了嚴重的亂停亂放、單車損壞得不到及時維修、浪費場地資源等問題，為城市管理帶來了很大的難題[1-2]，各大城市也出臺了共享單車停放管理的相關(guān)政策，但是效果不明顯,共享單車的巨大優(yōu)勢的確給人們的出行帶來了很大的方便，不可能被禁止?，F(xiàn)有各大城市中應(yīng)用最多的是卡位式單車停放裝置，不僅占用了大量的場地資源，而且停放數(shù)量不多，場地利用率很低。

國內(nèi)外諸多學(xué)者對單車停放裝置展開了大量的研究，得到了很多成果[3-8]，但所設(shè)計的停車裝置均存在場地資源浪費、停車效率不高、無法實現(xiàn)損壞報警的缺陷，因此，急需設(shè)計一種既不占用場地資源，又能夠提高場地利用率，將單車有序排放并具有損壞報警功能的單車停放系統(tǒng)。

1 機械機構(gòu)設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于城市中太陽能路燈存儲電量過多,無法得到充分利用且燈桿周圍空間資源浪費的現(xiàn)狀，為充分利用燈柱周圍空間資源，所設(shè)計單車停放系統(tǒng)以太陽能路燈為依托，將停車系統(tǒng)寄附在燈柱上，其整體機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.懸掛停放裝置; 2.懸掛牽引裝置; 3.太陽能路燈。

其工作原理為：存車時，懸掛牽引裝置在路燈底部，將自行車掛在牽引裝置上后，電機驅(qū)動懸掛牽引裝置上升至有空位的停車層，進而該層懸掛停放裝置將空車位旋轉(zhuǎn)至懸掛牽引部位，將單車鎖緊停放，使單車以環(huán)形布局懸掛于停車層；取車時，指定車位的懸掛停放層將所取單車旋轉(zhuǎn)至懸掛牽引部位，懸掛牽引裝置將單車托住，利用電機驅(qū)動下降，將單車取出，實現(xiàn)單車的全自動存取功能。

1.2 懸掛牽引裝置

為實現(xiàn)存取車時單車能在電機的牽引下進行移動，設(shè)計了懸掛牽引裝置，其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該懸掛牽引裝置的工作原理為：存車時，步進電機控制牽引龍頭下降至路燈底部，將單車卡緊并牽引升至相應(yīng)停車層；取車時，步進電機控制牽引龍頭移動至相應(yīng)停車層，卡緊單車后，將其降至路燈底部。

1.牽引龍頭; 2.伸縮桿; 3.步進電機; 4.導(dǎo)輪; 5.導(dǎo)軌。

1.3 懸掛停放裝置

為使單車以環(huán)形布局依附路燈燈柱并懸掛于停車層，設(shè)計的懸掛停放裝置如圖3所示。

1.懸掛龍頭; 2.回轉(zhuǎn)支承下支座; 3.回轉(zhuǎn)支承下支座; 4.步進電機。

其工作原理為：存車時，當牽引裝置將單車牽引至該停車層的同時，懸掛停放裝置自動旋轉(zhuǎn)，將該層空車位旋轉(zhuǎn)至存車位，將單車鎖緊存放；取車時，根據(jù)控制指令，將停車層對應(yīng)位置的單車旋轉(zhuǎn)至取車位，由懸掛牽引裝置將單車取下。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計

所設(shè)計系統(tǒng)主要為了實現(xiàn)單車的智能存取和損壞報警功能，根據(jù)所要實現(xiàn)的功能及人性化的人機交互理念，設(shè)計的存車流程如圖4所示。

圖4 存車程序流程圖

取車流程如圖5所示。

圖5 取車程序流程圖

2.2 電路設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計存車、取車流程構(gòu)建的單車停放系統(tǒng)硬件電路如圖6所示。

圖6 總體硬件電路結(jié)構(gòu)

主控制器采用STM32F103R6單片機；在牽引龍頭部位安裝FSR402型薄膜壓力傳感器，用以感知單車是否掛于懸掛牽引裝置；在用戶終端使用LCD作為人機交互界面，同時設(shè)置有存車按鍵(是/確定)、取車按鍵(否/取消)和工程調(diào)試按鍵，用以實現(xiàn)存車、取車操作以及企業(yè)工程調(diào)修功能。

3 仿真分析

為了驗證所設(shè)計控制系統(tǒng)的控制效果，基于所設(shè)計的硬件電路，編程對存車操作和取車操作進行了仿真分析。

3.1 存車操作

當用戶進行存車操作時，系統(tǒng)界面顯示如圖7所示。

圖7 存車操作時系統(tǒng)人機交互界面

具體操作過程如下：

1)當點擊“存車”按鍵后，系統(tǒng)界面顯示見圖7(a)，提示用戶選擇用戶類型是“共享單車”或“私人單車”；

2)如果用戶選擇 “私人單車”，系統(tǒng)將直接執(zhí)行圖7(c)；如果用戶選擇“共享單車”時，系統(tǒng)界面顯示見圖7(b)，提示用戶確認車輛是否需要維修，如果選擇“是”，系統(tǒng)自動將信息發(fā)送至維修部門，維修部門將及時安排工作人員對該單車進行維修，如果選擇“否”，系統(tǒng)將執(zhí)行圖7(c)；

3)系統(tǒng)在確認操作后會進入存車確認界面(見圖7(c))，與此同時，懸掛牽引裝置下降至路燈底部，提示用戶將單車放至存車龍頭位置，并進行確認，懸掛牽引裝置所安裝的壓力傳感器，將單車已放置完成的信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動將單車牽引至停車層，停放至空車位;

4)如果用戶誤操作，未將單車放置好便點擊 “確認”按鍵，系統(tǒng)便接收不到壓力傳感器傳遞的放置完成信息，會顯示提示界面(見圖7(d))，報警并提示用戶檢查確認;

5)當系統(tǒng)接收到壓力傳感器傳遞的放置完成信息時，自動完成存車，如果是“共享單車”用戶，系統(tǒng)會顯示存車成功界面(見圖7(e))；如果是“私人單車”用戶，系統(tǒng)將顯示成功界面(見圖7(f))，并隨機生成存車碼，供用戶取車使用。

如果所有界面在20 s內(nèi)無相關(guān)操作，系統(tǒng)將復(fù)位至初始界面。另外，在軟件界面中，“存車”按鍵也具有“是”和“確定”功能；“取車”按鍵具有“否”和“取消”功能。

3.2 取車操作

當用戶進行取車操作時，系統(tǒng)界面顯示如圖8所示。

圖8 取車操作時系統(tǒng)人機交互界面

具體操作過程如下：

1)當點擊“取車”按鍵后，系統(tǒng)界面顯示見圖8(a)，提示用戶選擇用戶類型是“共享單車”或“私人單車”；

2)當用戶選擇“共享單車”時，系統(tǒng)界面顯示見圖8(b)，停車裝置會隨機將停車層完好無損的共享單車取下，并提示用戶進行取車確認；當用戶選擇“私人單車”時，系統(tǒng)提示用戶輸入存車時生成的代碼，代碼正確后，系統(tǒng)自動將單車取下，并提示用戶進行取車確認，系統(tǒng)界面見圖8(c)；

3)如果用戶誤操作，未將單車取下便點擊了“確認”按鍵，系統(tǒng)便接收不到壓力傳感器傳遞的取車成功信息，會顯示提示界面(見圖8(d))，報警并提示用戶檢查確認；

4)在取車確認操作后，系統(tǒng)會顯示“共享單車”取車成功界面(見圖8(e))和“私人單車”取車成功界面(見圖8(f))。

如果所有界面在20 s內(nèi)無相關(guān)操作，系統(tǒng)復(fù)位至初始界面。另外，在軟件界面中，“存車”按鍵也具有“是”和“確定”功能；“取車”按鍵具有“否”和“取消”功能。

通過以上編程仿真，很好地實現(xiàn)了存車、取車、損壞報警以及工程調(diào)試的功能。

4 樣機驗證

根據(jù)所設(shè)計機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)方案，以仿真結(jié)果為依據(jù)，設(shè)計了立式全自動單車停放系統(tǒng)樣機,如圖9所示。

圖9 立式全自動單車停放系統(tǒng)樣機

搭建實際控制電路，并編程控制很好地實現(xiàn)了單車的立式存放和取用。

5 結(jié) 語

為了實現(xiàn)城市內(nèi)共享單車和私人單車的有序存放，節(jié)省場地空間，提高空間利用率，設(shè)計了基于太陽能路燈的立式全自動單車停放機構(gòu)及其控制系統(tǒng)。

1)設(shè)計了單車懸掛牽引裝置和單車懸掛停放裝置，實現(xiàn)了單車的可靠牽引和存放；

2)設(shè)計了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和程序流程，搭建了仿真電路，編程仿真實現(xiàn)了友好的人機交互界面及既定的系統(tǒng)功能；

3)基于仿真結(jié)果設(shè)計制作了立式全自動單車停放系統(tǒng)樣機，很好地實現(xiàn)了單車的存放、取用和損壞報警功能，有利于解決現(xiàn)代城市單車亂停亂放、損壞得不到及時維修和場地利用率低等突出問題。