一種智能車位地鎖的設計與運動仿真

胡 浩，鐘麗瓊，徐玉梁

（貴陽學院 機械工程學院，貴州 貴陽 550005）

隨著社會的快速發(fā)展，人民生活水平的逐步提高，作為交通工具的汽車也逐漸普及到家家戶戶，車輛與日俱增的同時，車位的數(shù)量也成為讓人頭痛的一個問題，經(jīng)常會引起車主之間一些不必要的紛爭［1-4］，車位地鎖的出現(xiàn)解決了這一問題。隨之而來對車位地鎖的需求也日益增加，目前市場上的車位地鎖主要以傳統(tǒng)機械式手動車位地鎖為主，該車位地鎖因其具有結構簡單，價格低廉，無需過多維護保養(yǎng)等優(yōu)點獲得了很多車主的青睞，因而應用較為廣泛。但其缺點也顯而易見，即在使用時極其不便，車主在駕駛車輛進入或離開車位時，需要下車進行手動操作車位地鎖的打開與關閉，再將車輛駛進或駛離車位。當遇到惡劣天氣時，使用不便的問題就顯得更加突出。因此，為解決上述問題，遙控車位地鎖就成為了研發(fā)的重點方向［5-7］，在此背景下，本文提出了一種基于無線遙控的智能新型車位地鎖結構。本車位地鎖在機械結構與其操作控制上進行了改進，運用無線遙控控制與自動控制相結合的方式進行車位地鎖的控制，使車主無需上下車就可輕易打開或關閉車位地鎖，在駕駛車輛離開或進入車位時，很大程度上減少了停車過程中所需要的時間與過多的不便，有效地提高了車主的停車效率。

1 總體設計

本文車位地鎖主要分為鎖體機構與鎖體控制單元兩部分組成，其中鎖體機構部分又由警示牌、支撐桿、驅動桿、底座、驅動電機和電控鎖等組成；鎖體控制系統(tǒng)由無線發(fā)射器、接收器、控制主板、限位開關、紅外線感應器、驅動模塊和電源等組成，各單元的連接及鎖體主要結構如圖1 所示。

圖1 車位地鎖總體結構

車位地鎖工作原理為：遙控器發(fā)出“關”信號，接收天線接收信號，控制主板收到信號后，將控制信號傳到驅動控制，控制驅動電機轉動和電控鎖的打開，當?shù)劓i打開到指定的位置觸碰限位開關，限位開關將信號傳遞到控制主板，對信號進行分析處理后，將控制信號“停止”傳遞到驅動控制；驅動控制電機停止和控制電控鎖打開，地鎖完成關閉。

遙控器發(fā)出“開”信號，接收天線接收信號，控制主板收到信號后，將控制信號傳到驅動控制，控制驅動電機轉動和電控鎖的打開，當?shù)劓i打開到指定的位置觸碰限位開關，限位開關將信號傳遞到控制主板，對信號進行分析處理后，將控制信號“停止”傳遞到驅動控制；驅動控制電機停止和控制電控鎖打開，地鎖完成打開。

當車離開時紅外線光電開關檢測不到車的存在，并將信號“開”傳遞到控制主板，對數(shù)據(jù)進行分析處理后，把控制信號“開”傳遞到驅動控制；在10 秒后驅動控制控制電機轉動和電控鎖的打開，完成開鎖。

2 車位地鎖鎖體設計

2.1 結構設計

如圖2 所示為車位地鎖的鎖體結構圖，鎖體中警示牌的上下兩端分別與支撐桿和驅動桿的一端相鉸接，支撐桿和驅動桿的另一端均分別鉸接于底板上，四個鉸接處的鉸接軸均相互平行，驅動桿上與底板相鉸接的一端又同時與驅動電機的輸出軸傳動連接。

圖2 車位地鎖鎖體結構

地鎖內，電控鎖設置于用于嵌置驅動桿的條形槽的側面，電控鎖的鎖頭為電控伸縮鎖頭，驅動桿在嵌置于條形槽內時，驅動桿上對應電控鎖的鎖頭處開設有限位孔。此外，限位開關觸碰器是與驅動桿相平行的條形結構，限位開關觸碰器的一端固定于驅動電機的輸出軸上，另一端為限位開關觸碰端，輸出軸的相對兩側分別對應設置有一個限位開關。限位開關觸碰器在傳動軸的帶動下擺動至輸出軸的兩側并與底板相平行時，限位開關觸碰器的限位開關觸碰端分別與輸出軸兩側的限位開關相接觸，其空間位置的布置及電源、控制、驅動、等單元和紅外傳感器開關等的布置如圖2 所示。

地鎖警示牌的相對兩側分別鉸接有一個驅動桿，兩個驅動桿的長度相同并平行設置，兩個驅動桿與警示牌的鉸接處同軸設置，且兩個驅動桿與底板的鉸接處也同軸設置，底板上端的相對兩側開設有用于嵌置驅動桿的條形槽。

地鎖主體機構采用四連桿機構設計，在打開或者關閉的過程中各部件之間具有良好的聯(lián)動性，地鎖可順暢地打開或關閉。車位地鎖的五個主要部件在地鎖打開時側視圖整體成三角形，具有穩(wěn)定性好的幾何特點，此外，五個主要部件都采用不銹鋼材料制成，這使得地鎖在整體上具有良好的強度。相較于傳統(tǒng)的車位地鎖，本文所述的車位地鎖在穩(wěn)定性、強度等性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的車位地鎖，可有效防止地鎖損壞，阻止他人車輛的入侵，可靠性好，能更好地看住主人的車位。材質上的選擇，地鎖內各電子器件的防水設計，讓地鎖即使在各種極端天氣情況下也不易產生銹蝕，延長其使用壽命，有效保障地鎖的穩(wěn)定運行。

2.2 鎖體工作原理

車位地鎖整體機構運動的動力源為減速電機提供的扭轉轉矩；通過聯(lián)軸器將減速電機輸出軸與傳動軸連接，傳動軸與驅動桿連接，最終將減速電機輸出的扭轉轉矩傳遞至驅動桿，從而帶動整個地鎖機構的運動；驅動桿的另一端鉸接處繞傳動軸的軸心線做擺臂運動，帶動與之相鉸接的警示牌運動，警示牌又帶動與之相鉸接的支撐桿運動，支撐桿圍繞底板與之相鉸接的鉸接軸軸心線做擺臂運動；最后組成整體主要機構的復合運動。

當整體機構運動到相應位置時，電控鎖鎖頭伸出插入驅動桿內或縮回電控鎖內，從而實現(xiàn)機構運動與停止的控制。

3 車位地鎖運動分析

根據(jù)設計的機構參數(shù)建立坐標系如圖3 所示，將各機構部件表示為矢量，結構封閉矢量方程的復數(shù)矢量形式為：

圖3 參數(shù)計算坐標系

應用歐拉公式將（1）的實部、虛部分離，得

由上式（2）可求得兩個未知方位角。

首先求得

4 實驗研究

根據(jù)地鎖各主要部件的設計參數(shù)計算得出如下圖4 所示驅動桿、警示牌、支撐桿的角位移、角速度、角加速度曲線圖。根據(jù)圖4（b）所示數(shù)據(jù)，部件運動到極點時的受力情況，滿足預先設計電機軸力矩折算之后的受力要求。

圖4 角位移、角速度、角加速度的曲線圖

在圖4 所示的各部件角位移、角速度、角加速度的曲線中，在地鎖運行過程的有效曲線段內（有效曲線段為地鎖從起始位置運行到最終位置中間變化過程的曲線），各部件的角位移勻速增加，驅動桿始終勻速變化，警示牌與支撐桿雖然有加快上升的階段，但是此階段已不在地鎖運行的有效曲線段內；角速度的變化相對平緩，驅動桿始終不變，警示牌與支撐桿雖有急劇上升的階段，但此階段也不在地鎖運行的有效階段內；角加速度的變化在有效線段內幾乎不變，由此分析可知此地鎖主要機構部件的運動平緩穩(wěn)定，相較于劇烈的運動，平緩穩(wěn)定的運行有益于減小機構運行時的內應力，減小各鉸鏈的磨損，保證機構性能，也有益于提高機構的疲勞強，提高地鎖的使用壽命。

5 結論

本文提出并設計了基于無線遙控技術的智能新型車位地鎖，該車位地鎖利用無線遙控技術進行信號的無線傳輸以及遙控并與自動控制相結合對地鎖進行控制；對該車位地鎖機構進行了優(yōu)化設計，采用四連桿機構，關鎖時成三角形，并采用不銹鋼材料，使其具有運行穩(wěn)定，結構牢固可靠，使用壽命長等優(yōu)點；經(jīng)過模擬控制驗證，結果表明，車位地鎖在機構設計上滿足預定設計要求，各部件的角位移勻速增加，角速度的變化相對平緩，角加速度的變化在有效線段內幾乎不變，地鎖主要機構部件的運動平緩穩(wěn)定。