智能車位地鎖的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真

蘇泓楷　關(guān)景新　邱小群

摘 要：在信息化時(shí)代背景西，智能車位地鎖逐漸普及在日常生活中，政府部門針對(duì)智能車位地鎖實(shí)際情況提出各種相關(guān)政策，來促進(jìn)智能車位地鎖實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。但從目前智能車位地鎖實(shí)際情況來看，由于其在我國運(yùn)行時(shí)間較短，很多方面并未進(jìn)一步完善，給智能車位地鎖日常發(fā)展未來不同程度的影響，甚至影響到智能車位地鎖運(yùn)行效率?；诖?，本文通過分析智能車位地鎖發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，針對(duì)不同區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行車位地鎖結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，來闡述智能車位地鎖的工作原理，再從不同方面來設(shè)計(jì)車位地鎖鎖體環(huán)節(jié)，然后利用仿真軟件對(duì)車位鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到各方面數(shù)據(jù)，如角速度、驅(qū)動(dòng)桿、角加速度曲線、警示牌等數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：不同部件的角位移均勻增加，角速度變化速度較慢，在某個(gè)區(qū)間中角加速度變化基本相同，地鎖主要環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度非常緩慢，能有效滿足用戶需求。

關(guān)鍵詞：智能 車位地鎖 設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)仿真

1 引言

近年來，人們?nèi)粘Ｉ钏讲粩嗵岣?，汽車作為日常交通工具，其憑借自身高效率、操作簡單等特征被應(yīng)用到每家每戶，車輛數(shù)量呈現(xiàn)逐年遞增的形式，很容易誘發(fā)車主間出現(xiàn)各種問題，車位地鎖有效解決該種問題。但在信息化時(shí)代背景下，人們對(duì)車位地鎖需求量逐漸提高，現(xiàn)代現(xiàn)場上的車位地鎖主要以傳統(tǒng)機(jī)械式手動(dòng)車位地鎖為主體，該種車位地鎖具有多樣化特征，如價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，受到很多車主的喜歡，被廣泛應(yīng)用到日常使用中。但也給人們?nèi)粘Ｊ褂脦砀鞣N不便，車主在控制車輛進(jìn)入車位時(shí)，要提前下車將車位地鎖啟動(dòng)，才能讓車輛進(jìn)入車位。一旦遇到特殊情況，如暴雨、大雪等天氣，很容易給日常使用便捷性帶來嚴(yán)重影響。

針對(duì)該種問題，相關(guān)人員提出遙控車位地鎖結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)車位地鎖操作控制和機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，將自動(dòng)控制和無線遙控控制相互結(jié)合，來自動(dòng)控制車位地鎖，在駕駛員駕駛車輛進(jìn)入到車位時(shí)，能有效降低停車過程中所需的時(shí)間，進(jìn)一步提高車主的停車效率?；诖?，本文通過分析智能車位地鎖發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，針對(duì)不同區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行車位地鎖結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，來闡述智能車位地鎖的工作原理，再從不同方面來設(shè)計(jì)車位地鎖鎖體環(huán)節(jié)，然后利用仿真軟件對(duì)車位鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到各方面數(shù)據(jù)，如角速度、驅(qū)動(dòng)桿、角加速度曲線、警示牌等數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：不同部件的角位移均勻增加，角速度變化速度較慢，在某個(gè)區(qū)間中角加速度變化基本相同，地鎖主要環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度非常緩慢，能有效滿足用戶需求。

2 智能車位地鎖發(fā)展現(xiàn)狀

在信息化時(shí)代背景下，相關(guān)人員針對(duì)車位管理提出各種相關(guān)方案，但在日常運(yùn)行過程中，很容易受到各種外在因素影響，并未大規(guī)模使用。目前，我國最常見的是機(jī)械式車位地鎖，次要的是基于物聯(lián)網(wǎng)的智能型車位地鎖和電子遙控車位鎖。

2.1 機(jī)械式車位地鎖

機(jī)械式車位地鎖具有安全性高、價(jià)格便宜等特征，被廣泛應(yīng)用在日常生活中。但由于其日常應(yīng)用便捷性不足，每次進(jìn)入和驅(qū)離都要駕駛?cè)藛T手動(dòng)開鎖，導(dǎo)致整個(gè)過程非常繁瑣，特別是在陰雨天氣過于復(fù)雜。隨著科學(xué)技術(shù)不斷更新，這種機(jī)械式車位地鎖必將被淘汰。

2.2 電子遙控車位地鎖

電子遙控車位地鎖是利用遙控器來控制車位地鎖，操作車位地鎖頂桿的日常運(yùn)動(dòng)，駕駛?cè)藛T能在車內(nèi)進(jìn)行各種操作，具有較強(qiáng)的便捷性。但由于車位地鎖采用蓄電池進(jìn)行供電，在日常應(yīng)用中充電難度系數(shù)較大，且蓄電池很難被安裝在車位中，很容易出現(xiàn)沒電的問題，導(dǎo)致駕駛?cè)藛T無法正常使用。同時(shí)，還存在其他問題，如汽車出入庫忘記操作遙控器、忘帶遙控器等問題，導(dǎo)致出現(xiàn)各種車位地鎖無法使用的問題。因上述這些現(xiàn)象，導(dǎo)致電子遙控式車位地鎖不能進(jìn)行大規(guī)模推廣，給其使用范圍帶來嚴(yán)重限制。

2.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能型車位地鎖

這種車位地鎖主要應(yīng)用在共享車位的車位地鎖，是以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主體，通過手機(jī)掃碼來操作車位地鎖。城市智能車位地鎖，能夠合理的安排停車，將城市現(xiàn)有停車資源合理利用，降低用戶停車花費(fèi)的時(shí)間，減少因?yàn)橥＼噹淼慕煌ㄘ?fù)擔(dān)。因此，工作人員要構(gòu)建智能車位地鎖系統(tǒng)模型，主要是采用無線傳感器對(duì)車位地鎖信息進(jìn)行控制，為用戶提供實(shí)時(shí)服務(wù)，通過對(duì)車位地鎖進(jìn)行合理調(diào)配，平衡用戶和服務(wù)間的需求，其是城市智能交通系統(tǒng)中最常見的輔助系統(tǒng)，能進(jìn)一步改善交通問題，有利于我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。但從目前使用情況來看，由于其也存在蓄電池電源安裝困難，且在一些地下車庫中手機(jī)信號(hào)較差，無法對(duì)車位鎖進(jìn)行操作，給手機(jī)掃碼帶來不同程度的困難，造成基于互聯(lián)網(wǎng)的智能型車位地鎖不能廣泛應(yīng)用在日常生活中[1]。

3 總體設(shè)計(jì)

本文車位地鎖主要包括鎖體控制單元、鎖體機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)，其中鎖體機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)是由電控鎖、警示牌、驅(qū)動(dòng)桿、支撐桿、底座等環(huán)節(jié)，鎖體控制系統(tǒng)則有紅外線感應(yīng)器、接收器、限位開關(guān)、驅(qū)動(dòng)模塊、電源等環(huán)節(jié)（如圖1所示）。車位地鎖工作原理是通過遙控器發(fā)布關(guān)信號(hào)，能收集來自天線的信號(hào)，當(dāng)控制主板接收到相關(guān)指令后，會(huì)通過控制信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)?shù)劓i移動(dòng)到預(yù)期位置時(shí)，會(huì)觸碰到限位開關(guān)，限位開關(guān)會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦靼?，系統(tǒng)通過分析信號(hào)后，將停止的控制信號(hào)傳遞到驅(qū)動(dòng)控制中，驅(qū)動(dòng)控制會(huì)打開控制電控鎖，讓電機(jī)停止運(yùn)行，地鎖會(huì)自動(dòng)完成閉合工作。當(dāng)遙控器發(fā)布打開信號(hào)時(shí)，會(huì)接收天線信號(hào)，控制主板將控制信號(hào)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)，啟動(dòng)電控鎖，觸碰到限位開關(guān)，限位開關(guān)會(huì)將信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦靼?，系統(tǒng)自動(dòng)分析信號(hào)，傳遞控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)控制打開電控鎖，停止電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)心地鎖自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。在車輛驅(qū)離后，紅外線光電開關(guān)無法檢測到車輛存在，會(huì)將打開信號(hào)傳輸?shù)娇刂浦靼?，通過分析數(shù)據(jù)內(nèi)容后，會(huì)將其傳遞到驅(qū)動(dòng)控制，經(jīng)過十秒時(shí)間，驅(qū)動(dòng)控制會(huì)控制電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，打開電控鎖，從而達(dá)到開鎖的目的[2]。

4 車位地鎖鎖體設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過分析車位地鎖的鎖體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鎖體中警示牌上下兩端和驅(qū)動(dòng)桿、支撐桿進(jìn)行連接，兩者另一側(cè)分別連接在地板上，四個(gè)連接點(diǎn)的連接軸均處于相互平行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)桿和地板相連的一端又與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸傳動(dòng)相互連接。在地鎖中，電控鎖通常安裝在驅(qū)動(dòng)桿條形槽的側(cè)面，電控鎖鎖頭使用電控伸縮鎖頭，但值得注意的是，在將驅(qū)動(dòng)桿設(shè)置在條形槽時(shí)，工作人員要在驅(qū)動(dòng)桿上的電控鎖鎖頭位置安裝限位孔，讓限位開關(guān)觸碰器和驅(qū)動(dòng)桿在平行狀態(tài)，其屬于個(gè)別條形結(jié)構(gòu)，一旦纖維開關(guān)觸碰器側(cè)面固定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出中軸時(shí)，另一側(cè)連接限位開關(guān)的觸碰端，工作人員要在輸出軸兩側(cè)設(shè)置限位開關(guān)。在日常運(yùn)行過程中，纖維開關(guān)觸碰器在傳動(dòng)軸引導(dǎo)下進(jìn)行擺動(dòng)，當(dāng)其擺動(dòng)到輸出軸兩側(cè)時(shí)，纖維開關(guān)觸碰器的廚盆段會(huì)和輸出軸兩側(cè)限位開關(guān)進(jìn)行連接[3]。

地鎖警示牌兩側(cè)都連接著一個(gè)驅(qū)動(dòng)桿，要講兩個(gè)驅(qū)動(dòng)桿長度控制在合理范圍內(nèi)，利用同軸方式將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)桿和警示牌相互臨街，并自地板上部設(shè)置有條形槽。同時(shí)，要將地鎖主體環(huán)節(jié)采用四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，加強(qiáng)不同環(huán)節(jié)的聯(lián)動(dòng)性，來促進(jìn)地鎖正常進(jìn)行。目前，車位地鎖是由不同環(huán)節(jié)組成，在地鎖打開要將其側(cè)面作為一個(gè)整體三角形，能進(jìn)一步加強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，上述五個(gè)主要環(huán)節(jié)全部采用不銹鋼材料制作，能有效提高地鎖整體強(qiáng)度。和傳統(tǒng)車位地鎖相比，智能車位地鎖具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等特征，能有效避免地鎖被其他因素破壞，組織其他車輛隨意入侵，更好守護(hù)車位。從材料選擇方面，車位地鎖中有各種防水電子器件，進(jìn)一步延長車位地鎖使用年限，有效確保地鎖日常運(yùn)行穩(wěn)定性[4]。

4.2 鎖體工作原理

在信息化時(shí)代背景下，我國逐漸走向小康社會(huì)，人們的生活質(zhì)量提高較大提升，幾乎每家每戶都擁有汽車。根據(jù)有關(guān)人士調(diào)查，隨著汽車大幅度增長，無形中城市道路交通愈發(fā)擁擠，特別是在上班高峰期時(shí)，很多用戶對(duì)停車位存在較大困擾。用戶在停車過程中，浪費(fèi)大量時(shí)間和資源浪費(fèi)，給空寂造成嚴(yán)重污染，進(jìn)一步加重城市交通的堵塞情況。通過設(shè)計(jì)合理的車位地鎖，能解決城市交通壓力，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。車位地鎖整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行的能源是來自于減速電機(jī)所帶來的扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)動(dòng)軸和減速電機(jī)輸出軸相互連接起來，驅(qū)動(dòng)桿和傳動(dòng)軸連接，將減速電機(jī)輸出扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)桿，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)地鎖結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)桿另一側(cè)連接點(diǎn)要以傳動(dòng)軸的軸心線作為核心，來進(jìn)行擺臂運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)警示牌進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)，警示牌能帶動(dòng)支撐桿進(jìn)行運(yùn)行，支撐桿圍繞底板和連接軸軸心線進(jìn)行擺臂運(yùn)動(dòng)，才能形成一個(gè)整體進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)，插入到電控鎖和驅(qū)動(dòng)桿中，從而實(shí)現(xiàn)鎖體日常停止和打開動(dòng)作[5]。

4.3 車位地鎖運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)，工作人員可建立坐標(biāo)系，將不同機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)表示為矢量，得到結(jié)構(gòu)封閉矢量方程的復(fù)數(shù)矢量形式為：

（1）

5 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)地鎖不同環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)參數(shù)，工作人員計(jì)算出角加速度曲線圖、警示牌、驅(qū)動(dòng)桿、角速度等數(shù)據(jù)。通過分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主要部件運(yùn)動(dòng)到極點(diǎn)時(shí)，其受力情況滿足提前設(shè)計(jì)的電機(jī)軸力矩折算后的受力要求。同時(shí)，在不同部件的角加速度、角位移、角速度曲線中，在地鎖運(yùn)行過程中有效曲線段中不同部件的角位移呈現(xiàn)出均勻增加，驅(qū)動(dòng)桿長期保持為均勻變化，支撐桿和警示牌雖然顯示出高速上升的趨勢，但該階段已不屬于地鎖運(yùn)行有效曲線范圍內(nèi)。當(dāng)角速度變化過于平緩時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿并沒有任何明顯變化，支撐桿和警示牌雖有大幅度上升的階段，但該階段也不在車位地鎖運(yùn)行階段中；如果角加速度變化在有效線段中基本不變，可分析出該地鎖主要機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)非常穩(wěn)定，和各種劇烈運(yùn)動(dòng)相比，穩(wěn)定運(yùn)行能降低部件運(yùn)行的內(nèi)應(yīng)力，將不同鉸鏈磨損控制在可承受范圍內(nèi)，提高部件實(shí)際性能，進(jìn)一步延長地鎖使用壽命[6]。

6 結(jié)語

綜上所述，本文通過提出基于無線遙控技術(shù)的智能新型車位地鎖，該地鎖是利用無線遙控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號(hào)無線傳輸功能，將自動(dòng)控制要遙控控制進(jìn)行相互結(jié)合，來提高日常地鎖工作效率。但在信息化時(shí)代背景下，人們對(duì)車位地鎖需求量逐漸提高，現(xiàn)代現(xiàn)場上的車位地鎖主要以傳統(tǒng)機(jī)械式手動(dòng)車位地鎖為主體，該種車位地鎖具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、維修保養(yǎng)次數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，受到很多車主的喜歡，被廣泛應(yīng)用到日常使用中。但也存在各種缺點(diǎn)，給人們?nèi)粘Ｊ褂脦砀鞣N不便，車主在控制車輛進(jìn)入車位時(shí)，需要下車進(jìn)行手動(dòng)打開車位地鎖，才能讓車輛進(jìn)入車位。因此，相關(guān)工作人員要加強(qiáng)對(duì)智能車位地鎖的重視程度，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況來優(yōu)化車位地鎖機(jī)構(gòu)，利用四連桿機(jī)構(gòu)，關(guān)鎖時(shí)形成三角形，且材料以不銹鋼材料為主體，來提高地鎖日常運(yùn)行的穩(wěn)定性和牢固性，進(jìn)一步延長地鎖使用時(shí)間[7]。

因此，本文通過分析智能車位地鎖發(fā)展現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，針對(duì)不同區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行車位地鎖結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)，來闡述智能車位地鎖的工作原理，合理設(shè)計(jì)車位地鎖鎖體環(huán)節(jié)，然后利用仿真軟件對(duì)車位鎖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到各方面數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：各部件角位移均勻增加，角速度變化較為平緩，角加速度變化在某個(gè)區(qū)間內(nèi)基本相同，地鎖主要環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度處于平緩狀態(tài)，能有效滿足用戶需求[8]。

基金項(xiàng)目：2022年廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（“攀登計(jì)劃 ”專項(xiàng)資金）重點(diǎn)項(xiàng)目：“低碳智慧城市共享車位解決方案——基于深度學(xué)習(xí)的智慧地鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”，項(xiàng)目編號(hào)：pdjh2022a0990。

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