自平衡式电动车立体停车装置设计

2018-09-10黄莉莉江家伍张苗苗王耀朱晓康张欣马斌

牡丹江师范学院学报（自然科学版） 2018年3期

黄莉莉　江家伍　张苗苗　王耀　朱晓康　张欣　马斌

摘要：设计一款电动车立体停车装置，以解决城市小区中电动车停车难问题.装置拥有多层停车平台，利用旋转方式存取，其内部的平行四杆机构设计使运行过程中停车板始终保持水平状态；伺服控制程序实现了最快调取和准确停位；人体红外传感器的安装提高了装置的安全性；停车板上导向槽和移动锁的设计加大了存取方便性.

关键词：电动车；平行四杆机构；自平衡；伺服控制

[中图分类号]O351 [文献标志码]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

电动自行车是城市小区居民短途出行必备的交通工具.据统计，一个具有1 000户居民的小区，其电动车保有量不低于1 300辆.现小区的电动车停车方式多采用平面式[1]，搭建的车棚已无法解决电动车停车位不足和充电问题.普通的卡位式以及电动车立体停车库主要针对电动车的充电、收费以及美观、防盗进行的设计，空间利用率非常有限.[2]杭州已运行的双层停车架虽然增大了存车容量，但是主要用于共享单车，且停放过程中需要一定的力度，能否满足小区使用者的要求仍有待商榷.[3-4]郭润坤曾提到的悬挂式停车方式，空间利用较好，但不能满足电动车停放平稳的要求，仅适用于自行车.[5]此外，传动旋转式停车装置多采用重力摩天轮式，停车板不易实现自平衡，旋转过程中晃动很大，且存取消耗时间较长.针对上述问题，本文设计一款停车平稳、存取方便的自平衡式立体停车装置.

1 停车装置介绍

1.1 结构组成

装置结构如图1所示.偏心机构中主动板在链轮的带动下旋转运动，利用四杆机构特性，装置停车板可始终保持水平，其六层停车板可提高同等面积下的停车容量，旋转的运行方式可方便使用者存取.通过伺服控制可实现对应按键存取、停车板准确停靠和自动选择最短旋转路径的功能.导向槽、移动锁以及人体红外感应器的应用，可保证使用者的安全.

2.4 停车板

为进一步加强装置的安全实用性，需对停车板进行优化设计，在停车板上安装围栏和导向槽，导向槽的一端安移动锁.车辆进入停车板后，使用者只需扶住电动车尾部，便能将车按导向槽的轨迹推入.在支起支撑后，锁住前轮，便能使电动车平衡并约束在相应位置处.考虑小区电动车的多样性，电车前轮尺寸存在差异，导向槽上锁柄安装在导向槽轨道上并可在一定范围内前后移动，可起到防盗作用，还可以避免意外状况下车辆的坠落.取车时，使用者可根据锁上编号取车.

3 控制模块设计

3.1 伺服电机

装置在旋转的过程中对速度、平稳性及精度具有较高的要求，不工作时停车板要保持原态不能发生转动.因此，选用控制精度高、带刹车功能的伺服电机.极限状态下，装置的最大扭矩出现在同侧三个停车板停满车而对侧没有停车时，此时距支撑轴最远处停车板产生的扭矩最大.

令每个停车板位于距支撑轴最远处，此时每块停车板产生的力矩为60×9.8×2.3×4=5 409.6 N·m.假设三块停车板均在极限位置，此时总力矩为5 409.6×3=16 228.8 N·m.考虑到扭矩、惯量比等因素，选择型号为SM 130-100-25LFBZ的伺服电机.[9]电机转矩为10 N·m，转速为2 500 rpm.实际应用中，转速控制在1 r/min，输出转矩为2 500×10=25 000 N·m，此转矩大于极限状态下扭矩和，满足极限状态下转矩需求.

3.2 控制程序

采用伺服电机的位置控制方式，让伺服驱动器工作在位置模式（CP脉冲/DIR方向接口），通过stc51单片机产生脉冲来控制伺服电机驱动器，以精确控制电机的转速和转角.[10]设计增加人体红外传感器[11]，对停靠位置进行监测，通过感应反馈实现单片机的中断，目的是加大装置的安全系数.

停放位置的选取由矩阵键盘来实现.键盘上的“1-6”分别表示装置上编号为1-6的停车板；键盘上的“7”和“8”是出现位置偏差后进行人工调节的正反转按钮.当检测到按键被按下时，单片机的相应的i/o口就会发出脉冲到伺服电机驱动器，通过脉冲的宽度与频率控制电机的转动速度，通过脉冲数量确定电机的工作位置.初始状态下，编号为1的停车板放置在停放位置，当按下其他编号停车板对应的按键后，主动轮就会旋转，使相应编号停车板轉到停靠位置.当所按按键编号与此刻停靠位按键编号之差绝对值打小于3时，装置正转；当绝对值大于3时，装置就会选择较短路径——反转.通过这种设计可压缩存取等待时间，加大人性化程度.

伺服驱动器接收到的位置指令信号与反馈信号比较后形成偏差信号，经PID运算减少累计输出误差，保持输出信号的稳定，实现停车板的准确停位.

装置外壳上安装人体红外传感器，对停靠区域进行监测，目的是加大装置的安全系数，减少意外状况的发生.使用者按相应编号停车板进入停靠区域，准备停车时，传感器会立刻反馈一个信号给单片机，使单片机出现中断，保持停车板此刻状态不会旋转，避免人在停车区域时，装置因为其他因素出现旋转对使用者造成的伤害.

4 结论

设计了一款电动车立体停车装置，可以解决城市小区中电动车停车难问题.停车装置占地面积 25.5 m2，是普通停车方式占地面积的一半，极大地节约了空间.装置存取方便，安全可靠，可有效缓解城市小区中存在的电动车停车难问题.装置的长宽高均可调节，能够适用于不同类型的小区、商场、车站、公交站点等地.旋转层数可根据空间优化调整，最大化提高停放数量.将导向槽改为自行车停车架，可停放自行车.

参考文献

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[6] 高红梅，赵延林，李长凤等. 平面体系几何组成分析技巧和思路[J]. 牡丹江师范学院学报：自然科学版， 2014 （1）： 66-67.

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