立式全自动单车停放系统

王世伟， 李淑娟， 张 龙， 伍 龙， 文世鹏， 张 雨

(淮南师范学院 机械与电气工程学院， 安徽 淮南 232038)

0 引 言

共享单车一经推出，就以其方便快捷、便宜实惠的优势迅速占领了各大城市，得到了人们的广泛认可，成为人们日常出行的必备工具。基于此良好的背景和广阔的市场，各地涌现出了大量的共享单车公司，毫无限制的将共享单车投放到了城市之中，使得投放严重超量，供过于求，由此引发了严重的乱停乱放、单车损坏得不到及时维修、浪费场地资源等问题，为城市管理带来了很大的难题[1-2]，各大城市也出台了共享单车停放管理的相关政策，但是效果不明显,共享单车的巨大优势的确给人们的出行带来了很大的方便，不可能被禁止。现有各大城市中应用最多的是卡位式单车停放装置，不仅占用了大量的场地资源，而且停放数量不多，场地利用率很低。

国内外诸多学者对单车停放装置展开了大量的研究，得到了很多成果[3-8]，但所设计的停车装置均存在场地资源浪费、停车效率不高、无法实现损坏报警的缺陷，因此，急需设计一种既不占用场地资源，又能够提高场地利用率，将单车有序排放并具有损坏报警功能的单车停放系统。

1 机械机构设计

1.1 总体结构设计

基于城市中太阳能路灯存储电量过多,无法得到充分利用且灯杆周围空间资源浪费的现状，为充分利用灯柱周围空间资源，所设计单车停放系统以太阳能路灯为依托，将停车系统寄附在灯柱上，其整体机械结构如图1所示。

1.悬挂停放装置; 2.悬挂牵引装置; 3.太阳能路灯。

其工作原理为：存车时，悬挂牵引装置在路灯底部，将自行车挂在牵引装置上后，电机驱动悬挂牵引装置上升至有空位的停车层，进而该层悬挂停放装置将空车位旋转至悬挂牵引部位，将单车锁紧停放，使单车以环形布局悬挂于停车层；取车时，指定车位的悬挂停放层将所取单车旋转至悬挂牵引部位，悬挂牵引装置将单车托住，利用电机驱动下降，将单车取出，实现单车的全自动存取功能。

1.2 悬挂牵引装置

为实现存取车时单车能在电机的牵引下进行移动，设计了悬挂牵引装置，其机械结构如图2所示。

该悬挂牵引装置的工作原理为：存车时，步进电机控制牵引龙头下降至路灯底部，将单车卡紧并牵引升至相应停车层；取车时，步进电机控制牵引龙头移动至相应停车层，卡紧单车后，将其降至路灯底部。

1.牵引龙头; 2.伸缩杆; 3.步进电机; 4.导轮; 5.导轨。

1.3 悬挂停放装置

为使单车以环形布局依附路灯灯柱并悬挂于停车层，设计的悬挂停放装置如图3所示。

1.悬挂龙头; 2.回转支承下支座; 3.回转支承下支座; 4.步进电机。

其工作原理为：存车时，当牵引装置将单车牵引至该停车层的同时，悬挂停放装置自动旋转，将该层空车位旋转至存车位，将单车锁紧存放；取车时，根据控制指令，将停车层对应位置的单车旋转至取车位，由悬挂牵引装置将单车取下。

2 控制系统设计

2.1 软件设计

所设计系统主要为了实现单车的智能存取和损坏报警功能，根据所要实现的功能及人性化的人机交互理念，设计的存车流程如图4所示。

图4 存车程序流程图

取车流程如图5所示。

图5 取车程序流程图

2.2 电路设计

根据所设计存车、取车流程构建的单车停放系统硬件电路如图6所示。

图6 总体硬件电路结构

主控制器采用STM32F103R6单片机；在牵引龙头部位安装FSR402型薄膜压力传感器，用以感知单车是否挂于悬挂牵引装置；在用户终端使用LCD作为人机交互界面，同时设置有存车按键(是/确定)、取车按键(否/取消)和工程调试按键，用以实现存车、取车操作以及企业工程调修功能。

3 仿真分析

为了验证所设计控制系统的控制效果，基于所设计的硬件电路，编程对存车操作和取车操作进行了仿真分析。

3.1 存车操作

当用户进行存车操作时，系统界面显示如图7所示。

图7 存车操作时系统人机交互界面

具体操作过程如下：

1)当点击“存车”按键后，系统界面显示见图7(a)，提示用户选择用户类型是“共享单车”或“私人单车”；

2)如果用户选择 “私人单车”，系统将直接执行图7(c)；如果用户选择“共享单车”时，系统界面显示见图7(b)，提示用户确认车辆是否需要维修，如果选择“是”，系统自动将信息发送至维修部门，维修部门将及时安排工作人员对该单车进行维修，如果选择“否”，系统将执行图7(c)；

3)系统在确认操作后会进入存车确认界面(见图7(c))，与此同时，悬挂牵引装置下降至路灯底部，提示用户将单车放至存车龙头位置，并进行确认，悬挂牵引装置所安装的压力传感器，将单车已放置完成的信号发送给控制系统，系统会自动将单车牵引至停车层，停放至空车位;

4)如果用户误操作，未将单车放置好便点击 “确认”按键，系统便接收不到压力传感器传递的放置完成信息，会显示提示界面(见图7(d))，报警并提示用户检查确认;

5)当系统接收到压力传感器传递的放置完成信息时，自动完成存车，如果是“共享单车”用户，系统会显示存车成功界面(见图7(e))；如果是“私人单车”用户，系统将显示成功界面(见图7(f))，并随机生成存车码，供用户取车使用。

如果所有界面在20 s内无相关操作，系统将复位至初始界面。另外，在软件界面中，“存车”按键也具有“是”和“确定”功能；“取车”按键具有“否”和“取消”功能。

3.2 取车操作

当用户进行取车操作时，系统界面显示如图8所示。

图8 取车操作时系统人机交互界面

具体操作过程如下：

1)当点击“取车”按键后，系统界面显示见图8(a)，提示用户选择用户类型是“共享单车”或“私人单车”；

2)当用户选择“共享单车”时，系统界面显示见图8(b)，停车装置会随机将停车层完好无损的共享单车取下，并提示用户进行取车确认；当用户选择“私人单车”时，系统提示用户输入存车时生成的代码，代码正确后，系统自动将单车取下，并提示用户进行取车确认，系统界面见图8(c)；

3)如果用户误操作，未将单车取下便点击了“确认”按键，系统便接收不到压力传感器传递的取车成功信息，会显示提示界面(见图8(d))，报警并提示用户检查确认；

4)在取车确认操作后，系统会显示“共享单车”取车成功界面(见图8(e))和“私人单车”取车成功界面(见图8(f))。

如果所有界面在20 s内无相关操作，系统复位至初始界面。另外，在软件界面中，“存车”按键也具有“是”和“确定”功能；“取车”按键具有“否”和“取消”功能。

通过以上编程仿真，很好地实现了存车、取车、损坏报警以及工程调试的功能。

4 样机验证

根据所设计机械结构和控制系统方案，以仿真结果为依据，设计了立式全自动单车停放系统样机,如图9所示。

图9 立式全自动单车停放系统样机

搭建实际控制电路，并编程控制很好地实现了单车的立式存放和取用。

5 结 语

为了实现城市内共享单车和私人单车的有序存放，节省场地空间，提高空间利用率，设计了基于太阳能路灯的立式全自动单车停放机构及其控制系统。

1)设计了单车悬挂牵引装置和单车悬挂停放装置，实现了单车的可靠牵引和存放；

2)设计了控制系统结构和程序流程，搭建了仿真电路，编程仿真实现了友好的人机交互界面及既定的系统功能；

3)基于仿真结果设计制作了立式全自动单车停放系统样机，很好地实现了单车的存放、取用和损坏报警功能，有利于解决现代城市单车乱停乱放、损坏得不到及时维修和场地利用率低等突出问题。