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(佛山科學技術學院機電工程學院，廣東佛山528000)

0 引言

隨著綠色出行、低碳以及健康生活的倡導，特別是隨著共享單車的推廣應用，自行車成了人們短距離出行，特別是最后一公里出行的首選方式，也成了除散步外健身鍛煉的一種主要方式之一。自行車雖給人們出行帶來了便利，但自行車無處停放、隨處亂停已嚴重影響了人們的生活，同時自行車的安全問題如丟失現、日曬雨淋、使用壽命短等也成了一個亟待解決的難題[1-5]。

自行車停放裝置的發(fā)展在國外尤其在日本已有幾十年的歷史，在技術上已獲得了成功[6-7]。機械式自動停車裝置與傳統的停車方法相比，具有更多的優(yōu)越性。首先，自動停車裝置具有突出的節(jié)地優(yōu)勢和更高的空間利用率，傳統的平放停車方式所占的用地面積，如采用雙層甚至多層停車裝置，可使地面的使用率提高80%～90%，如果采用高低錯位式立體停車裝置的話，3.6 m2的土地面積上便可存放18輛自行車；其次，由于其具有全封閉性，可更加有效地保證人身和車輛的安全，有效地防止了車輛被偷盜和丟失的可能性，停車設備運轉，停車裝置從管理上可以做到徹底的人車分流。

圖1 水平式停放裝置

目前，國內外的汽車停放裝置層出不斷(圖1和圖2)[8]，但相對來說，自行車停放裝置較少(圖3)[8]，而我國也初步在一線二線城市發(fā)展起自行車停放裝置，但總體情況還是不夠成熟。

圖2 循環(huán)式停放裝置 圖3 新穎式自行車停放裝置

1 系統構思

圖4 錯位自鎖式自行車停放裝置

為了有效地提高空間利用率，參照現有的汽車和自行停放方案，我們提出了采用垂直交錯停放方式來停放自行車，其結構如圖4。和現有水平停放方式相比較，由于垂直錯位式在相同的占地面積上可以停放更多的自行車，而和循環(huán)停放方式比較，控制方法簡單成本較低，與新穎式停放系統比較，采用全封閉結構，自行車的安全和壽命得到了保證。

該系統由機械部分和控制部分組成。機械部分采用導軌滑塊的形式，以主軸底盤進行旋轉換位，用電力小車來驅動停放的自行車沿導軌上的停車架移動以達到指定位置，為了保證每輛自行車之間的橫向距離充分使用，進一步節(jié)省空間，采用了高低錯位方式來進行自行車的停放。當自行車達到指定位置后，由于是垂直式停放，所以一定要有穩(wěn)定的鎖定機構，參照脈動式機芯結構，本設計創(chuàng)新性使用了機械自鎖的方式來穩(wěn)定垂直停放的自行車。

控制部分采用PLC可編程控制方式，PLC可編程控制成本比較低，操作簡單，運行穩(wěn)定，而且維修費用較低。利用PLC可編程控制可實現停車裝置的機械自動化，使停車裝置能夠自主智能地在簡單操作下實現停車與取車。

2 機械部分的設計

2.1 系統構成

該系統的機械裝置主要有高低錯位底盤結構(圖5)、推進系統結構(圖6-圖9)、輔助系統結構(圖10、圖11)三大部分組成。高低錯位底盤結構是一個圓盤形狀結構，可直接停放和承載自行車，并且能有效的提高利用率；推進系統包含導軌及停車架(圖6)、自鎖結構(圖7、圖8)、動力小車(圖9)三個部分組成，其中導軌結構主要為可相互滑動導軌和停車架；停車或取車時，動力小車沿著導軌推動停放在停車架的自行車向前運動，運動到一定位置時觸發(fā)自鎖結構，完成自鎖與解鎖步驟，實現自行車固定或者松開在導軌上的功能；輔助系統結構由六桿自動門機構(圖10)和曳引輪機構(圖11)組成，六桿自動門機構起安全保護作用能防止自行車被盜，曳引輪機構起升降的作用，使整個自行車停放裝置能夠實現多層層疊停放的效果。

圖5 高低錯位底盤結構 圖6 導軌

2.2 高低錯位底盤結構設計

該機構(圖5)主要是將自行車停放在一個帶有停放架轉動的底盤上，并將自行車按一定的旋轉角度高低錯位均勻的分布在底盤上。由于自行車自身的結構限制，使自行均勻停放在底盤的時候會留有很大的間隙。為了提高自行車停放時的空間利用率，采用了一個高低錯位的結構，在同一個轉盤上面利用高低錯位的方法停放兩層自行車，這就可以很好地利用單層停放的間隔空間。其主要參數是：錯位的距離和高度，距離和高度太大會降低空間的利用率，太小自行車在停放的運動過程中產生相互干涉現象。根據自行車整體的外形結構和停放在停放架時的位置狀態(tài)，最后通過多次仿真分析的結果不斷優(yōu)化得到合適的高度和距離。

2.3 推進系統結構設計

2.3.1 導軌的設計

現有的自行車停放裝置主要有兩種方式：一是直接在地面停放，二是多層平放。顯然，第二種方式能在單位面積的地面上停放更多的自行車，其缺點是比較龐大。在此我們利用多層懸掛的方式，通過一定傾角交錯放置的導軌(圖6)，自行車停放到導軌的停車架上和導軌一起交錯掛到裝置上，以減少水平占地面積。導軌截面形狀為T形槽，停車架下有T形滑塊可以在導軌的T型槽內滑動，既能防止滑塊從導軌中脫落又可有效減小小車在推動過程的阻力和損耗。

2.3.2 自鎖結構

在設計停車架時，為了保證其在導軌上滑行又能夠固定傾斜放置的自行車和停車架，因此應設計一個自鎖裝置，該裝置具有以下功能：①停車時能將傾斜放置停車架固定住，防止自行車下滑；②在取車時能解鎖，使自行車能沿著軌道滑動下來。

現有的自鎖方式主要有：電磁鐵和機械結構兩種方式，兩者各有優(yōu)勢：電磁鐵的優(yōu)勢在于可以通過通/斷電操作來操控磁性的有無，便于停取車；機械結構的優(yōu)勢則是在于零部件使用壽命長，使用的性能穩(wěn)定，不需要經常更換?？紤]到整個停車結構的安全性和穩(wěn)定性，在此選用可靠度更高的杠桿傳動機構(圖7)和脈動式機芯結構(圖8)共同實現自鎖功能。

圖7 杠桿傳動機構 圖8 脈動式機芯結構

脈動式機芯結構在運動過程中會在高位和低位循環(huán)，杠桿傳動機構可以改變力的方向。我們選擇上下兩個杠桿傳動機構來改變力的方向，并結合滑塊使用，將旋轉運動變?yōu)橹本€運動。根據杠桿平衡的相關公式，通過調節(jié)杠桿支撐點的位置，來對所需的主動力的大小進行調節(jié)。上杠桿傳動機構(圖7)我們放在導軌上端，下杠桿傳動機構(圖7)放在導軌支撐架下端、靠近導軌背面的平面處。當動力小車沿著導軌推動停放在停車架的自行車向前運動到一定位置時，停車架前端會推動上杠桿傳動機構，并觸發(fā)脈動式機芯結構，利用脈動式機芯結構的行程差控制下杠桿傳動機構將力傳導到阻擋推塊，實現阻擋推塊的上升和下降，完成自鎖與解鎖步驟，以達到將自行車固定或者松開的目的。假定初始為解鎖狀態(tài)，則每一次觸發(fā)將會使該結構處于“鎖定—解鎖—鎖定—解鎖”的循環(huán)狀態(tài)。

2.3.3 動力小車設計

圖9 動力小車

動力小車(圖9)的設計包含機械結構和動力系統的設計。其機械結構設計主要是為了解決停車過程中自行車和停車架從水平位置運動到停放位置時的干涉問題；動力系統設計是給動力小車提供動力，在此采用停靠充電系統，同時可有效解決動力小車運動過程中的線纏繞問題。

動力小車除了要完成把自行車推到傾斜停放的位置之外，還要沿著軌道再前走一段路程觸發(fā)脈動式機芯結構，而當自鎖機構被觸發(fā)時，自鎖機構下方用來阻擋自行車下滑的阻擋推塊就會上升，與小車的位置產生重疊，從而發(fā)生干涉，因此把小車的俯視外型設計成“凹字型”結構。動力小車在不工作的時候是停放在升降臺末端，為避免停放時跨過小車而抬起自行車，把小車的結構設計成“凹字型”結構+“雙向”斜坡形式，其動力來源采用電池驅動，其充電方式為?？砍潆姺椒ǎ呻姍C提供。

動力小車對電機要求如下：推動自行車及其停車板運動到軌道頂端觸發(fā)自鎖機構；當小車推動自行車運動到軌道頂端時，小車靜止0.5～1s，即具有一定制動保持負載能力，因此可選擇電磁制動電機。

2.3.4 輔助系統機構

除上述主要機構外，還有控制開關門的六桿機構(圖10)以及起升降作用的曳引輪機構(圖11)等輔助機構。六桿自動門機構中桿1是曲柄、2搖桿，它們用3桿、4桿5桿和機架構成反平行四邊形機構，可實現兩扇門的同時開合。曳引輪機構起升降的作用，通過鋼絲繩牽引升降梯垂直運動，使自行車可以停放在錯位的位置或第二層停放裝置中。具體結構在此就不一一說明了。

圖10 圖11

3 控制系統設計

現有的控制系統主要采用單片機控制和PLC可編程控制。PLC可編程控制成本比較低，操作簡單，運行穩(wěn)定，維修費用較低，并且停車裝置的控制轉移條件為行程控制，所以本設計使用PLC作為控制系統。

圖12 停車流程圖 圖13 取車流程圖

本系統的停車裝置手動按鍵一共有四個，分別為停車，完成停車，取車，完成取車。以下分別為停車流程(圖12)和取車流程(圖13)，既可以直接通過手動方式在裝置上操作也可以通過手機進行控制，其停取車過程說明如下：

停車：在按下停車按鍵后，裝置會自行啟動，系統自行掃描空置的停車架，待停車架放下并且開門后，使用者方可進行停放自行車的操作。

停車完成：在完成停車操作后，使用者得自行閉合停放架上的鎖，然后確保自行車停到指定位置后，可以按下停車完成按鍵，裝置會自行把使用者的自行車停到指定停車軌道上，然后完成停車步驟。

取車：按下取車按鍵，停車裝置會根據掃描器掃描到的條形碼識別相應停車位的自行車，把使用者自行車取出至停車架上，供使用者取回自己的自行車。

完成取車：使用者取車完成后，可以按下完成按鈕，動力小車將自行把停車導軌帶回既定停車位上，裝置和程序復位。

控制系統程序框圖如圖14。

圖14 控制系統程序框圖

5 結論

錯位懸掛式自行車自動停放系統采用高低錯位懸掛的停放方式，能有效地提高空間利用率，解決現階段自行車停放過程中出現的雜亂、占地現象，并且對其中的高低錯位底盤結構、推進裝置、脈動式機芯機械結構、動力小車和停車導軌及停車架等進行了設計，并利用PLC對其控制系統進行了設計，后面搭建了模型進行了模擬，整個裝置的性能可靠，但動力小車以及停車架等結構設計還存在一定的問題，以及控制部分還沒有與互聯網相聯，這些都是以后進一步改進和提升的方向。