楊麗新，賈茹沅，李虹，文宗明

(華南理工大學(xué) a. 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640； b. 廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，交通擁堵、環(huán)境污染等問題日益嚴重，2017年國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》中，強調(diào)要推動節(jié)能低碳發(fā)展，優(yōu)化交通運輸結(jié)構(gòu)，完善城市交通運輸服務(wù)系統(tǒng)，完善自行車等慢行服務(wù)系統(tǒng)建設(shè)[1-6]。因此，近年來共享單車迅猛發(fā)展，然而，大量自行車亂停，嚴重影響交通秩序，成為城市管理的嚴峻挑戰(zhàn)，迫切需要研發(fā)新型自行車停車裝置[7-11]。本文基于機械裝置的優(yōu)化方法和控制技術(shù)[12-13]，設(shè)計了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。

1 總體方案設(shè)計

本文旨在設(shè)計一款用在城市各類小區(qū)、公共場所，通過刷卡實現(xiàn)存取自行車功能的自動停車裝置。通過機械結(jié)構(gòu)與控制模塊相結(jié)合的方式，實現(xiàn)自行車停放和取出的過程控制，并最終達到空間利用率高、安全、便捷等方面的使用需求。方案設(shè)計主要包括兩個方面：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制模塊設(shè)計。

如圖1所示，在保證整體結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性的前提下，單邊等間距設(shè)置3個停車位，實現(xiàn)一種仿“摩天輪”式的停車結(jié)構(gòu)，雙邊可提供6個自行車車位。自行車通過夾持機構(gòu)夾緊固定在圓盤上，通過大轉(zhuǎn)矩步進電機和蝸輪蝸桿減速箱帶動圓盤轉(zhuǎn)動，根據(jù)需要將自行車轉(zhuǎn)動到合適位置以方便存取。

傳統(tǒng)的停車方式一般分三步進行：1) 尋找合適的停放空間；2) 停放并調(diào)整位置；3) 鎖車。本文所設(shè)計的自行車停車裝置控制模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機，在停取車的過程中應(yīng)用RFID無線射頻技術(shù)刷卡存取，將自行車轉(zhuǎn)到指定位置。該停車裝置場地適應(yīng)能力強，靈活裝卸，停車過程人機交互體驗良好。

圖1 雙邊自行車停車裝置

2 承載能力分析

根據(jù)設(shè)計的需求，電機作為動力源需要提供整個裝置旋轉(zhuǎn)的動力，通過其轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自行車的存取，需要選擇合適的輸出轉(zhuǎn)矩。停放的自行車是電機的主要負載，由于該設(shè)計采用對稱式結(jié)構(gòu)，因此分析停車裝置單側(cè)的受力情況即可。

本裝置在設(shè)計和樣機制作過程中，選用兒童自行車為對象，該兒童自行車車重為3.5kg。如圖2所示，夾持機構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件質(zhì)量之和為4.5kg，力臂L為0.6m。從單側(cè)來看，分為停放1輛、2輛、3輛自行車的3種停車情況。如圖3所示，虛線表示停放了自行車車位所在轉(zhuǎn)動桿，黑色粗實線表示未停放自行車車位所在轉(zhuǎn)動桿。忽略轉(zhuǎn)動桿的質(zhì)量，將自行車、夾持機構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件看成一個整體，其質(zhì)量為m。假設(shè)質(zhì)心在轉(zhuǎn)動桿末端，則單側(cè)停放1、2、3輛自行車時，由受力分析可分別建立自行車停車裝置單側(cè)的轉(zhuǎn)矩平衡方程：

(1)

(2)

(3)

其中：θ為自行車旋轉(zhuǎn)角度；m1、m2和m3分別為第1、第2和第3輛自行車、夾持機構(gòu)、連接塊及與之相連的連接件的質(zhì)量之和；g為重力系數(shù)；L為力臂。

1—主動軸；2—從動軸；3—夾持機構(gòu)；4—連接塊；5—自行車；6—轉(zhuǎn)動桿。圖2 局部結(jié)構(gòu)

圖3 單側(cè)停放不同數(shù)量自行車時的受力情況分析

由式(1)-式(3)的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)停放1輛車時，其轉(zhuǎn)動所需要的轉(zhuǎn)矩最大為48N·m(θ=90°或270°)；當(dāng)停放2輛車時，其轉(zhuǎn)動所需要的轉(zhuǎn)矩最大為48N·m(θ=30°或210°)；當(dāng)停放3輛車時，所需要的轉(zhuǎn)矩最小，幾乎可以忽略不計。因此，單邊停放情況下，電機需要帶動1輛或2輛自行車在某個角度時為電機需要提供的最大轉(zhuǎn)矩。由于采用對稱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，雙邊停放情況下，電機需要提供的最大轉(zhuǎn)矩為單邊停放的2倍，即96N·m。

本文所設(shè)計的自行車停車裝置選用材料6061合金。如圖4所示，從動軸屬于轉(zhuǎn)軸，它既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩。因此，作為重要構(gòu)件，運用SolidWorks Simulation仿真軟件有限元分析對軸進行強度校核，材料參數(shù)如表1。

圖4 受力分析結(jié)果

表1 材料參數(shù)表

名稱參數(shù)值名稱參數(shù)值質(zhì)量/kg0.14密度/(kg/m3)2 700體積/ m35.03×105負載/kg100屈服強度/(N/m2)5.51×107張力強度/(N/m2)1.240 84×108彈性模量/(N/m2)6.9×1010泊松比0.33抗剪模量/(N/m2)2.6×1010熱擴張系數(shù) /Kelvin2.4×10-5抗拉強度/(N/m2)2.05×108受拉屈服強度/(N/m2)5.52×107彎曲強度/(N/m2)2.28×108

仿真結(jié)果如圖5和表2所示，最大應(yīng)力為7.08×107N/m2，最大位移為0.10mm。軸主要承受徑向壓力，彎曲變形，其最大應(yīng)力遠小于彎曲極限強度，軸的設(shè)計滿足強度要求。

表2 仿真結(jié)果

圖5 靜應(yīng)力分析

3 控制系統(tǒng)模塊設(shè)計

控制系統(tǒng)模塊是雙邊自行車停車裝置的核心部分。在運行的過程中，控制系統(tǒng)模塊處理用戶在存取自行車過程中6個車位的順暢切換以及定位，記錄用戶刷卡輸入的指令、響應(yīng)并輸出脈沖實現(xiàn)相應(yīng)動作。本文所設(shè)計的自行車停車裝置控制系統(tǒng)模塊采用32位閃存微控制器STM32系列單片機來處理停車裝置運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，采用RFID-RC522射頻感應(yīng)模塊作為用戶與裝置之間的交互媒介，縮短用戶存取車的時間，操作簡單易上手。STM32的硬件定時器經(jīng)過初始化配置，穩(wěn)定輸出固定頻率的脈沖信號，供步進電機工作所用。STM32與RC522無線射頻模塊通過SPI通訊協(xié)議進行相互通信，實現(xiàn)操作過程中數(shù)據(jù)的解碼與轉(zhuǎn)換，實時檢測用戶是否輸入信號。相較于其他控制芯片，STM32系列單片機大大地提高了裝置的穩(wěn)定性。RFID-RC522射頻感應(yīng)模塊可通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機械或光學(xué)接觸，是一種較為成熟的通信技術(shù)。

控制系統(tǒng)模塊的程序編寫基本框架如圖6所示。首先對單片機進行系統(tǒng)初始化，分配模塊所需的引腳輸入輸出，RC522模塊初始化完成后，整體裝置準(zhǔn)備工作已經(jīng)完畢。等待用戶使用裝置上的鑰匙扣形狀的卡片進行刷卡，刷卡動作完畢后，裝置會自動判斷卡號并且將與卡號對應(yīng)的車位調(diào)節(jié)至最低點，此時用戶便可以進行存車的動作，待用戶存車完成后，用戶再次刷卡便可告知裝置對車位進行復(fù)位，同時將用戶所存的自行車轉(zhuǎn)移至較高位置，增強安全性。同理，用戶取車過程與上述操作一致，至此，完成一整套存取車動作。

圖6 工作流程圖

4 結(jié)語

本文基于機械裝置的優(yōu)化方法和控制技術(shù)，設(shè)計了一種“摩天輪”式新型雙邊立式自行車停車裝置。該裝置由機械執(zhí)行機構(gòu)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，機械執(zhí)行機構(gòu)通過大轉(zhuǎn)矩步進電機和蝸輪蝸桿減速箱帶動圓盤轉(zhuǎn)動形成旋轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)，可提供6個自行車車位；控制系統(tǒng)利用32位閃存微控制器STM32系列單片機來處理小車運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)用戶在存取自行車過程中6個車位順暢地切換以及定位。該裝置具有空間利用率高、存取簡便快捷、美觀防盜等特點，可在有限空間內(nèi)存儲更多自行車，解決了自行車停放雜亂無章、占地面積大、影響通行的問題，可為大多數(shù)城市小區(qū)內(nèi)自行車的管理提供一種可參考的解決方案。