自平衡式電動車立體停車裝置設計

黃莉莉　江家伍　張苗苗　王耀　朱曉康　張欣　馬斌

摘 要：設計一款電動車立體停車裝置，以解決城市小區(qū)中電動車停車難問題.裝置擁有多層停車平臺，利用旋轉方式存取，其內(nèi)部的平行四桿機構設計使運行過程中停車板始終保持水平狀態(tài)；伺服控制程序實現(xiàn)了最快調取和準確停位；人體紅外傳感器的安裝提高了裝置的安全性；停車板上導向槽和移動鎖的設計加大了存取方便性.

關鍵詞：電動車；平行四桿機構；自平衡； 伺服控制

[中圖分類號]O351 [文獻標志碼]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

電動自行車是城市小區(qū)居民短途出行必備的交通工具.據(jù)統(tǒng)計，一個具有1 000戶居民的小區(qū)，其電動車保有量不低于1 300輛.現(xiàn)小區(qū)的電動車停車方式多采用平面式[1]，搭建的車棚已無法解決電動車停車位不足和充電問題.普通的卡位式以及電動車立體停車庫主要針對電動車的充電、收費以及美觀、防盜進行的設計，空間利用率非常有限.[2]杭州已運行的雙層停車架雖然增大了存車容量，但是主要用于共享單車，且停放過程中需要一定的力度，能否滿足小區(qū)使用者的要求仍有待商榷.[3-4]郭潤坤曾提到的懸掛式停車方式，空間利用較好，但不能滿足電動車停放平穩(wěn)的要求，僅適用于自行車.[5]此外，傳動旋轉式停車裝置多采用重力摩天輪式，停車板不易實現(xiàn)自平衡，旋轉過程中晃動很大，且存取消耗時間較長.針對上述問題，本文設計一款停車平穩(wěn)、存取方便的自平衡式立體停車裝置.

1 停車裝置介紹

1.1 結構組成

裝置結構如圖1所示.偏心機構中主動板在鏈輪的帶動下旋轉運動，利用四桿機構特性，裝置停車板可始終保持水平，其六層停車板可提高同等面積下的停車容量，旋轉的運行方式可方便使用者存取.通過伺服控制可實現(xiàn)對應按鍵存取、停車板準確停靠和自動選擇最短旋轉路徑的功能.導向槽、移動鎖以及人體紅外感應器的應用，可保證使用者的安全.

2.4 停車板

為進一步加強裝置的安全實用性，需對停車板進行優(yōu)化設計，在停車板上安裝圍欄和導向槽，導向槽的一端安移動鎖.車輛進入停車板后，使用者只需扶住電動車尾部，便能將車按導向槽的軌跡推入.在支起支撐后，鎖住前輪，便能使電動車平衡并約束在相應位置處.考慮小區(qū)電動車的多樣性，電車前輪尺寸存在差異，導向槽上鎖柄安裝在導向槽軌道上并可在一定范圍內(nèi)前后移動，可起到防盜作用，還可以避免意外狀況下車輛的墜落.取車時，使用者可根據(jù)鎖上編號取車.

3 控制模塊設計

3.1 伺服電機

裝置在旋轉的過程中對速度、平穩(wěn)性及精度具有較高的要求，不工作時停車板要保持原態(tài)不能發(fā)生轉動.因此，選用控制精度高、帶剎車功能的伺服電機.極限狀態(tài)下，裝置的最大扭矩出現(xiàn)在同側三個停車板停滿車而對側沒有停車時，此時距支撐軸最遠處停車板產(chǎn)生的扭矩最大.

令每個停車板位于距支撐軸最遠處，此時每塊停車板產(chǎn)生的力矩為60×9.8×2.3×4=5 409.6 N·m.假設三塊停車板均在極限位置，此時總力矩為5 409.6×3=16 228.8 N·m.考慮到扭矩、慣量比等因素，選擇型號為SM 130-100-25LFBZ的伺服電機.[9]電機轉矩為10 N·m，轉速為2 500 rpm.實際應用中，轉速控制在1 r/min，輸出轉矩為2 500×10=25 000 N·m，此轉矩大于極限狀態(tài)下扭矩和，滿足極限狀態(tài)下轉矩需求.

3.2 控制程序

采用伺服電機的位置控制方式，讓伺服驅動器工作在位置模式（CP脈沖/DIR方向接口），通過stc51單片機產(chǎn)生脈沖來控制伺服電機驅動器，以精確控制電機的轉速和轉角.[10]設計增加人體紅外傳感器[11]，對停靠位置進行監(jiān)測，通過感應反饋實現(xiàn)單片機的中斷，目的是加大裝置的安全系數(shù).

停放位置的選取由矩陣鍵盤來實現(xiàn).鍵盤上的“1-6”分別表示裝置上編號為1-6的停車板；鍵盤上的“7”和“8”是出現(xiàn)位置偏差后進行人工調節(jié)的正反轉按鈕.當檢測到按鍵被按下時，單片機的相應的i/o口就會發(fā)出脈沖到伺服電機驅動器，通過脈沖的寬度與頻率控制電機的轉動速度，通過脈沖數(shù)量確定電機的工作位置.初始狀態(tài)下，編號為1的停車板放置在停放位置，當按下其他編號停車板對應的按鍵后，主動輪就會旋轉，使相應編號停車板轉到停靠位置.當所按按鍵編號與此刻停靠位按鍵編號之差絕對值打小于3時，裝置正轉；當絕對值大于3時，裝置就會選擇較短路徑——反轉.通過這種設計可壓縮存取等待時間，加大人性化程度.

伺服驅動器接收到的位置指令信號與反饋信號比較后形成偏差信號，經(jīng)PID運算減少累計輸出誤差，保持輸出信號的穩(wěn)定，實現(xiàn)停車板的準確停位.

裝置外殼上安裝人體紅外傳感器，對停靠區(qū)域進行監(jiān)測，目的是加大裝置的安全系數(shù)，減少意外狀況的發(fā)生.使用者按相應編號停車板進入停靠區(qū)域，準備停車時，傳感器會立刻反饋一個信號給單片機，使單片機出現(xiàn)中斷，保持停車板此刻狀態(tài)不會旋轉，避免人在停車區(qū)域時，裝置因為其他因素出現(xiàn)旋轉對使用者造成的傷害.

4 結論

設計了一款電動車立體停車裝置，可以解決城市小區(qū)中電動車停車難問題.停車裝置占地面積 25.5 m2，是普通停車方式占地面積的一半，極大地節(jié)約了空間.裝置存取方便，安全可靠，可有效緩解城市小區(qū)中存在的電動車停車難問題.裝置的長寬高均可調節(jié)，能夠適用于不同類型的小區(qū)、商場、車站、公交站點等地.旋轉層數(shù)可根據(jù)空間優(yōu)化調整，最大化提高停放數(shù)量.將導向槽改為自行車停車架，可停放自行車.

參考文獻

[1] 宋秋紅， 安豐貞， 方鈾，等. 城市立體車庫的現(xiàn)狀及展望[J]. 城市公用事業(yè)， 2012（5）： 19-22.

[2] 王琴， 楊連發(fā)， 張震，等. 自行車停放裝置的開發(fā)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代機械， 2009（5）： 82-85.

[3] 王月圓， 計萍， 朱家明，等. 關于公共自行車配置的研究[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版， 2016（1）： 10-12.

[4] 賈蘊發(fā)， 劉楊， 李超. 新型雙層自行車停放架設計[J]. 機械設計， 2016（9）： 121-123.

[5] 郭潤坤. 新型小區(qū)自行車停車裝置創(chuàng)新方案探究[J]. 機電信息， 2018 （6）： 26-27.

[6] 高紅梅， 趙延林， 李長鳳等. 平面體系幾何組成分析技巧和思路[J]. 牡丹江師范學院學報：自然科學版， 2014 （1）： 66-67.

[7] 濮良貴， 陳國定， 吳立言. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社， 2013. 77-79.

[8] 楊莉紅. 導電滑環(huán)技術的研究[J]. 科技傳播， 2012 （6）： 45-50.

[9] 王軍鋒， 唐宏. 伺服電機選型的原則和注意事項[J]. 裝備制造技術， 2009（11）： 129-131.

[10] 李紅偉， 胡濤， 徐熙平，等. 基于單片機的伺服電機控制系統(tǒng)的研究[J]. 長春理工大學學報：自然科學版， 2012， 35（1）： 116-118.

[11] 張敏. 基于紅外傳感器的人體信號檢測保護系統(tǒng)設計[J]. 裝備制造技術， 2008（1）： 50-52.

[12] 孔曉玲， 陳雪輝， 鄭紅霞等. 幾何量精度設計與測量技術[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017. 157-163.

編輯：琳莉