黃莉莉　江家伍　張苗苗　王耀　朱曉康　張欣　馬斌

摘 要：設(shè)計(jì)一款電動(dòng)車立體停車裝置，以解決城市小區(qū)中電動(dòng)車停車難問(wèn)題.裝置擁有多層停車平臺(tái)，利用旋轉(zhuǎn)方式存取，其內(nèi)部的平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)使運(yùn)行過(guò)程中停車板始終保持水平狀態(tài)；伺服控制程序?qū)崿F(xiàn)了最快調(diào)取和準(zhǔn)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(dǎo)向槽和移動(dòng)鎖的設(shè)計(jì)加大了存取方便性.

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車；平行四桿機(jī)構(gòu)；自平衡； 伺服控制

[中圖分類號(hào)]O351 [文獻(xiàn)標(biāo)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(dòng)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(jì)，一個(gè)具有1 000戶居民的小區(qū)，其電動(dòng)車保有量不低于1 300輛.現(xiàn)小區(qū)的電動(dòng)車停車方式多采用平面式[1]，搭建的車棚已無(wú)法解決電動(dòng)車停車位不足和充電問(wèn)題.普通的卡位式以及電動(dòng)車立體停車庫(kù)主要針對(duì)電動(dòng)車的充電、收費(fèi)以及美觀、防盜進(jìn)行的設(shè)計(jì)，空間利用率非常有限.[2]杭州已運(yùn)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(guò)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(rùn)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(dòng)車停放平穩(wěn)的要求，僅適用于自行車.[5]此外，傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)式停車裝置多采用重力摩天輪式，停車板不易實(shí)現(xiàn)自平衡，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中晃動(dòng)很大，且存取消耗時(shí)間較長(zhǎng).針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)組成

裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.偏心機(jī)構(gòu)中主動(dòng)板在鏈輪的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用四桿機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)的運(yùn)行方式可方便使用者存取.通過(guò)伺服控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)按鍵存取、停車板準(zhǔn)確停靠和自動(dòng)選擇最短旋轉(zhuǎn)路徑的功能.導(dǎo)向槽、移動(dòng)鎖以及人體紅外感應(yīng)器的應(yīng)用，可保證使用者的安全.

2.4 停車板

為進(jìn)一步加強(qiáng)裝置的安全實(shí)用性，需對(duì)停車板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在停車板上安裝圍欄和導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽的一端安移動(dòng)鎖.車輛進(jìn)入停車板后，使用者只需扶住電動(dòng)車尾部，便能將車按導(dǎo)向槽的軌跡推入.在支起支撐后，鎖住前輪，便能使電動(dòng)車平衡并約束在相應(yīng)位置處.考慮小區(qū)電動(dòng)車的多樣性，電車前輪尺寸存在差異，導(dǎo)向槽上鎖柄安裝在導(dǎo)向槽軌道上并可在一定范圍內(nèi)前后移動(dòng)，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(shí)，使用者可根據(jù)鎖上編號(hào)取車.

3 控制模塊設(shè)計(jì)

3.1 伺服電機(jī)

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

令每個(gè)停車板位于距支撐軸最遠(yuǎn)處，此時(shí)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(shè)三塊停車板均在極限位置，此時(shí)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(hào)為SM 130-100-25LFBZ的伺服電機(jī).[9]電機(jī)轉(zhuǎn)矩為10 N·m，轉(zhuǎn)速為2 500 rpm.實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)速控制在1 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩為2 500×10=25 000 N·m，此轉(zhuǎn)矩大于極限狀態(tài)下扭矩和，滿足極限狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩需求.

3.2 控制程序

采用伺服電機(jī)的位置控制方式，讓伺服驅(qū)動(dòng)器工作在位置模式（CP脈沖/DIR方向接口），通過(guò)stc51單片機(jī)產(chǎn)生脈沖來(lái)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角.[10]設(shè)計(jì)增加人體紅外傳感器[11]，對(duì)?？课恢眠M(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)感應(yīng)反饋實(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn).鍵盤上的“1-6”分別表示裝置上編號(hào)為1-6的停車板；鍵盤上的“7”和“8”是出現(xiàn)位置偏差后進(jìn)行人工調(diào)節(jié)的正反轉(zhuǎn)按鈕.當(dāng)檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)的相應(yīng)的i/o口就會(huì)發(fā)出脈沖到伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)脈沖的寬度與頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過(guò)脈沖數(shù)量確定電機(jī)的工作位置.初始狀態(tài)下，編號(hào)為1的停車板放置在停放位置，當(dāng)按下其他編號(hào)停車板對(duì)應(yīng)的按鍵后，主動(dòng)輪就會(huì)旋轉(zhuǎn)，使相應(yīng)編號(hào)停車板轉(zhuǎn)到?？课恢?當(dāng)所按按鍵編號(hào)與此刻?？课话存I編號(hào)之差絕對(duì)值打小于3時(shí)，裝置正轉(zhuǎn)；當(dāng)絕對(duì)值大于3時(shí)，裝置就會(huì)選擇較短路徑——反轉(zhuǎn).通過(guò)這種設(shè)計(jì)可壓縮存取等待時(shí)間，加大人性化程度.

伺服驅(qū)動(dòng)器接收到的位置指令信號(hào)與反饋信號(hào)比較后形成偏差信號(hào)，經(jīng)PID運(yùn)算減少累計(jì)輸出誤差，保持輸出信號(hào)的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)停車板的準(zhǔn)確停位.

裝置外殼上安裝人體紅外傳感器，對(duì)?？繀^(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(yīng)編號(hào)停車板進(jìn)入?？繀^(qū)域，準(zhǔn)備停車時(shí)，傳感器會(huì)立刻反饋一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，使單片機(jī)出現(xiàn)中斷，保持停車板此刻狀態(tài)不會(huì)旋轉(zhuǎn)，避免人在停車區(qū)域時(shí)，裝置因?yàn)槠渌蛩爻霈F(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)使用者造成的傷害.

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)車立體停車裝置，可以解決城市小區(qū)中電動(dòng)車停車難問(wèn)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(dòng)車停車難問(wèn)題.裝置的長(zhǎng)寬高均可調(diào)節(jié)，能夠適用于不同類型的小區(qū)、商場(chǎng)、車站、公交站點(diǎn)等地.旋轉(zhuǎn)層數(shù)可根據(jù)空間優(yōu)化調(diào)整，最大化提高停放數(shù)量.將導(dǎo)向槽改為自行車停車架，可停放自行車.

參考文獻(xiàn)

[1] 宋秋紅， 安豐貞， 方鈾，等. 城市立體車庫(kù)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(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代機(jī)械， 2009（5）： 82-85.

[3] 王月圓， 計(jì)萍， 朱家明，等. 關(guān)于公共自行車配置的研究[J]. 牡丹江師范學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2016（1）： 10-12.

[4] 賈蘊(yùn)發(fā)， 劉楊， 李超. 新型雙層自行車停放架設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)， 2016（9）： 121-123.

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

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

[7] 濮良貴， 陳國(guó)定， 吳立言. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社， 2013. 77-79.

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

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

[10] 李紅偉， 胡濤， 徐熙平，等. 基于單片機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J]. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2012， 35（1）： 116-118.

[11] 張敏. 基于紅外傳感器的人體信號(hào)檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 裝備制造技術(shù)， 2008（1）： 50-52.

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

編輯：琳莉