駱臣勇，吳喆，汪億，閆蕊

一種集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

駱臣勇1，吳喆2，汪億2，閆蕊2

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工程素質(zhì)教育中心，安徽 宣城 242000；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程系，安徽 宣城 242000）

公交站臺(tái)附近共享單車存放、取用需求量大。針對(duì)公交站臺(tái)附近共享單車存、取困難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種共享單車存取裝置，并將其集成在公交站臺(tái)的兩側(cè)。對(duì)單車存取裝置和公交站臺(tái)的集成進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了單車垂直升降機(jī)構(gòu)、車輪夾緊機(jī)構(gòu)、單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)。對(duì)單車存取系統(tǒng)的控制任務(wù)進(jìn)行了分析，給出了存車、取車流程簡(jiǎn)圖，開(kāi)發(fā)了基于PLC的控制系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用表明，所設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)能有效解決公交站臺(tái)附近共享單車停放難、取用難等問(wèn)題，規(guī)范了單車的使用。

公交站臺(tái)；共享單車；存取裝置；集成式；控制系統(tǒng)

共享單車為人們的短途出行提供了極大的便利，但共享單車的大量出現(xiàn)也帶來(lái)諸多問(wèn)題。如共享單車隨意停放，容易造成單車資源分布不合理，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)想用車而在附近找不到車的情形，而某些地方單車扎堆停放，又給道路交通安全帶來(lái)很大隱患[1]；單車露天停放，會(huì)導(dǎo)致高故障率、高運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)也縮短了單車的使用壽命，造成了資源浪費(fèi)。

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的自行車停放裝置如圖1～4所示。其中，棚式雙層停車架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，存取車快捷、便利，但占用場(chǎng)地面積大、上層利用率普遍不高；自行車停車柜的防盜、防破壞性能高，但不適用于大量、頻繁存取車的場(chǎng)合；樹(shù)狀自行車庫(kù)等懸掛式自行車停車設(shè)備，主要適用于廣場(chǎng)、公園等景觀地帶[2]；圓塔形自行車車庫(kù)的存取速度快，一般一座可停放94輛自行車。

圖1 棚式雙層停車架

圖2 自行車停車柜

圖3 樹(shù)狀自行車庫(kù)

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，公交站臺(tái)附近有大量的共享單車使用需求，站臺(tái)位置優(yōu)勢(shì)明顯，但站臺(tái)附近空間資源緊張，往往沒(méi)有空地設(shè)置停車裝置，市場(chǎng)上現(xiàn)有的單車停放裝置難以解決公交站臺(tái)附近用車、停車的困境。如果將共享單車的取用、停放集成在公交站臺(tái)上，可以解決公交站臺(tái)附近共享單車用車、停車等諸多問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)該存取系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

圖4 圓塔形自行車庫(kù)

1 總體方案設(shè)計(jì)

該共享單車存取裝置設(shè)置在公交站臺(tái)的左右兩側(cè)，兩套共享單車存取裝置的功能完全相同，如圖5、圖6所示。存車和取車都在公交站臺(tái)的側(cè)面進(jìn)行，單車沿縱向行進(jìn)或退出存取系統(tǒng)。當(dāng)按下存車按鈕，存車位對(duì)準(zhǔn)用戶；按下取車按鈕，取車位對(duì)準(zhǔn)用戶。結(jié)合市場(chǎng)上常見(jiàn)的共享單車[2]，選取單車的最大尺寸，車長(zhǎng)1.65 m、寬0.6 m、高1 m。設(shè)計(jì)的集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)總長(zhǎng)10.4 m、寬2.5 m、高4.0 m，最多可存儲(chǔ)16輛共享單車。

在公交站臺(tái)的左右兩側(cè)各有一套相同的共享單車存取裝置。以左側(cè)單車存取裝置為例，主要包括庫(kù)門開(kāi)閉機(jī)構(gòu)、車輪夾緊機(jī)構(gòu)、單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)、單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)等，如圖7所示。

圖5 集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

圖6 集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)使用示意圖

單車存取裝置具備存車和取車功能。存取裝置垂直升降平臺(tái)上有兩個(gè)平行長(zhǎng)槽，可用于存放和取用單車；單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)上有三個(gè)平行長(zhǎng)槽，用于單車存儲(chǔ)和移動(dòng)時(shí)的導(dǎo)向。其中垂直升降平臺(tái)上的兩個(gè)長(zhǎng)槽可橫向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)上三個(gè)槽的對(duì)接。通常，垂直升降平臺(tái)上的兩個(gè)平行長(zhǎng)槽，一個(gè)為空槽，用于單車存放，另一個(gè)槽上載有單車，用于單車取用。用戶取車時(shí)，按下取車按鈕，在單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，垂直升降平臺(tái)上載有單車的長(zhǎng)槽對(duì)準(zhǔn)用戶，庫(kù)門開(kāi)啟，單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，將單車推送出槽口。用戶取走車輛，庫(kù)門閉合，升降平臺(tái)在垂直升降機(jī)構(gòu)作用下上升，與單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)對(duì)接，單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，推送一輛單車到升降平臺(tái)上的空槽，最后升降平臺(tái)下移到指定位置。用戶存車時(shí)，按下存車按鈕，在單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，垂直升降平臺(tái)上的空槽對(duì)準(zhǔn)用戶，庫(kù)門開(kāi)啟，用戶將單車推入槽口，車輪夾緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作，接著在單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，單車被完全拉進(jìn)長(zhǎng)槽，庫(kù)門關(guān)閉，升降平臺(tái)在垂直升降機(jī)構(gòu)作用下上升，與單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)對(duì)接，將升降平臺(tái)上的一輛單車送入單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)，最后升降平臺(tái)下移到指定位置。

圖7 集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 垂直升降機(jī)構(gòu)

垂直升降機(jī)構(gòu)可使升降平臺(tái)上升或下降，起到運(yùn)送單車的作用，主要由電機(jī)、鋼絲繩、配重、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、滾輪等組成[3]。其中電機(jī)輸出軸與渦輪蝸桿減速器、鋼絲繩相連，帶動(dòng)平臺(tái)上升或下降。為減小上下移動(dòng)的拉力，在平臺(tái)側(cè)面放置一配重，以此抵消平臺(tái)的部分重力。升降平臺(tái)在上下移動(dòng)過(guò)程中，重心不在中心位置，有傾覆力矩，設(shè)置四個(gè)滾輪來(lái)減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)軌道間的摩擦力。如圖8所示。

2.2 車輪夾緊機(jī)構(gòu)

取車和存車過(guò)程中，車輪夾緊機(jī)構(gòu)的作用是夾緊單車的車輪，進(jìn)而帶動(dòng)單車移動(dòng)[4]。電磁鐵分別固裝在左右?jiàn)A爪上，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，相互吸引，使夾爪合在一起夾緊車輪，電磁鐵失電時(shí)，左右?jiàn)A爪在彈簧作用下復(fù)位，松開(kāi)車輪[5]。如圖9所示。

圖8 垂直升降機(jī)構(gòu)

圖9 車輪夾緊機(jī)構(gòu)

2.3 單車橫向、縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用是在用戶存車和取車時(shí)，使垂直升降平臺(tái)上的一個(gè)長(zhǎng)槽口對(duì)準(zhǔn)用戶，同時(shí)也是保證垂直升降平臺(tái)上的兩個(gè)長(zhǎng)槽口能和單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)上的三個(gè)長(zhǎng)槽口對(duì)接。單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，電機(jī)與齒輪相連，置于上框架，齒條與下框架固裝，齒輪齒條機(jī)構(gòu)將電機(jī)的正反轉(zhuǎn)變成垂直升降平臺(tái)的橫向移動(dòng)。如圖10所示。

存車和取車時(shí)，車輪夾緊機(jī)構(gòu)夾緊車輪，此時(shí)單車和車輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝平臺(tái)的移動(dòng)，都是由單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)完成。單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)，鏈條的一端與車輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝平臺(tái)相連，兩個(gè)鏈輪設(shè)置在下框架上。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，鏈條帶動(dòng)車輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝平臺(tái)縱向移動(dòng)，電機(jī)的不同轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)取車、存車過(guò)程，車輪夾緊機(jī)構(gòu)安裝平臺(tái)沿左、右方向移動(dòng)[6]。如圖11所示。

圖10 單車橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

2.4 單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)

單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)由三個(gè)平行長(zhǎng)槽、三個(gè)車輪夾緊機(jī)構(gòu)、三個(gè)單車縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中每個(gè)長(zhǎng)槽上最多可停放兩輛單車。存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)上的三個(gè)平行槽可與垂直升降平臺(tái)上的兩個(gè)長(zhǎng)槽口對(duì)接，實(shí)現(xiàn)單車的供給和存儲(chǔ)。如圖12所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

存車、取車流程如圖13、圖14所示。

集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)的控制任務(wù)主要有：

（1）單車存取過(guò)程中的自動(dòng)檢測(cè)。包括多種傳感器檢測(cè)單車的位置和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否完成，從而控制庫(kù)門的開(kāi)閉，垂直升降平臺(tái)的升降，縱向橫向移位機(jī)構(gòu)、車輪夾緊機(jī)構(gòu)和單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

圖12 單車存儲(chǔ)移位機(jī)構(gòu)

（2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制。主要是各執(zhí)行電機(jī)和電磁鐵的動(dòng)作控制，使各機(jī)構(gòu)按照規(guī)定動(dòng)作要求，協(xié)調(diào)配合完成存車和取車操作[7-8]。

由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程方便等優(yōu)點(diǎn)，因此用PLC作為單車存取系統(tǒng)的控制核心[9]。采用觸摸屏為人機(jī)操作界面，并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，指示燈閃爍報(bào)警，系統(tǒng)停止工作[10]?？刂葡到y(tǒng)執(zhí)行圖如圖15所示。

圖14 取車流程圖

圖15 控制系統(tǒng)執(zhí)行圖

4 結(jié)論

根據(jù)公交車站的位置優(yōu)勢(shì)和站臺(tái)附近的用車特點(diǎn)，本文從整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等方面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種的集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)。該系統(tǒng)集公交車站、單車存取功能為一體，用以解決目前共享單車使用過(guò)程中的問(wèn)題。該集成式公交站臺(tái)共享單車存取系統(tǒng)還可以增設(shè)人臉識(shí)別、掃碼取車等功能，提供智慧交通服務(wù)。使用者可通過(guò)手機(jī)小程序查詢各站點(diǎn)單車數(shù)量信息，選擇最優(yōu)公交、共享單車路線，以避開(kāi)高峰期時(shí)的道路擁堵，提高出行效率[11]。

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Design of Integrated Bike-Sharing AccessSystem in Bus Station

LUO Chenyong1，WU Zhe2，WANG Yi2，YAN Rui2

(1.Engineering Quality Education Center, Hefei University of Technology, Xuancheng 242000, China; 2.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Xuancheng 242000, China)

There is a great demand for storage and access to shared bikes near the bus station. A storage and access device for shared bicycles was designed and developed, and it was integrated on both sides of the bus station. The overall scheme design of the integration of the access device and the bus station is carried out, which includes a vertical lifting mechanism, a wheel clamping mechanism, a lateral movement mechanism, a longitudinal moving mechanism, and a storage shifting mechanism. This paper analyzes the control tasks of the access system, draws the flow chart of bike storage and pick-up process, and develops the control system based on PLC. The practical application shows that the integrated bicycle-sharing access system can effectively solve the problems of parking and access of shared bicycles near the bus station, which specifies the use of bicycles.

bus station；shared bike；access device；integrated type；control system

TH692.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.008

1006-0316 (2023) 10-0044-06

2023-03-03

駱臣勇（1991－），男，安徽蕪湖人，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制與自動(dòng)化，E-mail：987043969@qq.com。