一種集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)的設(shè)計

駱臣勇，吳喆，汪億，閆蕊

一種集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)的設(shè)計

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）

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

公交站臺；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)也帶來諸多問題。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很大隱患[1]；單車露天停放，會導(dǎo)致高故障率、高運(yùn)營成本，同時也縮短了單車的使用壽命，造成了資源浪費(fèi)。

目前市場上常見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)簡單，存取車快捷、便利，但占用場地面積大、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、頻繁存取車的場合；樹狀自行車庫等懸掛式自行車停車設(shè)備，主要適用于廣場、公園等景觀地帶[2]；圓塔形自行車車庫的存取速度快，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 樹狀自行車庫

根據(jù)市場調(diào)研，公交站臺附近有大量的共享單車使用需求，站臺位置優(yōu)勢明顯，但站臺附近空間資源緊張，往往沒有空地設(shè)置停車裝置，市場上現(xiàn)有的單車停放裝置難以解決公交站臺附近用車、停車的困境。如果將共享單車的取用、停放集成在公交站臺上，可以解決公交站臺附近共享單車用車、停車等諸多問題。針對以上問題，本文設(shè)計了一種集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)，重點(diǎn)對該存取系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、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

1 總體方案設(shè)計

該共享單車存取裝置設(shè)置在公交站臺的左右兩側(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，存車位對準(zhǔn)用戶；按下取車按鈕，取車位對準(zhǔn)用戶。結(jié)合市場上常見的共享單車[2]，選取單車的最大尺寸，車長1.65 m、寬0.6 m、高1 m。設(shè)計的集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)總長10.4 m、寬2.5 m、高4.0 m，最多可存儲16輛共享單車。

在公交站臺的左右兩側(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，主要包括庫門開閉機(jī)構(gòu)、車輪夾緊機(jī)構(gòu)、單車縱向移動機(jī)構(gòu)、單車橫向移動機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)、單車存儲移位機(jī)構(gòu)等，如圖7所示。

圖5 集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)設(shè)計簡圖

圖6 集成式公交站臺共享單車存取系統(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上有兩個平行長槽，可用于存放和取用單車；單車存儲移位機(jī)構(gòu)上有三個平行長槽，用于單車存儲和移動時的導(dǎo)向。其中垂直升降平臺上的兩個長槽可橫向移動，實(shí)現(xiàn)與單車存儲移位機(jī)構(gòu)上三個槽的對接。通常，垂直升降平臺上的兩個平行長槽，一個為空槽，用于單車存放，另一個槽上載有單車，用于單車取用。用戶取車時，按下取車按鈕，在單車橫向移動機(jī)構(gòu)的作用下，垂直升降平臺上載有單車的長槽對準(zhǔn)用戶，庫門開啟，單車縱向移動機(jī)構(gòu)動作，將單車推送出槽口。用戶取走車輛，庫門閉合，升降平臺在垂直升降機(jī)構(gòu)作用下上升，與單車存儲移位機(jī)構(gòu)對接，單車存儲移位機(jī)構(gòu)動作，推送一輛單車到升降平臺上的空槽，最后升降平臺下移到指定位置。用戶存車時，按下存車按鈕，在單車橫向移動機(jī)構(gòu)的作用下，垂直升降平臺上的空槽對準(zhǔn)用戶，庫門開啟，用戶將單車推入槽口，車輪夾緊機(jī)構(gòu)動作，接著在單車縱向移動機(jī)構(gòu)的作用下，單車被完全拉進(jìn)長槽，庫門關(guān)閉，升降平臺在垂直升降機(jī)構(gòu)作用下上升，與單車存儲移位機(jī)構(gòu)對接，將升降平臺上的一輛單車送入單車存儲移位機(jī)構(gòu)，最后升降平臺下移到指定位置。

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

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 垂直升降機(jī)構(gòu)

垂直升降機(jī)構(gòu)可使升降平臺上升或下降，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，帶動平臺上升或下降。為減小上下移動的拉力，在平臺側(cè)面放置一配重，以此抵消平臺的部分重力。升降平臺在上下移動過程中，重心不在中心位置，有傾覆力矩，設(shè)置四個滾輪來減小導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和滑動軌道間的摩擦力。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)而帶動單車移動[4]。電磁鐵分別固裝在左右夾爪上，當(dāng)電磁鐵通電時，相互吸引，使夾爪合在一起夾緊車輪，電磁鐵失電時，左右夾爪在彈簧作用下復(fù)位，松開車輪[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、縱向移動機(jī)構(gòu)

單車橫向移動機(jī)構(gòu)的作用是在用戶存車和取車時，使垂直升降平臺上的一個長槽口對準(zhǔn)用戶，同時也是保證垂直升降平臺上的兩個長槽口能和單車存儲移位機(jī)構(gòu)上的三個長槽口對接。單車橫向移動機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動，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)變成垂直升降平臺的橫向移動。如圖10所示。

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

圖10 單車橫向移動機(jī)構(gòu)

2.4 單車存儲移位機(jī)構(gòu)

單車存儲移位機(jī)構(gòu)由三個平行長槽、三個車輪夾緊機(jī)構(gòu)、三個單車縱向移動機(jī)構(gòu)組成。其中每個長槽上最多可停放兩輛單車。存儲移位機(jī)構(gòu)上的三個平行槽可與垂直升降平臺上的兩個長槽口對接，實(shí)現(xiàn)單車的供給和存儲。如圖12所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

存車、取車流程如圖13、圖14所示。

集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)的控制任務(wù)主要有：

（1）單車存取過程中的自動檢測。包括多種傳感器檢測單車的位置和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作是否完成，從而控制庫門的開閉，垂直升降平臺的升降，縱向橫向移位機(jī)構(gòu)、車輪夾緊機(jī)構(gòu)和單車存儲移位機(jī)構(gòu)的動作。

圖12 單車存儲移位機(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)和電磁鐵的動作控制，使各機(jī)構(gòu)按照規(guī)定動作要求，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，并對設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，指示燈閃爍報警，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)勢和站臺附近的用車特點(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)計開發(fā)了一種的集成式公交站臺共享單車存取系統(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程中的問題。該集成式公交站臺共享單車存取系統(tǒng)還可以增設(shè)人臉識別、掃碼取車等功能，提供智慧交通服務(wù)。使用者可通過手機(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，以避開高峰期時的道路擁堵，提高出行效率[11]。

[1]汪嵐. 基于PLC 和MCGS的車庫自動門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 通化師范學(xué)院學(xué)報，2013，34（6）：36-37.

[2]張俊. 面向摩拜等三種共享單車的立體車庫分析與設(shè)計[D]. 武漢：武漢輕工大學(xué)，2019.

[3]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計[M]. 8版. 北京：高等教育出版社，2006.

[4]成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[5]賈起民，鄭永令，陳暨耀. 電磁學(xué)[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，2010.

[6]楊幫文. 控制電機(jī)技術(shù)與選用手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[7]劉教瑜. 現(xiàn)代電氣控制與臺達(dá)DVP系列PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[8]朱家誠，苗凱，武林. 米線自動切割一體機(jī)的研制[J]. 機(jī)械，2018，5（45）：43-47.

[9]王起. 論P(yáng)LC、單片機(jī)、工控機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場中的應(yīng)用及選用方法[J]. 輕工科技，2011，27（1）：60-61.

[10]周軍. 電氣控制及PLC[M]. 3版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[11]田祥雨. 智慧交通信息管理系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京大學(xué)，2020.

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)電控制與自動化，E-mail：987043969@qq.com。