基于公交站臺的共享電動車智能停車庫研究

鄧玉梅，董錕

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北咸寧，437000）

0 引言

隨著共享理念進(jìn)一步嵌入日常生活，越來越多的共享資源隨之進(jìn)入視野。如共享單車解決了人們的出行最后一公里節(jié)能減排，是一種環(huán)保廉價的出行方式。

共享單車的產(chǎn)生雖然給出行帶來了很大的便利，但是大量的共享單車停放占用城市寶貴的路面空間，有的地方因亂停亂放造成路面擁堵，嚴(yán)重影響市民正常通行，影響了市容市貌。同時亂停亂放成為城市管理者非常焦慮的問題。目前，共享電動車需要通過人工回收充電再投放，需要花費(fèi)大量的人力物力。

因此，研究開發(fā)一種利用公交站臺頂部空間的智能停車庫具有重要意義。本文通過SolidWorks 軟件對整個裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合PLC 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，采用無線充電技術(shù)，利用太陽能蓄電和電纜雙重供電，無需花費(fèi)人力來調(diào)整車位、回收充電和投放，并開發(fā)APP 掃碼一鍵還取車輛，節(jié)約了城市空間，最大化利用了空間上的占用率，實(shí)現(xiàn)了共享電動車自動充電，節(jié)能環(huán)保。

1 智能停車庫工作原理

用戶通過APP 掃碼向智能停車庫發(fā)出租車指令，系統(tǒng)收到租車指令時，獲取停放在充電區(qū)域且電量充足的共享電動車信息，后臺服務(wù)器會向?qū)?yīng)的停車位伸縮手臂發(fā)出取車的信號，伸縮手臂由固定體與移動體通過電動機(jī)傳輸動力使移動體伸出及縮回，從而達(dá)到合適的延伸距離和精準(zhǔn)的停車位置，伸縮手臂的各節(jié)臂以相對的速度進(jìn)行伸縮從而精準(zhǔn)抓車、停車，伸縮手臂執(zhí)行命令，系統(tǒng)將對應(yīng)找到車庫號，升降門板自動沿著銷釘向外翻轉(zhuǎn)90o，沿著伸縮滑軌向下移動，直至地面；收到停車指令時，獲取停放在地面等待區(qū)的共享電動車，用戶只需將車輛移動至對應(yīng)的車位槽，通過升降系統(tǒng)將該共享電動車轉(zhuǎn)移至緩沖區(qū)，最后機(jī)械抓手再將電動車轉(zhuǎn)移至充電區(qū)域進(jìn)行充電，APP 顯示已經(jīng)還車成功。

2 智能停車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

共享電動車智能停車庫由位置監(jiān)測模塊、充電模塊、升降模塊、水平移車模塊、控制模塊五大部分組成。具體有太陽能板、無線充電樁、水平滑軌、升降門板、抓車裝置、升降滑軌等機(jī)構(gòu)。智能停車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 智能停車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 位置監(jiān)測模塊

位置監(jiān)測系統(tǒng)，用于獲取共享電動車的位置，以控制充電模塊及升降門板機(jī)構(gòu)的聯(lián)動。分別安設(shè)在緩沖區(qū)、充電區(qū)域及地面等待區(qū)的多對激光收發(fā)器，激光收發(fā)器檢測到共享電動車的位置后進(jìn)行相應(yīng)的動作觸發(fā)以對共享電動車的位置進(jìn)行轉(zhuǎn)移。激光發(fā)射器發(fā)射激光，若激光接收器能接收到信號則表示沒有障礙物，若沒有接收到信號，則表示該區(qū)域有共享電動車。

2.2 升降模塊

升降系統(tǒng)包括升降門板，豎向安設(shè)在公交站臺面板上的縱向滑軌，門板上設(shè)有滑槽，滑槽內(nèi)滑動設(shè)有用于卡接共享電動車的停放槽，智能停車升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。共享電動車停放在升降門板的停放槽內(nèi)，升降門板沿著縱向滑軌上下移動以轉(zhuǎn)移共享電動車。正常不工作狀態(tài)時，升降門板位于公交站臺的上方。升降電機(jī)運(yùn)動帶動升降門板上下移動。當(dāng)移動最上端時，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動升降門板旋轉(zhuǎn)收攏形成封閉的停車庫。需要取車或還車時，系統(tǒng)對應(yīng)找到車庫號，升降門板旋轉(zhuǎn)向外翻轉(zhuǎn)90o，沿著縱向滑軌向下移動直至地面，用戶只需將車輛從車位槽進(jìn)行取車和還車。

圖2 智能停車升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

縱向滑軌采用的是重型伸縮滑軌。重型伸縮滑軌的優(yōu)勢在于高精度，高承重，可超行程，伸縮具有平穩(wěn)性且安全系數(shù)較高。導(dǎo)軌表面是由工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鍍鋅和鈍化10～12微米表面保護(hù)。電鍍符合RoHS 標(biāo)準(zhǔn)：部分伸縮50%負(fù)載能力120～500kg/對，可以使導(dǎo)軌在伸縮的時候有很高的可靠性，安全性。

2.3 充電模塊

當(dāng)系統(tǒng)檢測到電動車電量不足時，會自動通過無線充電裝置對共享電動車進(jìn)行充電；充電的電能一部分來自于預(yù)埋的充電電纜，一部分通過太陽能供電。利用停車庫頂部安裝的太陽能板，將太陽能板吸收光能，通過利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為電能，通過蓄電池，把電能以化學(xué)能形式儲存在智能供電系統(tǒng)中，使用時再轉(zhuǎn)化成電能，或者可直接利用。電動車采用無線充電技術(shù)，通過安裝在停車板下的供電導(dǎo)軌以高頻交變磁場的形式將電能傳輸給運(yùn)行在停車板上一定范圍內(nèi)的車輛接受端電能拾取機(jī)構(gòu)，進(jìn)而給車載儲能設(shè)備供電。該裝置由電池、雙向充電感應(yīng)器、交直轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)組成。充滿自停，不會過充，既延長電瓶使用壽命，也避免發(fā)熱引起火災(zāi)，便捷使用，高效節(jié)能。當(dāng)蓄電池電量不足時，充電系統(tǒng)會自動切換到電纜充電。

2.4 水平移車模塊

水平移車系統(tǒng)由伸縮電機(jī)、伸縮手臂、機(jī)械抓手、水平滑軌構(gòu)成，水平移車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。伸縮電機(jī)驅(qū)動伸縮手臂沿著水平滑軌伸出和縮回移動，伸縮手臂前端安裝機(jī)械抓手，機(jī)械抓手張開或收緊以放開或抓緊共享電動車。當(dāng)共享電動車到達(dá)緩沖區(qū)后，伸縮電機(jī)驅(qū)動伸縮臂伸出至緩沖區(qū)抓住共享電動車的前輪位置，然后張開機(jī)械抓手將共享電動車的前輪抓住，伸縮手臂縮回時帶動共享電動車移動至充電區(qū)域進(jìn)行充電。反之需要使用時，升降門板打開，伸縮手臂帶動共享電動車移動至緩沖區(qū)繼續(xù)推動至升降門板上，然后松開抓手退回原位，升降門板帶動共享電動車下降至地面等待區(qū)即可。

圖3 水平移車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能停車庫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是智能停車庫的核心部件，負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體狀態(tài)檢測、車輛存取控制、系統(tǒng)信息顯示、與后臺交互等，主要由電源管理模和控制系統(tǒng)兩部分組成，整體框圖如圖4 所示。

3.1 電源管理模塊

電源管理模塊的主要功能是接收前端電源并將其轉(zhuǎn)換為可以通過無線充電模塊為電動車充電的電源和為系統(tǒng)整體正常工作所需的電源。系統(tǒng)工作電源的來源有兩個：第一個是通過太陽能板轉(zhuǎn)換得到的電能，第二個是市電電纜，其中太陽能板轉(zhuǎn)換得到的電能為系統(tǒng)主要能量來源，只有在太陽能電源無法滿足系統(tǒng)需要時，系統(tǒng)才接收市電電纜傳輸?shù)碾娔?。?dāng)太陽能電源充足、系統(tǒng)使用有剩余時，則可以暫時存儲在儲能電源中，以最大程度提高太陽能電源使用效率，提高系統(tǒng)綠色環(huán)保特性。

3.2 控制系統(tǒng)

智能停車庫控制系統(tǒng)采用觸控顯示屏進(jìn)行控制，主要包括：PLC 控制器、升降模塊、水平移車模塊、位置監(jiān)測模塊、通信模塊和觸控顯示屏等。PLC 控制器根據(jù)從觸控顯示屏、通信模塊及傳感器接收到的信號，向變頻器發(fā)送電機(jī)控制指令。位置監(jiān)測模塊監(jiān)控系統(tǒng)及各車位車輛狀態(tài)。升降模塊及水平移車模塊主要由變頻器和電機(jī)組成，共同完成電動自行車的入庫和出庫動作。通信模塊完成智能停車庫與運(yùn)行后臺之間的信息交互，完成車輛及車庫狀態(tài)信息上傳和后臺控制信息的下發(fā)。系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)均可通過觸控顯示屏進(jìn)行顯示，用戶及管理員部分操作可以通過觸控顯示屏完成。

硬件選型方面，根據(jù)控制系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)選擇西門子S7-200 系列的PLC 控制器作為系統(tǒng)控制核心，PLC 控制器與觸控顯示屏通過RS485 總線進(jìn)行通信，完成與用戶或管理者之間的系統(tǒng)交互及信息顯示。數(shù)字量輸入輸出模塊采用包含16 輸入24VDC/16 輸出繼電器的SM1223。升降模塊及水平移車模塊電機(jī)均采用交流電機(jī)；選用2 個INVT Goodrive10 迷你經(jīng)濟(jì)型變頻器完成電機(jī)控制。

控制系統(tǒng)總流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)和通信模塊開始初始化，并與后臺進(jìn)行信息交互，將車位信息等狀態(tài)信息反饋至后臺。若后臺有控制信息下發(fā)，則進(jìn)行控制信息處理并反饋相關(guān)處理狀態(tài)，此后開始檢測是否有用戶掃碼，如有用戶掃碼還車，則執(zhí)行掃碼還車子程序，如為掃碼取車，則執(zhí)行用戶取車子程序。系統(tǒng)通過水平移車模塊和升降模塊完成對自行車的入庫和出庫動作，取車和還車子程序如圖6所示。

圖6 取車和還車子流程圖

4 結(jié)語

本文是基于公交站臺的共享電動車智能停車庫的研究。以“服務(wù)社會、服務(wù)人民、綠色環(huán)保、完善管理、高效節(jié)能”為設(shè)計(jì)理念，充分利用現(xiàn)有的公交站臺、候車廳等頂部空間，節(jié)約了城市空間，最大化利用了空間上的占用率，消除了共享電動車占道壓力、消除露天停車安全隱患及降低了電動車損壞率；實(shí)現(xiàn)了太陽能蓄電和無線充電技術(shù)，保障供電及時；掃碼一鍵還取車輛；無需花費(fèi)人力來調(diào)整車位、回收充電和投放。提高傳統(tǒng)的公交站臺利用率，開拓新型經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本項(xiàng)目的實(shí)施可促進(jìn)共享經(jīng)濟(jì)行業(yè)的健康發(fā)展，又可助力智慧城市建設(shè)，引領(lǐng)智能停車科技，做城市文明的傳播者，該系統(tǒng)具有廣泛的市場需求和應(yīng)用前景。