骆臣勇，吴喆，汪亿，闫蕊

一种集成式公交站台共享单车存取系统的设计

骆臣勇1，吴喆2，汪亿2，闫蕊2

（1.合肥工业大学 工程素质教育中心，安徽 宣城 242000；2.合肥工业大学 机械工程系，安徽 宣城 242000）

公交站台附近共享单车存放、取用需求量大。针对公交站台附近共享单车存、取困难等问题，设计了一种共享单车存取装置，并将其集成在公交站台的两侧。对单车存取装置和公交站台的集成进行了总体方案设计，重点介绍了单车垂直升降机构、车轮夹紧机构、单车横向移动机构、单车纵向移动机构、单车存储移位机构。对单车存取系统的控制任务进行了分析，给出了存车、取车流程简图，开发了基于PLC的控制系统。实际应用表明，所设计开发的集成式公交站台共享单车存取系统能有效解决公交站台附近共享单车停放难、取用难等问题，规范了单车的使用。

公交站台；共享单车；存取装置；集成式；控制系统

共享单车为人们的短途出行提供了极大的便利，但共享单车的大量出现也带来诸多问题。如共享单车随意停放，容易造成单车资源分布不合理，经常会出现想用车而在附近找不到车的情形，而某些地方单车扎堆停放，又给道路交通安全带来很大隐患[1]；单车露天停放，会导致高故障率、高运营成本，同时也缩短了单车的使用寿命，造成了资源浪费。

目前市场上常见的自行车停放装置如图1～4所示。其中，棚式双层停车架结构简单，存取车快捷、便利，但占用场地面积大、上层利用率普遍不高；自行车停车柜的防盗、防破坏性能高，但不适用于大量、频繁存取车的场合；树状自行车库等悬挂式自行车停车设备，主要适用于广场、公园等景观地带[2]；圆塔形自行车车库的存取速度快，一般一座可停放94辆自行车。

图1 棚式双层停车架

图2 自行车停车柜

图3 树状自行车库

根据市场调研，公交站台附近有大量的共享单车使用需求，站台位置优势明显，但站台附近空间资源紧张，往往没有空地设置停车装置，市场上现有的单车停放装置难以解决公交站台附近用车、停车的困境。如果将共享单车的取用、停放集成在公交站台上，可以解决公交站台附近共享单车用车、停车等诸多问题。针对以上问题，本文设计了一种集成式公交站台共享单车存取系统，重点对该存取系统的总体设计方案、关键机构和控制系统进行介绍。

图4 圆塔形自行车库

1 总体方案设计

该共享单车存取装置设置在公交站台的左右两侧，两套共享单车存取装置的功能完全相同，如图5、图6所示。存车和取车都在公交站台的侧面进行，单车沿纵向行进或退出存取系统。当按下存车按钮，存车位对准用户；按下取车按钮，取车位对准用户。结合市场上常见的共享单车[2]，选取单车的最大尺寸，车长1.65 m、宽0.6 m、高1 m。设计的集成式公交站台共享单车存取系统总长10.4 m、宽2.5 m、高4.0 m，最多可存储16辆共享单车。

在公交站台的左右两侧各有一套相同的共享单车存取装置。以左侧单车存取装置为例，主要包括库门开闭机构、车轮夹紧机构、单车纵向移动机构、单车横向移动机构、垂直升降机构、单车存储移位机构等，如图7所示。

图5 集成式公交站台共享单车存取系统设计简图

图6 集成式公交站台共享单车存取系统使用示意图

单车存取装置具备存车和取车功能。存取装置垂直升降平台上有两个平行长槽，可用于存放和取用单车；单车存储移位机构上有三个平行长槽，用于单车存储和移动时的导向。其中垂直升降平台上的两个长槽可横向移动，实现与单车存储移位机构上三个槽的对接。通常，垂直升降平台上的两个平行长槽，一个为空槽，用于单车存放，另一个槽上载有单车，用于单车取用。用户取车时，按下取车按钮，在单车横向移动机构的作用下，垂直升降平台上载有单车的长槽对准用户，库门开启，单车纵向移动机构动作，将单车推送出槽口。用户取走车辆，库门闭合，升降平台在垂直升降机构作用下上升，与单车存储移位机构对接，单车存储移位机构动作，推送一辆单车到升降平台上的空槽，最后升降平台下移到指定位置。用户存车时，按下存车按钮，在单车横向移动机构的作用下，垂直升降平台上的空槽对准用户，库门开启，用户将单车推入槽口，车轮夹紧机构动作，接着在单车纵向移动机构的作用下，单车被完全拉进长槽，库门关闭，升降平台在垂直升降机构作用下上升，与单车存储移位机构对接，将升降平台上的一辆单车送入单车存储移位机构，最后升降平台下移到指定位置。

图7 集成式公交站台共享单车存取系统总体结构

2 关键机构设计

2.1 垂直升降机构

垂直升降机构可使升降平台上升或下降，起到运送单车的作用，主要由电机、钢丝绳、配重、导向结构、滚轮等组成[3]。其中电机输出轴与涡轮蜗杆减速器、钢丝绳相连，带动平台上升或下降。为减小上下移动的拉力，在平台侧面放置一配重，以此抵消平台的部分重力。升降平台在上下移动过程中，重心不在中心位置，有倾覆力矩，设置四个滚轮来减小导向机构和滑动轨道间的摩擦力。如图8所示。

2.2 车轮夹紧机构

取车和存车过程中，车轮夹紧机构的作用是夹紧单车的车轮，进而带动单车移动[4]。电磁铁分别固装在左右夹爪上，当电磁铁通电时，相互吸引，使夹爪合在一起夹紧车轮，电磁铁失电时，左右夹爪在弹簧作用下复位，松开车轮[5]。如图9所示。

图8 垂直升降机构

图9 车轮夹紧机构

2.3 单车横向、纵向移动机构

单车横向移动机构的作用是在用户存车和取车时，使垂直升降平台上的一个长槽口对准用户，同时也是保证垂直升降平台上的两个长槽口能和单车存储移位机构上的三个长槽口对接。单车横向移动机构采用齿轮齿条机构传动，电机与齿轮相连，置于上框架，齿条与下框架固装，齿轮齿条机构将电机的正反转变成垂直升降平台的横向移动。如图10所示。

存车和取车时，车轮夹紧机构夹紧车轮，此时单车和车轮夹紧机构安装平台的移动，都是由单车纵向移动机构完成。单车纵向移动机构采用链传动，链条的一端与车轮夹紧机构安装平台相连，两个链轮设置在下框架上。当电机带动链轮旋转时，链条带动车轮夹紧机构安装平台纵向移动，电机的不同转向对应取车、存车过程，车轮夹紧机构安装平台沿左、右方向移动[6]。如图11所示。

图10 单车横向移动机构

2.4 单车存储移位机构

单车存储移位机构由三个平行长槽、三个车轮夹紧机构、三个单车纵向移动机构组成。其中每个长槽上最多可停放两辆单车。存储移位机构上的三个平行槽可与垂直升降平台上的两个长槽口对接，实现单车的供给和存储。如图12所示。

3 控制系统设计

存车、取车流程如图13、图14所示。

集成式公交站台共享单车存取系统的控制任务主要有：

（1）单车存取过程中的自动检测。包括多种传感器检测单车的位置和各执行机构动作是否完成，从而控制库门的开闭，垂直升降平台的升降，纵向横向移位机构、车轮夹紧机构和单车存储移位机构的动作。

图12 单车存储移位机构

（2）执行机构的协调控制。主要是各执行电机和电磁铁的动作控制，使各机构按照规定动作要求，协调配合完成存车和取车操作[7-8]。

由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、编程方便等优点，因此用PLC作为单车存取系统的控制核心[9]。采用触摸屏为人机操作界面，并对设备的运行状况进行实时监控。当设备出现故障时，指示灯闪烁报警，系统停止工作[10]。控制系统执行图如图15所示。

图14 取车流程图

图15 控制系统执行图

4 结论

根据公交车站的位置优势和站台附近的用车特点，本文从整体结构、关键机构、控制系统等方面设计开发了一种的集成式公交站台共享单车存取系统。该系统集公交车站、单车存取功能为一体，用以解决目前共享单车使用过程中的问题。该集成式公交站台共享单车存取系统还可以增设人脸识别、扫码取车等功能，提供智慧交通服务。使用者可通过手机小程序查询各站点单车数量信息，选择最优公交、共享单车路线，以避开高峰期时的道路拥堵，提高出行效率[11]。

[1]汪岚. 基于PLC 和MCGS的车库自动门监控系统设计[J]. 通化师范学院学报，2013，34（6）：36-37.

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[8]朱家诚，苗凯，武林. 米线自动切割一体机的研制[J]. 机械，2018，5（45）：43-47.

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[11]田祥雨. 智慧交通信息管理系统的设计与实现[D]. 南京：南京大学，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

骆臣勇（1991－），男，安徽芜湖人，硕士，助理工程师，主要研究方向为机电控制与自动化，E-mail：987043969@qq.com。