西北工业大学
第一章 研制背景及意义
1.1 研制背景
智能生活平台是依托云计算技术的存储，在家庭场景功能融合、增值服务挖掘的指导思想下，采用主流的互联网通信渠道，配合丰富的智能家居产品终端，构建享受智能家居控制系统带来的新的生活方式。建设智能城市公共服务和城市管理系统，不仅仅包括城市交通的智能管理以及物流运输能力的智能化调度，智能还影响着其他领域，通过加强就业、医疗、文化、安居等专业性应用系统的建设，才能提升城市的"智能数字化"水平，规范城市发展，促进城市公共资源共享。
2025是社会主义现代化发展的重要时期。随着城市管理的规模化、多样化、精确化，城市管理要求逐渐提高。目前，国内各城市的智能化管理水平发展不一。针对单车的城市管理尚没有全面发展。由此可见针对智能城市服务与管理系统，尤其是智能生活的重要部分，即智能立体停车系统的产品具有很大的社会机遇与前景，而且可以获得较大的政策支持。
1.2 研制目的：
本作品研制目的主要包括以下几点：
1）根据私人单车和共享单车不同的特点以及节省占地面积的需要，设计制作不同结构类型的车架。
2）设计电子与软件的控制系统，并通过实验调试，探究车辆摆放的最小合理间距，改善车架结构，减小运动过程中的晃动。
3）对车架逐步进行完善，使其能够停放自行车、电动车、摩托车等多种车辆，实现适用范围进一步的扩大。
综上，本作品旨在设计一种智能、安全、美观的车辆停放系统，能够大大节省空间、方便存取车辆、减少雨雪对自行车的破坏、解决小区内自行车乱停乱放问题，为人们创造舒适的停车环境，从而倡导人们"绿色低碳出行"。
1.3 国内外研究现状
停车系统产品的市场总体上讲仍较为复杂，任何同类产品想要实现成为该领域具有最大影响力的产品仍有些困难。
图1-3是北京、深圳等城市投入使用的共享单车电子围栏。其工作原理是：利用无线蓝牙技术进行亚米级精准定位，通过蓝牙覆盖调整单车与停车点之间的通信距离，引导用户在指定区域内有序停车，从技术上规避乱停乱放现象的发生。同时，系统还可以监测到停放点车辆数据，方便对车辆进行及时的运维调度，帮助实现对共享单车的有序管理。
图1-4为日本的"ECO-Cycle Park"，是一种建设在街道地下11米处的全自动化的自行车存放系统，可以容纳200辆自行车。其工作原理是：骑自行车的人需要每月交付一定费用才能拿到个人的车卡使用"ECO-Cycle"停车服务。把自行车停放在地面上的停车间门口，刷卡，机械手钳住车子，门将自动打开，自行车会自动进入车位。整个过程只需8秒钟。但是整个车架造价150万美元，成本较高。
1.4 问卷调查
为了调查用户对智能立体停车系统的需求度以及看法，我们对各年龄段的人群进行了网络问卷调查，共收回有效问卷836份。结果如下：
1）在我们的调查中，有501份问卷，约60%表示愿意以合理的价格购买智能停车架的停车位。
2）关于绿色出行，63%的人表示会积极相应绿色出行，愿意骑单车或者共享单车出行；30%的人表示支持绿色出行的政策，但是会乘坐公交车或者地铁出行；仅有7%的人表示绿色出行与自己关系不大，依然会选择开车出行。
3）关于共享单车骑行量越来越少的问题，85%的人表示因为月卡从2元涨至20元，无法接受这个价格所以放弃共享单车。共享单车本身损耗很大，而共享单车在日前又被爆出挪用押金的行为，导致用户纷纷退押金，公司资金流通不畅，自然会进行涨价。
第二章 解决方案
本作品将设计制作两种停车系统，即"智能转位型居民单车停车架"和"双向转向型共享单车停车架"。"智能转位型居民单车停车架"主要面向小区居民用户，解决前述小区停车难、停车乱的问题，用户可通过APP操作，实现预约停车、远程取车等功能，让用户在路上、在家中即可实现停取车辆。"双向转向型共享单车停车架"面向共享单车使用用户，与共享单车公司进行合作，用户在控制台操作转向与转位，即可停取共享单车。
车架的设计制作包括主要机械、控制、软件三方面内容。
2.1 电器控制
通过stm32单片机作为主控模块，以步进电机作为停车系统驱动设备，通过对stm32编程实现其脉冲的输出，控制步进电机转角达到控制其转位的目的，并通过机械传动控制停车位的移动与停止。进一步地，通过配置红外线传感器，实现停车位位置的自动感应识别，控制停车位的移动与停止，实现用户通过按动主控模块配置的外设操控面板，实现车辆的存取与停放。
为了实现真正的智能，我们计划对控制系统进行不断的改进和完善。第一，对每个转位的停车架进行编号，对应相应的传感器。在停车时，用户将车推入车架中并记住车架编号即可，用户离开后，系统会自动检测下一个没有停车的车架，并将其转至底部。第二，通过传感器与接受装置确定最底部的车号，当用户取车时，按下编号，控制系统自动计算出转向与转位，并将车转至底部。
2.2 机械部分
1)整体结构
第三章 工作原理及性能分析
3.1 智能转位型居民单车停车架
将每个车位按照门牌号编号。在取车时，居民从家中按下按钮，通过电路将信号传至单元口的车架，控制系统首先判断出现在在最底部的牌号，之后计算出为了将目标牌号转至最低位，所需的转向以及转位并控制电动机执行转动。当居民走到门口时，转动过程已经完成，开锁后即可取出自行车。在停车时，车主只需将车延轨道推入即可，车主离开后，系统会自动控制链轮转动，直至转到下一个没有车的车位。
3.2 双向转向型共享单车停车架
在车架旁边安放操作台，用户取车前确定自己想要骑行的单车，在操作台上按下正转或者反转的按钮，控制电动机转动，每次有单车到达最底部时，会自动停止转动2-3秒，直至单车到达底部，松开按钮，即可开锁取车。在停车时，用户需要将车推至钩子下方，用钩子将车把与车座分别钩住即可。
3.3 其他部分
我们的作品借鉴了电梯的结构，采用的是双排循环结构，相比于单排上下，在运转过程中，下降的一边的重力势能可以转化为上升一边的重力势能，所需电动机提供的能量就大大减少。
在模型的制作过程中，我们采用桐木棒制作外形架，采用链轮链条作为传动机构，利用3D打印FDM树脂制作停车架，采用57步进电机作为控制系统。连接方式采用胶结。完成制作后，作品模型外形照片如下图。
同时，为了更加符合节能减排的主题，我们计划在实物制作中使用太阳能电池与普通电源混合供电的方式，减少电能消耗。但具体成本以及电路设计还需要进一步论证设计。
第四章 创新点及市场分析
4.1 创新点
1）本项目作品放置于楼宇之间，能大大减少自行车停放的占地面积，用户通过APP和操作台即可控制车辆停取，节省停取车辆所用时间，防止雨雪造成车辆的锈蚀，同时外观可以根据用户的不同需要进行定制。
2）对于居民来说，使用方便快捷，让智能生活离自己更近；自行车不必要的损耗减少，相应的支出也就减少；居民将更加愿意参与到绿色低碳出行的行动中来。同时大大减少了占地面积，一辆普通自行车约为 ，在车棚中放置至少面积为 ；一个单元假设20层楼，每层3户，每户1辆自行车/电动车，该单元共60辆自行车。所需车棚面积为 。车架长2.7m，宽1.8m，占地面积为 ，空间仅为原来的12%。
3）对于共享单车商家来说，减少雨雪对单车的破坏，降低维修费用以及报废量，从而可以促进共享单车的推广，向更多的地区投放共享单车，让更多的人参与到低碳出行中来。以西安市ofo为例。西安市共享单车需求量为15万量，实际投入量为30~40万量。ofo单车每辆成本300元，每辆车每年维修费用为20元，其寿命为3年，则三年总成本为10800万元。使用车架后每辆车每年维修费用为10元，其寿命为10年，则三年总成本为4950万元。总共节省5850万元，可用于新生产20万辆新共享单车。
4）对于房地产开发商来说，独特的外观可以增加居民楼的美感；智能生活是商品房的发展趋势；节省的车棚面积可以用来增加绿化，使小区更加美丽。对于政府来说，减小共享单车对人行道的占用面积，降低了行人的安全隐患；减少共享单车乱停乱放行为，可以提高市容整洁度。
5）本项目作品采用立体循环运动方式，下降一侧的自行车的重力势能可以转化为上升一侧的自行车的重力势能，这样可以大大减少电能的消耗。
综上所述，本作品的推广前景十分可观。
4.2 市场分析
本产品的盈利模式分为两种，一种是用户通过使用APP服务平台实现停车位的使用，APP服务平台以时间等方式为一系列计费标准，收取用户一定的停车费用；另一种是通过与共享单车公司进行合作，实现用停车架管理共享单车，通过停车架APP服务平台对共享单车的使用收取费用，更好地实现共享单车的管理与维护，降低维护成本。我们目前还在开发相应的汽车停车架装置，更好地满足用户与市场的需求。
在我们的市场定位上，坚持"以全面布局保基础、以积极创新促发展"的产品战略，实现由单一产品服务向全方位产品服务转型。当前我们产品的典型客户是为了降低成本、促进市场扩展的共享单车企业。我们可以激发他们购买我们产品的激情，原因是我们产品可以极大地降低共享单车生产维修成本，解决共享单车乱停乱放的问题，而且由于技术创新解决了很多同类产品的技术难题，在实际使用中更方便快捷。
4.3 未来产品与服务规划
为了适应市场需求，在市场中逐步做大企业，我们确定"小步快跑"的经营策略，具体规划暂定以下三步：
打入市场、巩固基础--先将产品投入较低端市场，主要是公共场所和老旧小区等，试验商品在实际应用中的效果，同时根据及时效果反馈不断改进技术，为产品完善积累经验。同时，通过大批量的生产改进生产线，建立相适应的生产管理机制。
拓展市场、精化产品--在第一步完成的基础上，积极宣传公司业务，以逐步接近对小区环境要求更高的用户，提高产品的精度，细化使用范围，并根据大客户的要求汇总开发，针对不同的需要分出不同生产线，进而将不同的生产过程专门化、产业化。同时逐步寻求政府的支持以及产品在相关部门产业较大规模的应用。
创新升级、强化市场--在产品种类达到一定水平后，将技术提升的空间扩大，不断进行机械方面的改造，完善控制技术，与相应的企业合作，共同开发更加智能的完整工作系统，完善业务类型，使工业生产与服务业均衡发展。
对于未来的产品，坚持"以全面布局保基础、以积极创新促发展"的产品战略，实现由单一产品服务向全方位产品服务转型。在产品设计上，把握好满足客户需求和引领客户需求之间的关系，逐步增强引领客户需求的能力，努力增强市场发展的预判能力。在优化和提高产品设计部门产品创新和实际应用能力的基础上，加大细分行业产品的布局力度，努力做到使产品可以满足多品种、多高度、多场合的使用需求；通过客户定制、市场定制、甚至政府定制等多种方式拓展创新品种。
参考文献
[1]孙桓，陈作模，葛文杰．《机械原理》．高等教育出版社．
[2]濮良贵，陈国定，吴立言．《机械设计》．高等教育出版社．
[3]刘豹，唐万生．《现代控制理论》．机械工业出版社．
[4]蔡啓明，张庆，庄品，谢乃明．《工业工程导论》．电子工业出版社
[5]蒋祖华，奚立峰．《工业工程实践案例及方法》．清华大学出版社
论文作者:葛文杰、冯硕、王鹏超、张裕、张倩瑞
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第2期
论文发表时间:2019/3/13
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