共享单车车篮设计优化：减少颠簸物品掉落与遗落物品监测
作者：成翁乐 学校：上海交通大学附属中学嘉定分校
摘要： 本研究旨在优化共享单车车篮设计，解决物品在骑行过程中掉落及用户遗留物品的问题。通过对车篮结构进行分析，研究不同路况下物品掉落的机制，并提出优化设计方案，包括内置减震垫、材料改进和增设减震阻尼装置。此外，本文开发了一种智能监测系统，能检测车篮内的遗留物品并及时提醒用户。实验结果表明，优化后的车篮能显著减少物品掉落，智能监测系统具有较高的检测准确率，能有效提醒用户取回遗留物品。本研究为共享单车车篮设计提供了科学依据与实用方案，具有广泛的应用前景。关键词： 共享单车；车篮设计；物品掉落；智能监测；减震设计；用户体验
1.绪论
作为一名高中生，我每天都骑共享单车上下学。在这个过程中，我发现一个让我和同学都困扰的问题：每次骑行时，我会把书包、水瓶等物品放在车篮里。然而，特别是在经过不平整路面时，车篮里的物品常因颠簸而乱滚，甚至有时会掉出来。我曾多次因此不得不停车捡拾掉落的物品，这不仅浪费时间，还让人感到很麻烦。此外，我也注意到，在匆忙下车时，常会忘记检查车篮里是否有遗留的东西。几次下来，我的水瓶、手套等小物件常被遗忘在车篮里。虽然这些物品不算贵重，但丢失了也很让人懊恼。
在与同学的交流中，我发现这种现象普遍存在，大家都遇到过类似问题。这让我开始思考：为什么共享单车的车篮不能更好地保护我们的物品？能否设计一种既能防止物品掉落，又能提醒我们检查是否有遗留的车篮？带着这些疑问，我萌生了研究和优化共享单车车篮设计的想法，希望通过改进设计解决这些日常使用中遇到的实际问题。
本文将围绕共享单车车篮的设计优化展开，旨在解决骑行过程中物品掉落和遗留的问题。研究将对车篮在不同路况下的力学特性进行深入分析，特别关注其振动特性及对物品的影响。通过实验与仿真，探讨物品在车篮内的受力情况及掉落机制，为结构优化提供理论依据。
2.实验平台的搭建
2.1模拟震动平台制作
为模拟共享单车骑行过程中不同路况下的颠簸情况，并测试车篮在这些条件下的性能，本文设计并制作了一个模拟震动平台，旨在再现骑行时的各种振动环境，为实验提供一个可控的、可重复的测试环境，帮助研究车篮设计的优化效果。
模拟震动平台实物制作
模拟震动平台的设计与制作包含以下关键部分：
1）振动台：是平台的核心部分，负责再现各种颠簸情况。平台使用电动马达驱动的机械系统，能产生垂直和水平两种方向的振动。这种双向振动设计可模拟平坦路面上的轻微颠簸、坑洼路面的剧烈震动及其他复杂路况。振动频率和幅度可通过电机控制系统进行精确调节，范围从几赫兹到几十赫兹，以适应不同实验需求。
2）可调式震动平台模块：采用可调节的振动参数，可精确模拟平坦路面、坑洼路面和石子路面等路况的振动特性。通过调节平台振动频率和振幅，模拟平坦路面时，平台会产生低频小幅振动；模拟坑洼路面或石子路面时，平台会产生更高频率和更大幅度的振动。这些不同的振动模式能准确再现实际骑行中的颠簸情况。
平台模块设计
3）控制系统：平台配备了一个基于微控制器（如Arduino或Raspberry Pi）的控制系统，用于管理振动台的运行。控制系统允许用户通过界面设置振动频率、幅度和持续时间，并能存储多组不同振动参数，以便在实验中进行快速切换。该系统还能据实验需求自动调整振动模式，确保实验的可控性和数据的可重复性。
4）传感器与数据采集：为精确测量车篮在振动过程中的受力情况，平台安装了加速度传感器、位移传感器和陀螺仪等设备。这些传感器能实时采集振动数据，并通过数据采集系统传输到计算机进行记录分析。数据采集系统通过与控制系统的同步运行，确保每次实验的振动条件和数据采集的精确一致。
5）车篮安装接口：平台设计了通用型车篮安装接口，以便不同型号的车篮都可方便固定在振动台上测试。这个接口设计保证了车篮在实验中的位置稳定性，也支持快速拆卸和更换。通过制作这个模拟震动平台，研究人员可系统再现共享单车在各种实际骑行条件下的颠簸情况，并在此基础上测试和优化车篮设计，分析优化措施在减少物品掉落和提升用户体验方面的效果。平台的精确控制和数据采集能力，为研究提供了可靠的实验数据和科学依据。
2.2数据采集系统
为精确测量车篮在不同路况模拟下的振动响应，实验平台配备了先进的数据采集系统。该系统包括加速度传感器、陀螺仪传感器和位移传感器，这些传感器被布置在车篮及其周围，以实时监测其振动特性和物品在篮内的运动轨迹。传感器采集的数据通过高精度数据采集卡传输至计算机，确保捕捉到细微的动态变化。随后，这些数据将被输入Matlab等数据处理软件中进行分析，从而提供振动频率、加速度和位移等关键参数的详细信息。通过这些分析，研究人员能深入理解车篮在不同路况下的振动行为，并评估优化设计在减少物品掉落方面的有效性。
数据采集系统
2.3车篮模型制作
为验证车篮设计优化方案的实际效果，本文利用3D打印技术制作了车篮模型。首先，基于力学分析和振动测试数据，使用CAD软件对车篮结构进行精细化设计，确保其形状、尺寸和材料选择符合实验需求。优化后的设计包括增加减震功能的结构元素，如弹性支撑点和多层防震底部。
模型制作采用耐用性强且具备一定弹性的材料，以模拟实际共享单车车篮的使用场景。通过3D打印技术，可快速制作多个不同版本的车篮模型，以便在实验中进行对比测试。每个模型都经过严格的尺寸校准，以确保在实验平台上的安装和测试过程顺利进行。
车篮模型3D建模软件
制作完成后，车篮模型将进行初步的静态与动态测试，以确保其结构完整性和实验适用性。最终，模型将安装到震动平台上，进行实地振动测试，以评估设计优化方案在不同路况下的实际防震效果和物品保护性能。
3.实验探究过程
3.1初步实验
在初步实验阶段，研究将基于初始未优化的共享单车车篮进行振动实验，模拟不同路况下的骑行环境，以评估车篮在真实使用条件下的表现。实验通过将初始车篮固定在模拟震动平台上，依次模拟平坦路面、坑洼路面和石子路面等多种常见的骑行场景，记录车篮在这些条件下的振动特性及其对车篮内物品稳定性的影响。
为确保实验的精确性，车篮内放置了多种常见的骑行物品，如水瓶、书本、手机等。这些物品具有不同的形状、重量和材质，有助于评估车篮在各种物品组合下的表现。实验平台通过控制震动台的频率、幅度和方向，模拟车辆行驶时的不同颠簸程度，并利用安装在车篮上的加速度传感器实时采集车篮及其内部物品的振动数据。
实验原理图
在实验过程中，平台对不同路况下的物品运动轨迹进行了详细记录，尤其关注物品是否出现了显著的位移、倾斜或掉落现象。通过数据采集系统，研究人员能获得车篮在不同振动条件下的振动频率、加速度峰值及物品在车篮中的受力情况。随后，数据被导入Matlab等软件进行处理与分析，从而识别哪些振动条件易导致物品掉落。
通过数据分析，初步实验找出了物品掉落的主因，包括车篮结构的稳定性不足、振动传递过强及车篮底部和侧壁的防震性能较差等。这些结果为后续车篮优化设计提供了重要依据，指导研究人员提出针对性改进措施，如增加减震结构、优化车篮材料和增强物品固定性等。
3.2车篮设计优化
据初步实验的分析结果，本文提出了多个针对性优化方案，旨在减少共享单车车篮内物品掉落风险，并提升骑行体验。优化设计主要围绕增强车篮的减震性能、提高物品稳定性及改进材料选择展开。
1) 为有效减弱车篮在不平整路面上的振动传递，设计中引入了内置减震垫。这些减震垫由高弹性材料（如硅胶或泡棉）制成，嵌入车篮底部和侧壁内侧。减震垫的弹性特性能吸收和缓解来自路面的振动冲击，减少物品在车篮内的震动，从而降低掉落风险。
减震垫优化方案
2) 针对车篮整体的减震效果，优化方案增设了减震阻尼装置。这一装置通过在车篮与车架连接处安装阻尼器或弹性连接件，进一步吸收车辆在颠簸路面上的震动，减少传递到车篮的振动强度。这种设计不仅提高了车篮内物品的稳定性，还提升了骑行舒适度。
增加减震阻尼方案
3) 优化方案还对车篮材料进行了改进。选择了其他具有良好减震性能的材料作为车篮主要材料。这种材料相比传统塑料或金属材料，能更有效分散和吸收振动能量，减少物品因震动发生位移或掉落。同时，复合材料的应用还提高了车篮的整体耐用性，确保其在长期使用中的性能稳定。
通过这些优化设计，车篮在不同路况下的振动减弱效果将得到显著提升，有助于减少物品掉落风险，并提升用户骑行体验。优化后的车篮模型将通过3D打印技术制作，并在模拟震动平台上进一步实验验证，以确保设计改进的有效性和实用性。
3.3遗留物品监测系统开发
随着共享单车的广泛使用，用户在使用过程中遗留物品的问题日益突出。为我们开发的一套遗留物品监测系统，旨在有效检测并提醒用户及时取回遗留在车篮中的物品。该系统的开发基于多种传感器技术和人工智能算法的结合，能在用户下车后快速、准确识别车篮内是否存在物品。
遗留物品监测系统的核心组成部分包括传感器模块、数据处理单元和提醒装置。传感器模块主要负责实时监测车篮内的情况，可选用超声波传感器、红外传感器或摄像头等多种传感器来实现对物品的检测。数据处理单元通过对传感器采集的数据进行分析，判断车篮内是否有物品存在。一旦检测到物品，系统将通过提醒装置（如蜂鸣器或手机通知）向用户发出提醒信号。
4.实验结果与分析
4.1初步实验结果
在本研究的初步实验中，针对共享单车车篮的设计优化和遗留物品监测系统的开发进行了多方面的实验测试。主要围绕两方面展开：一是优化车篮设计以减少物品掉落的实验，二是遗留物品监测系统的检测精度测试。
1）车篮设计优化实验结果
实验首先测试了新设计的车篮在不同使用场景下防止物品掉落的性能。通过模拟不同的骑行条件（如不同速度、道路情况和负载类型），观察到优化后的车篮在防止物品掉落方面表现显著提升，实验数据显示：在平坦道路上，新设计的车篮几乎完全避免了物品掉落的情况，无论是轻便物品还是较重的物品（如水瓶和书包）。在颠簸路面上，物品掉落的概率较传统车篮减少了约50%。尤其是对于不规则形状的物品，新设计的车篮通过改进的篮筐形状和更高的边缘设计，有效提高了物品的稳定性。
2）遗留物品监测系统测试结果
针对遗留物品监测系统，我们对其在不同环境和条件下的检测精度进行了详细测试。系统集成了超声波传感器、红外传感器和基于摄像头的计算机视觉技术。各项测试结果如下：超声波传感器在检测较大物品（如背包、水瓶等）时，检测准确率达到85%以上。但在检测较小物品（如钥匙、硬币）时表现相对较差，准确率不足70%。红外传感器能高效检测车篮内是否有物品存在，整体检测准确率达到90%以上，但无法区分物品的类型或大小。计算机视觉技术对各种类型和尺寸的物品检测精度最高，准确率超过95%。特别是结合深度学习算法，系统能识别不同类型的物品，且在不同光照条件下保持较高的检测性能。然而，在低光环境下（如夜晚或光线较弱的地方），系统的检测性能会有所下降。
4.2车篮设计优化实验结果分析
4.2.1内置减震垫优化方案
为减少共享单车车篮内物品因路面颠簸而掉落的情况，本研究设计了内置减震垫的优化方案。实验选取三种材料（EVA泡棉、聚氨酯泡沫、硅胶垫），分别测试它们在不同厚度（5mm和10mm）条件下的减震效果。以下是实验结果及数据分析。
随着减震垫厚度的增加，震动强度明显降低。实验结果表明，EVA泡棉和聚氨酯泡沫在10mm厚度下的综合减震效果最好，能显著减少震动强度和掉落物品数量，且不留遗留物品。硅胶垫的减震效果较弱，需更大的厚度才能达到相似效果。因此，建议使用10mm厚度的EVA泡棉或聚氨酯泡沫作为共享单车车篮减震垫，以优化用户体验。
4.2.2增加减震阻尼方案
为进一步减少共享单车车篮内物品因颠簸而掉落的情况，本研究提出了增加减震阻尼的方案。此方案采用不同强度和松紧程度的弹簧，将车篮与单车车架连接，以吸收震动并提供有效阻尼。通过调整弹簧的强度和松紧程度，实验评估了其对减震效果的影响。以下是实验结果及数据分析。
表2增加减震阻尼实验结果弹簧类型
实验结果显示，随着弹簧松紧度增加（从5cm到10cm），震动强度普遍降低。实验结果表明，使用不同强度和松紧度的弹簧能有效增加车篮的减震阻尼效果。特别是弹簧C（200 N/m强度，10cm松紧度）在减震性能上最优越，能显著降低震动强度，防止物品掉落和遗留。相比之下，弹簧A的效果相对较差，表明在选择弹簧时，较高的强度和适中的松紧度组合能提供最佳的减震效果。因此，建议在共享单车车篮的设计中使用强度较高且松紧度适中的弹簧，以最大限度提高减震阻尼效果。
4.2.3不同车篮材料优化方案
为了提升共享单车车篮的减震性能和耐用性，本研究探索了使用不同材料来优化车篮设计。不同材料具有各自的物理特性，如重量、硬度和弹性模量，这些特性对车篮使用过程中的减震效果和耐用性有显著影响。本研究选择了三种不同材料（塑料、铝合金、碳纤维），并测试了它们在实际使用中的减震性能。以下是实验结果及数据分析。
表3不同车篮材料实验结果
车篮材料重量 (kg)硬度 (肖氏硬度)平均震动强度 (g)掉落物品数量 (次)遗留物品数量 (次)塑料0.8707.532铝合金1.2906.221碳纤维0.5855.010碳纤维材料的车篮减震效果最显著，其平均震动强度为5.0g，显著低于塑料（7.5g）和铝合金（6.2g）碳纤维的低重量和高弹性模量使其能更有效地吸收震动能量，从而减少车篮内物品的震动。
实验结果表明，碳纤维材料在优化车篮设计中表现出最佳的综合性能。其重量轻、硬度适中且具有优良的减震能力，能有效降低震动强度，减少物品掉落和遗留。铝合金虽重量上稍重，但其较高的硬度提供了良好的减震性能，适合作为经济性和性能的折中选择。塑料车篮虽成本低廉，但在减震效果和物品保护方面的表现不如其他两种材料。因此，建议在高性能共享单车车篮的设计中优先使用碳纤维或铝合金材料，以提升用户体验和车篮耐用性。
4.3遗留物品监测系统的性能评估
为解决共享单车车篮内物品遗留的问题，开发了一种遗留物品监测系统。本节对该系统性能进行评估，包括检测准确率、响应时间和系统稳定性。
检测准确率：测试系统在不同光照条件下（白天、夜晚、阴天）检测车篮内遗留物品的正确率。每种条件下进行20次测试，记录正确检测次数。
响应时间：测量系统从检测物品遗留到发出提醒的时间间隔。进行20次测试，计算平均响应时间。
系统稳定性：在室外连续24小时运行系统，记录系统运行状态和故障次数。
表4 性能评估数据表
检测准确率：系统在白天和阴天表现较好，检测准确率分别为90%和95%；夜晚准确率下降至80%，显示低光环境中系统性能需改进。
响应时间：平均响应时间为1.5秒，能快速提醒用户。
系统稳定性：24小时监测中出现2次故障，表明系统稳定性总体良好，但有改进空间。
遗留物品监测系统总体性能良好，但在低光环境中的检测准确率和长期稳定性方面仍有提升空间。未来改进应集中在增强低光环境下的检测能力和提高系统稳定性。
5.讨论与结论
本研究针对共享单车车篮提出多项优化方案，包括内置减震垫、增设减震阻尼及使用不同材料并开发评估了遗留物品监测系统。以下为各项内容的具体讨论。
减震垫和阻尼方案：实验表明，增加减震垫的厚度和使用高弹性材料（如聚氨酯和EVA泡棉）能显著降低震动强度和物品掉落数量。其中，10mm厚聚氨酯垫效果最佳，说明材料与厚度的合理选择对提升减震性能至关重要。减震阻尼方案通过调节弹簧强度和松紧度吸收震动，强度为200 N/m强度、松紧度为10cm的弹簧表现最好，能有效减少震动传递和物品掉落概率。相比减震垫，弹簧阻尼在多种震动条件下具有更好的适应性。
不同材料的车篮优化：碳纤维车篮在减震效果和重量控制方面优势显著，其高弹性模量可有效减少颠簸冲击，减少物品掉落和遗留。铝合金作为经济型选择，具有良好的减震性能，适合于成本敏感场景。塑料车篮价格低廉，但减震效果不佳，不推荐用于高要求环境。
遗留物品监测系统：该系统在检测准确率和响应时间方面表现良好，但在夜间低光环境下准确率下降，且连续运行中出现少量故障，提示其稳定性仍需改进。未来应重点优化低光检测能力与系统耐久性。
综上所述，通过使用合适厚度和材质的减震垫、适配弹簧阻尼结构及使用碳纤维和铝合金等高性能材料，共享单车车篮的减震性能与物品保护能力得到显著得升。遗留物品监测系统在多数环境下表现可靠，低光条件下性能仍需进一步优化。整体而言，本研究为车篮设计提供了有效优化策略，后续将致力于增强方案的适用性和用户体验。
参考文献：
[1]王明，李华.(2021).共享单车车篮设计优化研究：减少物品掉落的解决方案[J].交通运输工程学报，39(2)，87-98.[2]张伟，赵丽.(2020).共享单车配件设计的现状与未来发展[J].交通技术与管理，15(4)，72-83.
[3]李晓，陈辉. (2019).共享单车车篮智能化系统的研发与应用[J].智能交通与城市发展，24(1)，34-45.[4]陈军，刘伟. (2022).基于振动分析的共享单车车篮优化设计[J].交通设计与研究，17(5)，56-70. 窗体顶端窗体底端
责任编辑：李银慧
小字号