Bicycle detection for optimal parking occupation and lead time (summary)

R. Bolijn | Report number: 2012.TEL.7727 i

Summary

In pre- and post-traveling by train, the bicycle plays an important role. 40% of train travelers use their bicycles to go to the train station. Newly opened locations almost immediately fill up. As a result of the great success of free bicycle parking spaces, a lot of them are completely full and the probability of finding a suitable place to park a bike is often very little. The problem of too few parking spaces is amplified by the fact that many places are occupied by so called 'orphaned bicycles’, which are rarely or never used. These bicycles reduce the effective capacity of the parking.

LED's Park is an innovative solution to improve the parking of bicycles. By detecting the presence of a bicycle in every parking lot a better insight is obtained in parking duration, and the availability of the lot. This information is used to notify users about free lots by means of LED lighting and dynamic sign boards. As a result users will be able to find these lots more often in a faster and more efficient way, thereby increasing occupancy. In addition to the advantages the LED's Park system provides to travelers, the registration of occupied lots may be used for a second purpose. The parking’s caretaker can monitor the occupancy of the bicycle continuously, which may help in the enforcement. This will also contribute to increasing the effective capacity.

The LED’s Park system mainly consists of five subsystems: ‘detection’, ‘data visualization’, ‘data storage’, ‘data management’ and the communication between these subsystems which can be seen as a subsystem itself ‘data communication’. A key factor for success of the LED’s Park system is the detection of bicycles. Information about every parking lot’s availability needs to be obtained in order for the whole system to work properly. Therefore, the research question is: ‘how to design a sensor for the purpose of reliable bicycle detection in parking lots?’. The focus is thus on the ‘detection system’, which consists of the modules: RF, sensor, power supply and housing. This assignment restricted to the design last three modules only. With the assignment scope stated, the functional requirements, boundaries, constraints and design criteria are drawn.

First a conceptual design will be made in respect to three major design choices: the detection method, sensor location and power supply. The detection method is chosen by the company to be ultrasonic detection because of its advantages regarding dirt, watertight mounting possibilities, range and object material. The sensor location is chosen with the help of a number characteristics for optimal sensor location. There’s only one location for both lower and upper rack that fulfill the requirements for most optimal sensor location: the top side of the brackets holding the front tire in place. Out of a number of types of power supplies (mains, battery and solar) choice is made for a battery power system after evaluation with a multi-criteria analysis.

Secondly a detailed design is made incorporating an electrical circuit, a definition of the inputs and outputs, determination of the energy consumption and a housing design. The electrical circuit basically consists of two parts: the transmit- and receive-circuit. The transmit circuit is designed

R. Bolijn | Report number: 2012.TEL.7727 ii according to a standard model. For the determination of a number of parameters and values in the transmit circuit experiments will be carried out. The receive-circuit is designed in a number of sequential steps necessary to transform the input to logic level output to be further processed. In order to reduce the energy consumption the use of a load switch is investigated. With the design and necessary drive signals ready the sensor input and outputs are then defined.

The energy consumption for both transmit- and receive circuit have been calculated and measured in an experiment. For the transmit circuit the calculated currents are higher than measured due to a different of shape of the transducers peak currents. For the receive circuit the measured currents are slightly higher than expected due to the fact that theoretical and optimal currents are presented in the datasheets and some extra current is drawn by the filters and biasing circuit. With the total energy consumption given the batteries are selected.

Furthermore, an optimal cone for the best sensor’s positive detection percentage has been selected on the basis of experiment result. With this cone and the battery dimensions the minimum pcb length has been determined and an exterior housing was designed.

Lastly, it can be concluded that with the current design satisfies de functional requirements as stated. De reliability of the sensor, as a percentage of correct detection, should be investigated in large scale pilot project. Whenever correct percentage of detection is less than 98% a redesign will be necessary. All boundaries and constraints are satisfied. With the expected energy consumption the minimal lifetime of 7 years will be gained without the use of extraordinary large batteries. As a result a transparent housing, suitable for the suggested bicycle rack, was realized. In addition the sensor satisfies all other boundaries, constraints and requirements such as in- and output, operating voltage, operating conditions and environmental impact.

R. Bolijn | Report number: 2012.TEL.7727 iii

Samenvatting

De fiets speelt een belangrijke rol in het voor- en natransport van de trein. 40% van de treinreizigers gebruiken een fiets om naar of vanaf het station te reizen. Als gevolg van het grote succes van gratis fietsenstallingen zijn veel stallingen overvol en is het vinden van een lege plek erg moeilijk. Het probleem van het weinig aantal vrije plekken wordt versterkt door het feit dat een significant aantal plekken wordt bezet door zogenaamde weesfietsen, die nouwelijks of nooit gebruikt worden. Deze fietsen reduceren de effectieve capaciteit van de stalling.

LED’s Park is een innovatieve oplossing om die fietsenstallingen te verbeteren. Door de aanwezigheid van fietsen te detecteren wordt een beter inzicht verkregen in vrije plekken en de parkeerduur. Deze informatie kan worden gebruikt om gebruikers te informeren over vrije plekken aan de hand van LED verlichting en dynamische verwijzingsborden. Als gevolg hiervan zullen gebruikers sneller een vrije plek vinden en bovendien zullen zij de laatste vrije plekken kunnen vinden die anders leeg zouden blijven. Daarnaast kan de registratie van bezette plekken voor een tweede doel worden gebruikt. De beheerder van de stalling kan niet gebruikte of te lang gestalde fietsen snel herkennen en maatregelen treffen. Ook dit zal bijdragen aan een vergroting van de effectieve capaciteit.

Het LED’s Park systeem bestaat uit vijf onderdelen: ‘detectie’, ‘verwijzing’, ‘registratie’, ‘management’ en de communicatie tussen deze onderdelen. Een belangrijke factor voor het succes van het systeem is detectie van fietsen. Informatie over de vrije plekken moet worden verkregen om de verschillende onderdelen aan te sturen. De onderzoeksvraag luidt dan ook ‘hoe wordt een sensor ontworpen voor betrouwbare detectie fietsen in fietsparkeerplekken?’. De focus van deze opdracht ligt dus op het ‘detectie systeem’ dat bestaat uit een aantal modules: RF-communicatie, een sensor, voeding en een behuizing. Deze opdracht bestaat uit het ontwerp van alleen de laatste drie genoemde modules. Met de opdracht vastgesteld zijn de functionele eisen, randvoorwaarden, beperkingen en de ontwerpcriteria vastgesteld.

Als eerste wordt een conceptueel ontwerp gemaakt met betrekking tot de drie grootste ontwerpkeuzes: de detectiemethode, de sensor locatie en de voeding. Voor de detectie, wat door het bedrijf is gekozen, wordt gebruik gemaakt van ultrasoon geluid vanwege de voordelen met betrekking tot stof en vuil, waterdichte montage mogelijkheden, bereik en te detecteren materialen. De sensor locatie is gekozen met behulp van een aantal karakteristieke eigenschappen van een goede locatie. Voor zowel boven als onderrek is er slechts één locatie die voldoen aan deze eigenschappen: de bovenkant van de beugels waartussen het voorwiel wordt gepaatst. Uit de verschillende mogelijkheden wat betreft voeding van het systeem wordt gekozen voor een batterij gevoed systeem na evaluatie aan de hand van een multi-criteria analyse.

R. Bolijn | Report number: 2012.TEL.7727 iv Na het opzetten van een conceptueel ontwerp wordt een gedetailleerd ontwerp gemaakt die een electrisch circuit, een definitie van in- en uitvoer, inzicht in energieverbruik en een behuizing ontwerp bevat. Het elektrische circuit bestaat uit twee delen: het verzend- en ontvangst-circuit. Het verzendcircuit wordt ontworpen aan de hand van standaar modelen. Hiertoe dienen een aantal parameters en waardes experimenteel te worden vastgesteld. Het ontvangst-circuit wordt stapsgewijs opgebouwd om de input (weerkaatste geluidgolven) om te zetten in een ‘logic-level’ uitgangsniveau wat kan worden geinterpreteerd door de RF-module. Om de energieconsumptie te beperken wordt gekeken naar de toepassing van een schakelaar. Met het gehele ontwerp en de benodigde aansturing daar, worden de in- en uitgangssignalen van de sensor vastgesteld en omschreven.

Vervolgens wordt het energieverbruik voor zowel verzend- als ontvangst-circuit berekend en experimenteel vastgesteld. Wat betreft het verzend-circuit zijn de berekende stroomverbruiken iets hoger dan daadwerkelijk gemeten. Dit komt door afwijkende verhoudingen tussen de verwachte piek en gemiddelde stroomverbruiken. Wat betreft het ontvangst-circuit zijn de gemeten stroomverbruiken iets hoger dan berekend. Dit is komt door het feit dat de opgegeven stroomverbruiken van de componenten theoretisch zijn en verliezen niet zijn meegerekend. Met het totale energieverbruik zijn de juiste batterijen geselecteerd.

Daarna is een aan de hand van een aantal experimenten een behuizingvorm gekozen die de beste invloed heeft op het percentage fietsen en fietsposities wat gedetecteerd kan worden. Met deze vorm zijn alle en de oppervlaktebehoefte van de pcb zijn de uiteindelijke afmetingen van de behuizing vastgesteld.

Ten slotte kan worden geconcludeerd, dat met het ontwerp wordt voldaan aan de functionele eisen die gesteld zijn. De betrouwbaarheid van de sensor in de zin van het juiste percentage correcte detectie zal echter in een (grootschalige) proefopstelling moeten worden onderzocht. Als dit minder is dan 98% zal een aantal verbeteringen in het ontwerp nodig zijn. Aan alle randvoorwaarden en beperkingen zoals beschreven wordt voldaan. Met het verwachte energieverbruik zal de minimale levensduur van 7 jaar worden gehaald zonder het gebruik van buiten proporties grote batterijen zodat een transparante, niet opvallende, op het gewenste type rek passende behuizing kon worden gerealiseerd. Daarnaast voldoet de sensor naar verwachting aan de gestelde gebruiks condities.