CN103192688A - 一种基于立体视觉的电动汽车电池定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器视觉领域，特指一种基于立体视觉的电动汽车电池定位方法。通过双目立体图像获取设备及立体视觉精确同步开关装置获得两张同步采样的图像。通过机械快门装置，达到防水防尘的作用。由单片机进行光线测量，调整控制参数，并由机械快门触发LED补光，以获得光线稳定的采样图像。完成电池定位后，根据传感器测距数据，进行补正。本发明是一种不向汽车投射主动信息，不对车身粘贴定位标志，不在车身上安装传感器，不对同一车型车辆电池框形状尺寸做严格一致性要求的电动汽车电池定位方法。车身以及电池表面出现一定程度的污损、外部环境条件的变化均不影响定位的精准性。

Description

一种基于立体视觉的电动汽车电池定位方法

技术领域

本发明涉及机器视觉领域，特指一种基于立体视觉的电动汽车电池定位方法。

背景技术

电动汽车与传统燃油汽车相比具有零排放、低噪声、高能效、运行及维修成本低廉等优点，在清洁、环保、节能等方面占据着明显的优势。电动汽车的动力来源为装载于车体内部的动力蓄电池，当动力电池的电能消耗到一定程度时，就必须对其进行能量补充，以保证电动汽车能够持续循环使用。目前电动汽车重要的能量补给方式之一是电池更换。电池更换指用充满电能的动力电池替换电动汽车上电能已经耗尽的动力电池来完成电能补充。

电动汽车电池的正常充电时间要远比汽油乘用车加油时间长，因此，为电动汽车提供快速的电池更换服务将是充换电设施的一个重要的营业内容，但由于电动汽车电池组重量大，仅以人工换电的方式无法使电池快速更换业务得到有效的推广。

因此，目前亟待实现电动汽车充换电过程的自动化，即换电工位可以无需人工干预，通过视觉定位实现电动汽车的电池更换，不仅可提高换电操作的安全性，缩短换电操作的时间，同时也可大大简化换电服务流程，提高换电站的服务质量。

发明内容

本发明要解决的问题在于针对电动汽车自动换电的要求，提供一种不向电动汽车投射主动信息等辅助手段，实现快速精确定位，并能与安防、机器人等设备配合，精准顺畅地完成系统整个换电动作，同时提高换电流程效率的视觉定位方法。为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案步骤为：

(1)图像获取：

①通过双目立体图像获取设备及立体视觉精确同步开关装置(专利公开号CN102300048A)获得两张同步采样的图像。系统可通过比较两张图像的采样时间、曝光强度等参数信息来监视图像的采样同步性，若两张图像的采集同步性不足从而影响到后继定位导航的精度，则系统进行重新采样。②在采集图像前，系统通过自动测光装置返回的数据，实时调整拍摄参数，能够适应外部光照环境的变化情况，最大限度减弱因晴雨天气，日夜更替而造成的环境变化对识别的影响。③视觉系统进行数据采集时，机械快门打开，当完成数据采集后，机械快门自动关闭，以达到防水防尘的作用。④LED补光的时间由机械快门时间决定，在打开机械快门的同时触发补光灯开关，在机械快门关闭的同时关闭补光灯，使视觉系统在图像获取时有足够稳定的补光时长，从而最大限度减弱双目细微不同步采样对或许图像质量所造成的影响。

补光设备建议使用非红外LED，可使用照射范围5米，视角为130°的非红外补光灯，每个视觉传感器配备一台补光设备。设备应具有良好散热装置，且具备防水与防尘的功能。

(2)对视觉定位装置及换电机器人进行标定：

针对不同的实际场地，在不影响车辆换电的前提下，确定视觉系统的安装位置：根据现场情况及相关要求，当车辆停置于指定的3×5米换电工位时，针对不同停车方向，视觉系统都可对车辆进行位置识别，并根据已支持车辆的类型和换电方式快速确定电池布置。

安装完毕后，视觉系统采用离线的方式进行一次立体视觉标定及与换电机器人的联合标定。标定结果作为系统标准值。

在实际运行时，系统定期通过采样图对的信息进行实时标定参数检测，以确保标定结果的准确有效性。如重投影误差过大时，向上位机发出提示信息，要求与机器人进行联合标定，从而避免定位精度下降所导致的取换电池失败情况发生。系统标定误差的积累通常是由于外力撞击等原因所造成。

(3)电动汽车电池及电池仓三维信息的确定与修正：

在定位出图像中电池的三维坐标后，机器人根据返回的三维坐标及旋转平移信息来取电池，为进一步增强系统的可靠性，通过夹具前方传感器对夹具进行电池定位旋转角度的修正，并记录该修正量，对电池识别位置信息进行第一次修正，确保取电池过程顺利进行。在确定电动汽车电池的坐标后，取出电池。在取出电池的过程中，通过夹具上方传感器、侧面传感器进行测距，获取电池定位的距离偏差与角度偏差，用以对电池识别位置信息进行第二次修正。

当电池取出后，由于车身负载减轻，电池仓位置将有所上升，当对空电池仓定位时，需要将第二次修正后的电池识别位置信息作为初始值，通过比对与电池仓进行硬链接的车身区域的变化情况，再一次修正电池仓位置信息。机器人根据该信息进行放电池操作。

本发明的有益效果在于：

(1)与传统的测距方式相比，该空间定位及测距方法具有更快速、鲁棒、低成本等特点；

(2)该方法采用被动视觉的方式，不向汽车投射主动信息，特别是不投射目前仍存在争议可能伤害到人体皮肤和视网膜的激光或红外光来进行辅助定位；

(3)该方法不对车身粘贴定位标志，不在车身上安装传感器。不对同一车型车辆电池框形状尺寸做严格的精确一致性要求，车身以及电池表面出现一定程度的污损情况也不影响定位的精准性；

(4)机械快门的安装，提高了视觉系统硬件的整体防护等级，可有效防止灰尘及湿气的侵入。

(5)系统通过同步开关、机械快门、测光装置、同步触发LED补光装置确保该方法能够适应外部条件的变化情况，消除因晴雨天气，日夜更替而造成的环境变化对识别的影响；

(6)系统通过夹具测距装置的反馈数据，形成定位的闭环系统，在取放电池时进行距离补偿，确保取放电池过程的顺利进行。

附图说明

图1是立体视觉电池定位方法布局示意图；

图2是图像获取装置主视图；

图3是图像获取快门及补光装置触发开关示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。如图1所示，为立体视觉电池定位方法布局示意图。本发明的电动汽车电池视觉定位方法，其具体流程为：

(1)图像获取：

图2是视觉系统图像获取装置主视图，该图像获取装置由单片机1、气缸2、相机与机械快门3、补光灯4、电源5组成。单片为软件系统提供触发开关、同步开关、测距等装置的反馈信号。左右两相机之间的补光灯为视觉系统提供稳定光源。

图3是视觉系统图像获取机械快门及补光装置触发开关示意图，该示意图由补光触发开关1、机械快门触发开关2、3，机械快门4、气缸5、密封圈6、弹簧7组成。视觉系统进行数据采集时，机械快门4打开，当机械快门完全打开时，触发开关2闭合，此时返回机械快门已打开信号，视觉系统开始拍摄图像。当完成数据采集后，机械快门自动关闭，当机械快门完全关闭时，触发开关3闭合，此时返回机械快门已关闭信号。LED补光的时长由机械快门时间决定，在气缸5作用下，打开机械快门4的同时触发补光灯开关1，在机械快门4关闭以后再关闭补光灯，使视觉系统有足够的补光时长。机械快门上的密封圈6，保证相机在非工作状态时，机械快门闭合的密封性。弹簧装置7，确保即使在没有气源时，也能保证机械快门闭合的密封性，以达到防水防尘的作用。

由单片机进行光线强度测量，根据实时的测光数据，调整曝光时间、快门时长等控制参数，以获得光线稳定的采样图像。

(2)对视觉定位装置及换电机器人进行标定：

调整视觉传感器安装位置以确保换电工位落在视场内，要求视角不小于90°，安装于离地面25cm左右处。

视觉系统采用离线的方式进行一次立体视觉标定及与换电机器人的联合标定。标定结果作为系统标准值。

(3)电动汽车电池及电池仓三维坐标的确定：

在定位出图像中电池后，计算电动汽车电池及电池仓的三维空间坐标。返回三维坐标及旋转量。机器人根据返回的信息来取电池，为进一步增强系统的可靠性，通过夹具端传感器进行识别正确性确认，确保换取电池过程顺利进行。

无电池状态时，机器人根据返回的电池仓坐标及旋转信息进行放电池操作。

视觉系统完成电池定位后，在靠近电池的过程中，通过夹具前方接近开关测距，将夹具与电池之间的距离传递给机器人。机器人通过夹具两端接近开关的距离数值，即时调整夹具位置。视觉系统完成电池定位后，夹具将电池抱紧后，通过夹具侧面传感器测距，返回电池左右偏差距离δ，在将满电量电池放进电池舱时，根据传感器测距数据，进行补正。视觉系统完成电池定位后，夹具将电池拖离电池舱200mm的位置时，通过夹具上方传感器测距，返回电池上下位置的偏差距离λ，在将满电量电池放进电池舱时，根据传感器测距数据，进行补正。

Claims (8)

1.一种基于立体视觉的电动汽车电池定位方法，其特征在于：

视觉系统采用离线的方式进行一次立体视觉标定及与换电机器人的联合标定。标定结果作为系统标准值；

在实际运行时，系统定期通过采样图对的信息进行实时标定参数检测，以确保标定结果的准确有效性。如重投影误差过大时，向上位机发出提示信息，要求与机器人进行联合标定，从而避免定位精度下降所导致的取换电池失败情况发生；

系统通过比较两张图像的采样时间、曝光强度等参数判断图像是否同步采样，图像获取能够适应外部条件的变化情况，消除环境变化对识别的影响。

2.根据权利要求1所述的图像获取方法，其特征在于：通过双目立体图像获取设备及立体视觉精确同步开关装置(专利公开号CN102300048A)获得两张同步采样的图像。

3.根据权利要求1所述的图像获取方法，其特征在于：视觉系统安装有机械快门装置，进行数据采集时，机械快门完全打开，同时触发机械快门开关，返回机械快门打开信号，视觉系统开始拍摄图像；完成数据采集后，机械快门自动关闭，当机械快门完全关闭时，触发机械快门开关，返回机械快门已关闭信号，以达到防水防尘的作用。

4.根据权利要求3所述的快门装置，其特征在于：机械快门上的密封圈，保证相机在非工作状态时，机械快门闭合的密封性，以达到防水防尘的作用。

5.根据权利要求3所述的快门装置，其特征在于：连接快门的弹簧装置，确保即使在没有气源时，也能保证快门闭合的密封性，以达到防水防尘的作用。

6.根据权利要求1所述的图像获取方法，其特征在于：LED补光的时间由机械快门时间决定，在打开机械快门的同时触发补光灯开关，在机械快门关闭以后再关闭补光灯，使视觉系统有足够的补光时长。

7.根据权利要求1所述的图像获取方法，其特征在于：由单片机进行光线测量，根据实时的测光数据，调整曝光时间、快门时长等控制参数，以获得光线稳定的采样图像。

8.根据权利要求1所述的电动汽车电池及电池仓三维坐标的确定，其特征在于：完成电池定位后，通过夹具上方传感器、前方传感器、侧面传感器进行测距，返回电池定位的偏差距离与偏转角度，在将满电量电池放进电池舱时，根据传感器测距数据，进行补正。

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