CN103342101A - 感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法 - Google Patents

感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法 Download PDF

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柳伟
姬芬竹
王锐
麻翠娟
徐斌
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Abstract

本发明公开了一种感应式非接触充电定位对准装置,包括粗对准装置、车载电能接收装置、地面电能发射装置、超声波精确定位系统和超声波定位处理模块;粗对准装置包括前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头、后视镜式显示屏、前地面标识符、后地面标识符;超声波位置对正系统包括超声波发射传感器、超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D、步进电机A、步进电机B、移动平台、温度传感器;超声波位置对正处理模块包括车载处理模块和地面处理模块;感应式非接触充电定位方法,包括:步骤一:通过图像由驾驶员完成粗定位;步骤二:启动超声波定位系统;步骤三:在位置计算的基础上,移动平台对准。

Description

感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线充电及无线定位技术领域,涉及一种基于超声波传感器的感应式非接触充电定位及对准装置及其相应的定位方法。
背景技术
[0002] 随着电动汽车整车技术和关键零部件技术的不断发展,汽车电动化成为了全球汽车行业的发展趋势,纯电动汽车等主要采用电能驱动的汽车成为我国的主要发展趋势。
[0003] 对于纯电动汽车的推广,电能的供给和补充是一个重要的影响因素,因此电池充电方式的选择极为重要。非接触式充电不需要电源插头、插座、电线等连接装置,它通过交变电磁场或无线电波传递电能。与传统的接触式充电相比,非接触式充电具有不用人工插拔电源接头、节省电线材料、无触电危险、恶劣天气条件下适应性强等特点,便于在停车场和车库大面积推广。因此,非接触式充电受到越来越多的汽车厂商和能源供应商的重视,相关技术的研发和应用在世界主要发达国家都已广泛开展。
[0004] 在非接触式充电中,感应式充电具有充电效率高、适合大功率充电等优点,但充电距离短且需要充电线圈精确对准。
[0005]目前国内外对于非接触式充电的研究,基本上都集中在电能传输装置方面,而实际上对于一个完整的无线充电系统来说,定位对准装置也对充电效率有着举足轻重的影响。
[0006] 超声波用于测距定位在机器人定位及人机交互方面已有应用,但应用方式不同,并且由于应用目的不同,不提供位置对准运动装置。
发明内容
[0007] 本发明的目的是解决感应式非接触充电对准问题,以促进其应用推广。针对感应式非接触充电的要求,本发明提出了一种感应式非接触充电定位对准装置及其定位方法。该装置和方法能通过图像传感装置和相应的标识,由驾驶员实现粗定位。在此基础上采用超声波实现对感应式非接触式充电线圈的精确定位,并通过微处理器控制步进电机驱动线圈平台移动到所需对准的位置,完成充电系统的要求。
[0008] 本发明感应式非接触充电定位对准装置,包括粗对准装置、车载电能接收装置、地面电能发射装置、超声波精确定位系统和超声波定位处理模块;
[0009] 粗对准装置包括前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头、后视镜式显示屏、前地面标识符、后地面标识符;
[0010] 超声波位置对正系统包括超声波发射传感器、超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D、步进电机A、步进电机B、移动平台、温度传感器;
[0011] 本发明超声波位置对正处理模块包括车载处理模块和地面处理模块;
[0012] 感应式非接触充电定位方法,其具体定位对准过程如下:[0013] 步骤一:通过图像由驾驶员完成粗定位;
[0014] 步骤二:启动超声波定位系统;
[0015] 步骤三:在位置计算的基础上,移动平台对准;
[0016] 本发明的优点在于:
[0017] (I)首次采用超声波定位系统对非接触式充电提供对准方法,保障了非接触式充电的效率,利于其应用推广。
[0018] (2)采用多传感器结合的方法实现了感应式非接触式充电的全过程定位,通过图像信号和地面标识实现粗定位,在此基础上通过超声波传感器实现精确定位;
[0019] (3)采用了基于到达时间差的定位方法对装置定位,有效的减小了硬件系统的复杂性,降低了系统的成本,使系统更容易搭建和实现,同时还能提高系统的可靠性;
[0020] (4) 一般使用DTOA算法搭建的系统中,都没有对本方法中传感器的布置对定位精度的影响进行分析。事实上传感器的布置对本方法的精度有很大的影响,在某些特殊位置时,由于计算矩阵本身的病态,无法使用该算法得出具体的位置。在本发明中,首次对位置分布做了一定的分析,并采用优先推荐的结构,可以得出精确的定位信息;
[0021 ] (5)通过结合移动平台,本装置以及方法可以在定位的基础上实现对准,真正使充电装置的效率达到最大。
附图说明
[0022] 图1:本发明的车辆无线充电定位系统整体机构示意图;
[0023] 图2:本发明的超声 波精确定位系统不意图;
[0024] 图3:本发明的超声波定位处理模块示意图;
[0025] 图4:本发明的定位流程简图;
[0026] 图中:
'03-地面标识符 006-车载电能接
103-超声波发射106-车载部分处
203-超声波接收
206-步进电机A209-移动平台
[0037] 211-超声波接收处理电路模块A
[0038] 212-超声波接收处理电路模块B
[0027] 001-车载夜视摄像头 002-车载夜视摄像头 [0028] 004-地面标识符 005-后视镜式显示屏 收装置 [0029] 007-地面电能发射装置 [0030] 101-超声波发射传感器 102-超声波车载处理模块 处理电路模块 [0031] 104-车载通信模块 105-驾驶员命令输入模块 理器 [0032] 107-显示输出模块 [0033] 201-超声波接收传感器A 202-超声波接收传感器B 传感器C [0034] 204-超声波接收传感器D 205-超声波地面处理模块 [0035] 207-步进电机B 208-温度传感器 [0036] 210-地面通信模块[0039] 213-超声波接收处理电路模块C
[0040] 214-超声波接收处理电路模块D
[0041] 215-地面部分处理器 216-电机驱动模块
具体实施方式
[0042] 下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0043] 本发明的感应式非接触充电定位对准装置,如图1所示,包括粗对准装置、车载电能接收装置006、地面电能发射装置007、超声波精确定位系统和超声波定位处理模块。
[0044] 粗对准装置包括前车载夜视摄像头001、后车载夜视摄像头002、后视镜式显示屏
005、前地面标识符003、后地面标识符004 ;
[0045] 前地面标识符003、后地面标识符004分别位于地面电能发射装置007的两侧,前车载夜视摄像头001、后车载夜视摄像头002分别采集汽车前、后的图像,将图像传输至后视镜式显示屏005,后视镜式显示屏005上设有前、后标识符,当后视镜式显示屏005的前、后标识符与前地面标识符003、后地面标识符004形成设定的几何关系时,车载电能接收装置006与地面电能发射装置007对齐,完成粗对准。
[0046] 所述的前车载夜视摄像头001、后车载夜视摄像头002为夜视型,保证本发明装置在光线不足或者夜晚的时候也能使用,因为对于普通家用电动汽车,其充电时间一般在夜间。
[0047] 所述的后视镜式显示屏005在平时充当后视镜使用,只有在启用防撞雷达或者充电定位系统时才作为显示屏显示。·
[0048] 所述的前地面标识符003、后地面标识符004为空心的十字架图案,而且,还设有汽车进入充电站开始的引导线,引导线用来帮助驾驶员按照一定的轨迹,顺利地引导车辆驶入预定的地点;
[0049] 所述的后视镜式显示屏005的前、后标识符为实心的十字架图案,实心的十字架图案与空心的十字架图案相对应。
[0050] 驾驶员通过后视镜式显示屏005的前、后标识符与前地面标识符003、后地面标识符004形成的几何关系,将汽车停在一定的范围内,使车载电能接收装置006与地面电能发射装置007对齐,完成006车载电能接收装置和007地面电能发射装置的粗对准。
[0051] 车载电能接收装置006和地面电能发射装置007是无线充电的主体部分,其中车载电能接收装置006包括了电能接收线圈(未画出)、非接触式充电接收端控制电路(未画出)、超声波发射传感器101 (位于电能接收线圈中心上)、超声波车载处理模块102 ;地面电能发射装置007包括电能发射线圈(未画出)、非接触式充电发射端控制电路(未画出)、超声波接收传感器(包括八201、8202、0203、0204,位于电能发射线圈中间,与电能发射线圈呈同心布置)、超声波地面处理模块205。
[0052] 如图2所示,超声波精确定位系统包括超声波发射传感器101、超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204、步进电机A206、步进电机B207、温度传感器208、移动平台209 ;
[0053] 超声波发射传感器101位于车载电能接收装置006上,超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204、温度传感器208位于地面电能发射装置007上。地面电能发射装置007位于移动平台209上。
[0054] 超声波发射传感器101位于车载电能接收装置006内部的接收线圈中心,由圆的性质可以得知,圆心决定圆的位置,因此,一旦知道超声波发射传感器101的位置,也就知道了接收线圈的位置。
[0055] 为了方便加工,将所有的超声波接收传感器布置于地面电能发射装置007地面电能发射线圈的同一平面上。
[0056] 由本装置采用DTOA (基于到达时间差)算法,该算法中检测站(即本装置中的超声波接收传感器)的布置对算法的精度有较大的影响,其带来的误差简称GDOP误差。GDOP的计算比较复杂,减小⑶OP误差的原则有:
[0057] (I)在范围固定时,尽量使接收站与发射站所形成的锥体体积最大,避免某些接收站呈线性或近似线性布置。也就是接收站所形成的最大的三角形面积最大。
[0058] (2)尽量不使某部分接收站距离太近,影响整体误差。
[0059] 通过分析,本发明中,超声波接收传感器A201位于地面电能发射装置007内部的发射线圈中心,超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204位于地面电能发射装置007内部的发射线圈的同心圆上,通过上述设置,整体定位误差最小。
[0060] 所述的超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204按照圆的内接三角形布置(圆周方向三等分布置),如图2所示,圆直径优选的在5cm-15cm之间,地面电能发射装置007发射线圈的直径在80cm左右,而汽车底盘离地为12-18cm。超声波发射传感器101发出的超声波强度在其正前方最大,随着角度的偏离,强度会减小,超声波接收传感器接收信号的强度也服从此规律。因此,如果超声波接收传感器布置距离太远,则可能会由于角度太偏致使接收到的超声波强度太弱,从而影响到超声波的检测。
[0061] 本发明装置中,可以布置两个以上的超声波发射传感器,也可以布置四个以上的超声波接收传感器,通过DTOA算法计算各个传感器的位置,从而实现对装置的整体定位,此时对于发射传感器的发射时序有一定的安排,但总体而言,其定位算法和使用方法离不开本发明所阐述的思想。
[0062] 地面电能发射装置007位于移动平台209上,移动平台209采用滚珠丝杆结构和相应的底座支撑(采购件),步进电机A206、步进电机B207分别连接在移动平台209相互垂直的两条边上,因为地面电能发射装置007固定在其上面,所以超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204也位于其上(其中A201位于电能发射线圈的正中间,B202、C203、D204呈圆的内接正三角形布置,与A201同心)。位于移动平台209上的地面电能发射装置007内的电能发射线圈随移动平台209移动,同时通过超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204器实时接收到的超声波信号作为反馈,判断其位置是否对准。
[0063] 步进电机A206、步进电机B207为对正系统的移动执行模块,地面处理模块205根据超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204接收信号的时间判断移动平台209所需位移的方向,发出一系列的脉冲信号,通过电机驱动模块216驱动步进电机A206、步进电机B207,步进电机A206、步进电机B207每获得一个脉冲则旋转一个步距角,通过滚珠丝杆结构转化为移动平台209的平移,从而实现了地面处理模块205对移动平台209的控制。
[0064] 出于对充电效率的考虑,可能对该装置进行一定的改装,但本质上是通过对一个移动平台的控制实现充电线圈的移动,从而完成对线圈的精确对准。
[0065] 温度传感器208是用于测量当前温度以提高位置计算精度。温度传感器208测量当前温度,以数字信号的方式传输到地面模块处理器215,由于声速随着温度变化,对测距定位误差有较大影响。测量当前温度,通过公式计算出实时声速,对定位计算做出实时补偿,从而提高了其定位精度。
[0066] 如图3所示,超声波位置对正处理模块包括车载处理模块102和地面处理模块205 ;
[0067] 车载处理模块102包括超声波发射处理电路模块103、车载通信模块104、驾驶员命令输入模块105、车载部分处理器106、显不输出模块107 ;车载处理模块102位于车载电能接收装置006上;车载处理模块102主要承担产生超声波发射信号、人机交互及通信的功
[0068] 车载通信模块104通过无线与通信模块210进行通讯,当装置启动时,车载通信模块104将车载部分处理器106输出的信号传输至地面通信模块210,地面通信模块210将信号输出至地面部分微处理器215,将超声波地面处理模块205唤醒。在定位过程中,地面通信模块210将实时位置信息反馈至车载通信模块104,用以判断是否完成定位对准。此位置信息还可以通过显示输出模块107输出至后视镜式显示屏005,用来实时观察其位置。
[0069] 车载部分处理器106每隔一定的时间产生一系列40kHz的超声波脉冲信号,该信号由软件编程产生定时中断实现。由车载部分处理器106产生的信号一般为5v左右低压信号,该信号无法驱动全密封式的超声波发射传感器101产生足够强的超声波信号,通过超声波发射处理电路模块103进行电压放大、电流放大之后得到一个60v左右的信号,驱动超声波发射传感器101产生足够强度的超声波信号。
[0070] 驾驶员命令输入模块105用来将驾驶员的启动/停止控制命令输入至车载部分处理器106。
[0071] 显示输出模块107将实心十字架图像传输至后视镜式显示屏005。
[0072] 地面处理模块205包括通信模块210、超声波接收处理电路模块A211、超声波接收处理电路模块B212、超声波接收处理电路模块C213、超声波接收处理电路模块D214、地面部分处理器215、电机驱动模块216 ;地面处理模块205位于地面电能发射装置007上;地面处理模块205则主要对超声波接收信号处理、控制移动平台209位移及通信。
[0073] 车载通信模块104通过无线与通信模块210进行通讯,当装置启动时,车载通信模块104发送信号至地面通信模块210,地面通信模块210将信号输出至地面模块微处理器215,将超声波地面处理模块205唤醒。当装置位置对正完成,地面通信模块210将已经对准的信息反馈至车载通信模块104 ;
[0074] 当超声波发射传感器101发出超声波信号,超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204分别接收超声波信号,并且,分别将接收到的超声波信号输出至超声波接收处理电路模块A211、超声波接收处理电路模块B212、超声波接收处理电路模块C213、超声波接收处理电路模块D214,超声波接收处理电路模块A211、超声波接收处理电路模块B212、超声波接收处理电路模块C213、超声波接收处理电路模块D214均集成了信号放大、滤波、解耦、门电路等功能,能将超声波信号从40kHz的载波信号中提取出来并分析,最终得到一个低电平信号,该信号的下降沿代表了接收时间点,将得到的信号输出至地面部分处理器215。
[0075] 地面模块处理器215承担了主要的运算和控制功能,故其对芯片的要求比车载模块处理器106高,应尽量选用主频高、计算能力强的微处理器。
[0076] 地面部分处理器215对从超声波接收处理电路模块A211、超声波接收处理电路模块B212、超声波接收处理电路模块C213、超声波接收处理电路模块D214输入的信号进行处理,通过DTOA算法计算移动平台209当前位置,还需要加入温度信号进行补偿提高精度以及采用一些滤波算法(比如卡尔曼滤波)减小误差并提高可靠性,在计算移动平台209位置的基础上,得出移动平台209所需位移方向(位移方向由所计算的位置确定,最终使车载电能接收线圈和地面电能发射线圈对准),并由此发出控制信号至电机驱动模块216,电机驱动模块216根据控制信号分别驱动步进电机A206、步进电机B207动作,使得移动平台209移动,实现对准。对准判断标准为,此时移动平台到达车载电能接收线圈正下方的位置,计算所需位移为零。
[0077] 电机驱动模块216能够放大控制信号,地面模块处理器215所发出的控制信号太弱,需通过步进电机驱动模块216将该控制信号转化为强脉冲信号,才能驱动步进电机A206、步进电机B207运动。
[0078] 如图4所示,感应式非接触充电定位方法,其具体定位对准过程如下:
[0079] 步骤一:通过图像由驾驶员完成粗定位;
[0080] 当电动汽车到无线充电站时,由驾驶员通过按钮开启前车载夜视摄像头001、后车载夜视摄像头002和后视镜式显示屏005,此时可以由后视镜式显示屏005观测到地面上的指示线标。驾驶员驾驶电动汽车按照地面上的指示线标开到预定的位置,此时屏幕上的定位标识与前地面标识符003、后地面标识符004重合,完成粗定位。
[0081] 步骤二:启动超声波定位系统
[0082] 当驾驶员使用图像指示标识完成粗定位后,通过按钮即驾驶员输入命令模块105输入启动定位系统信号,启动车载处理模块。车载部分微处理器106通过车载通信模块104将启动信号发送给地面通信模块210,再通过地面通信模块210输入到地面部分微处理器215,将其唤醒,启动超声波地面处理模块205。
[0083] 超声波发射传感器101由车载部分微处理器106控制发出超声波信号。车载部分微处理器106通过控制程序,每隔一段时间发送一系列方波电信号(时间长短由发射传感器和接收传感器的距离决定,应避免干扰同时相隔时间不能太长;一系列方波一般指10个方波至16个方波之间,应便于超声波接收处理电路模块识别)。该信号通过超声波发射电路模块103放大以后进入超声波发射传感器101,通过超声波发射传感器101的压电效应产生超声波信号。
[0084] 该超声波信号由位于地面电能发射装置007的超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204同样通过压电效应转化为电信号。超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204接收到的信号为一系列逐渐增大又逐渐减小的脉冲信号,且随着距离和角度的变化,其信号强度也变化。该信号通过超声波接收处理电路模块A211、超声波接收处理电路模块B212、超声波接收处理电路模块C213、超声波接收处理电路模块D214处理以后,得到一个低电平信号,并输送到地面部分处理器215进行定位计算。该信号的的下降沿代表了接收超声波信号的时间,地面部分处理器215通过对各个传感器接收时间差(DT0A算法)进行处理,得出相应的坐标。
[0085] 其定位方法如下:
[0086] 超声波发射传感器101位于车载电能接收装置006发射线圈中心,其坐标代表了车身线圈的当前位置,设其坐标为(U,V,W)。超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204位于地面电能发射装置007上。其坐标已知,分别为 Rl (xl, yl, zl), R2 (x2, y2, z2), R3 (x3, y3, z3), R4 (x4, y4, z4)。
[0087] 由于超声波发射传感器101距离超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204的距离不同,超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204接收到信号的时间也不相同。假设由超声波接收传感器A201先接收到信号,此时超声波发射传感器101距离超声波接收传感器A201的距离为d。紧接着,第二个接收器将接收到信号,假设为超声波接收传感器B202,则此时超声波发射传感器101距离超声波接收传感器B202的距离为(d+c*tl2),其中c为声速,tl2为超声波接收传感器A201和超声波接收传感器B202接收信号的时间差。以此类推,可得超声波接收传感器A201和超声波接收传感器C203之间,超声波接收传感器A201和超声波接收传感器D204之间的距离为(d+c*tl3)和(d+c*tl4)。
[0088] 将超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204与其相对位置关系表示出来,则每个接收器都位于以超声波发射传感器101为球心,各个接收器与发射器的距离为半径的圆球上。与超声波接收传感器A201对应的球的半径为d,与超声波接收传感器B202对应的球的半径为(d+c*tl2),与超声波接收传感器C203对应的球的半径为(d+c*tl3),与超声波接收传感器D204对应的球的半径为(d+c*tl4)。每个球的坐标方程为:
[0089] (xl-u)2+ (yl-v)2+ (zl_w)2=d2 (I)
[0090] (x2_u)2+ (y2_v) 2+ (z2_w)2=(d+c*tl2)2 (2)
[0091] (x3~u)2+ (y3~v)2+ (z3_w)2=(d+c*tl3)2 (3)
[0092] (x4~u)2+ (y4~v)2+ (z4_w)2=(d+c*tl4)2 (4)
[0093] 由于本发明装置中超声波接收传感器A201、超声波接收传感器B202、超声波接收传感器C203、超声波接收传感器D204布置在一个平面上,将坐标系的原点设在线圈圆心上,则所有超声波接收器纵坐标zl=z2=z3=z4=0。
[0094] 分别将(2) (3) (4)式减去(I)式,将w坐标消去并将其化简整理得:
Figure CN103342101AD00121
[0097] 计算矩阵中的声速c虽然作为常数计算,但事实上并不是一个恒定的值。其与温度,湿度,空气流动等相关,主要受温度影响。本发明装置中声速c的值采用近似插补公式计算而得,其公式如下:
[0098] c=331.45+0.607T (6)
[0099] 式中331.45为O摄氏度时的声速,T为摄氏温度,由温度传感器模块208测量而得。
[0100] 该矩阵为线性矩阵,因此可以采用直接法和迭代法求解。在方程数量和未知数个数不多的情况下,采用直接法可以更快的得到答案,且如果在计算过程中没有舍入误差,那么可以得到方程的精确解。
[0101] 在算出U,V,d之后,再将其代入方程(1),此时会出现模糊解的情况。一般情况下,可解出W的两个值,由于w只能为正,所以舍去其负值,得到w的解即超声波发射传感器101的z方向坐标。
[0102] 事实上,由于DTOA算法的敏感性,传感器的布置能在一定程度上影响系统的精度,某些布置方式在定位时甚至会出现矩阵病态而无法求解。因此,对于传感器的布置选择是有一定讲究的,本发明中接收传感器的布置优先选择如图2所示的布置。
[0103] 步骤三:在位置计算的基础上,移动平台对准。
[0104] 装置的对准过程需要传感器定位和电机驱动相互配合。地面部分处理器215算出相对位置以后,再计算从当前位置到完全对准所需的位移量及位移方向,由此产生控制信号。该控制信号由电机驱动模块216转化为驱动脉冲,驱动步进电机A206、步进电机B207带动移动平台209中的滚珠丝杆结构,将固定于移动平台209上的地面电能发射装置007的发射线圈移动到车载电能接收装置006的接收线圈正下方。
[0105] 由于定位及对准过程中会产生偏差,需要实时修正。因此,步骤二和步骤三是循环进行的。在此过程中,超声波接收传感器不断将实时位置反馈给地面部分处理器215,由地面部分处理器215做出相应的调整,修正其位移量及位移方向。当判断地面电能发射装置007的发射线圈与车载电能接收装置006的接收线圈完全对准以后,定位装置停止工作,开始启动无线充电。

Claims (8)

1.感应式非接触充电定位对准装置,包括粗对准装置、车载电能接收装置、地面电能发射装置、超声波精确定位系统和超声波定位处理模块; 粗对准装置包括前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头、后视镜式显示屏、前地面标识符、后地面标识符; 前地面标识符、后地面标识符分别位于地面电能发射装置的两侧,前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头分别采集汽车前、后的图像,将图像传输至后视镜式显示屏,后视镜式显示屏上设有前、后标识符,当后视镜式显示屏的前、后标识符与前地面标识符、后地面标识符形成设定的几何关系时,车载电能接收装置与地面电能发射装置对齐,完成粗对准; 超声波位置对正系统包括超声波发射传感器、超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D、步进电机A、步进电机B、移动平台、温度传感器; 超声波发射传感器位于车载电能接收装置内部的接收线圈中心,超声波接收传感器A位于地面电能发射装置内部的发射线圈中心,超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D位于地面电能发射装置内部的发射线圈的同心圆上,超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D按照圆的内接三角形布置; 地面电能发射装置 位于移动平台上,移动平台采用滚珠丝杆结构,步进电机A、步进电机B分别连接在移动平台相互垂直的两条边上; 温度传感器测量当前温度,以数字信号的方式传输到地面模块处理器; 超声波位置对正处理模块包括车载处理模块和地面处理模块; 车载处理模块包括超声波发射处理电路模块、车载通信模块、驾驶员命令输入模块、车载部分处理器、显示输出模块;车载处理模块位于车载电能接收装置上; 车载通信模块通过无线与通信模块进行通讯,当装置启动时,车载通信模块将车载部分处理器输出的信号传输至地面通信模块,地面通信模块将信号输出至地面部分微处理器,将超声波地面处理模块唤醒;在定位过程中,地面通信模块将实时位置信息反馈至车载通信模块,用以判断是否完成定位对准,此位置信息还通过显示输出模块输出至后视镜式显示屏,用来实时观察其位置;当装置位置对正完成,地面通信模块将已经对准的信息反馈至车载通信模块; 车载部分处理器产生超声波脉冲信号,超声波脉冲信号通过超声波发射处理电路模块进行电压放大、电流放大,驱动超声波发射传感器产生超声波信号; 驾驶员命令输入模块用来将驾驶员的启动/停止控制命令输入至车载部分处理器; 显示输出模块将用于与地面图像匹配的图像传输至后视镜式显示屏; 地面处理模块包括地面通信模块、超声波接收处理电路模块A、超声波接收处理电路模块B、超声波接收处理电路模块C、超声波接收处理电路模块D、地面部分处理器、电机驱动模块;地面处理模块位于地面电能发射装置上; 超声波发射传感器发出超声波信号,超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D分别接收超声波信号,分别将接收到的超声波信号输出至超声波接收处理电路模块A、超声波接收处理电路模块B、超声波接收处理电路模块C、超声波接收处理电路模块D,超声波接收处理电路模块A、超声波接收处理电路模块B、超声波接收处理电路模块C、超声波接收处理电路模块D分别得到一个低电平信号,该信号的下降沿代表了接收时间点,将得到的信号输出至地面部分处理器, 地面部分处理器对从超声波接收处理电路模块A、超声波接收处理电路模块B、超声波接收处理电路模块C、超声波接收处理电路模块D输入的信号进行处理,通过DTOA算法计算移动平台当前位置,加入温度信号进行补偿,在计算移动平台位置的基础上,得出移动平台所需位移方向,并由此发出控制信号至电机驱动模块,电机驱动模块根据控制信号分别驱动步进电机A、步进电机B动作,使得移动平台移动,实现对准;对准判断标准为,此时移动平台到达车载电能接收线圈正下方的位置,计算所需位移为零。
2.根据权利要求1所述的感应式非接触充电定位对准装置,所述的前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头为夜视型。
3.根据权利要求1所述的感应式非接触充电定位对准装置,所述的后视镜式显示屏在平时充当后视镜使用,只有在启用防撞雷达或者充电定位系统时才作为显示屏显示。
4.根据权利要求1所述的感应式非接触充电定位对准装置,所述的前地面标识符、后地面标识符为空心的十字架图案。
5.根据权利要求1所述的感应式非接触充电定位对准装置,所述的后视镜式显示屏的前、后标识符为实心的十字架图案,实心的十字架图案与空心的十字架图案相对应。
6.根据权利要求1所述的感应式非接触充电定位对准装置,所述的超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D按照圆的内接三角形布置,圆直径优选的在5cm_15cm 之间。
7.根据权利要求 1所述的感应式非接触充电定位对准装置,本发明装置中,包括两个以上的超声波发射传感器,四个以上的超声波接收传感器,其中一个超声波接收传感器位于地面电能发射装置内部的发射线圈中心,其余超声波接收传感器位于地面电能发射装置内部的发射线圈的同心圆上,等分布置,通过DTOA算法计算各个传感器的位置,从而实现对装置的整体定位。
8.感应式非接触充电定位方法,其具体定位对准过程如下: 步骤一:通过图像由驾驶员完成粗定位; 当电动汽车到无线充电站时,由驾驶员通过按钮开启前车载夜视摄像头、后车载夜视摄像头和后视镜式显示屏,此时可以由后视镜式显示屏005观测到地面上的指示线标;驾驶员驾驶电动汽车按照地面上的指示线标开到预定的位置,此时屏幕上的定位标识与前地面标识符003、后地面标识符004重合,完成粗定位; 步骤二:启动超声波定位系统; 当驾驶员使用图像指示标识完成粗定位后,通过按钮即驾驶员输入命令模块105输入启动定位系统信号,启动车载处理模块;车载部分微处理器通过车载通信模块将启动信号发送给地面通信模块,再通过地面通信模块输入到地面部分微处理器,将其唤醒,启动超声波地面处理模块; 超声波发射传感器由车载部分微处理器控制发出超声波信号;车载部分微处理器通过控制程序,每隔一段时间发送一系列方波电信号;该信号通过超声波发射电路模块放大以后进入超声波发射传感器,通过超声波发射传感器的压电效应产生超声波信号; 该超声波信号由位于地面电能发射装置的超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D接收,通过超声波接收处理电路模块A、超声波接收处理电路模块B、超声波接收处理电路模块C、超声波接收处理电路模块D处理以后,得到一个低电平信号,并输送到地面部分处理器进行定位计算;该信号的的下降沿代表了接收超声波信号的时间,地面部分处理器通过对各个传感器接收时间差,即DTOA算法进行处理,得出相应的坐标; 其定位方法如下: 超声波发射传感器位于车载电能接收装置发射线圈中心,其坐标代表了车身线圈的当前位置,设其坐标为(U,V, W);超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D位于地面电能发射装置上;其坐标已知,分别为Rl (xl,yl, zl),R2 (x2, y2, z2),R3 (x3, y3, z3),R4 (x4, y4, z4); 由于超声波发射传感器距离超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D的距离不同,超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D接收到信号的时间也不相同;假设由超声波接收传感器A先接收到信号,此时超声波发射传感器距离超声波接收传感器A的距离为d;紧接着,第二个接收器将接收到信号,假设为超声波接收传感器B,则此时超声波发射传感器距离超声波接收传感器B的距离为(d+c*tl2),其中c为声速,tl2为超声波接收传感器A和超声波接收传感器B接收信号的时间差;以此类推,得到超声波接收传感器A和超声波接收传感器C之间,超声波接收传感器A和超声波接收传感器D之间的距离为(d+c*tl3)和(d+c*tl4);将超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D与其相对位置关系表示出来,则每个接收器都位于以超声波发射传感器为球心,各个接收器与发射器的距离为半径的圆球上;与超声波接收传感器A对应的球的半径为d,与超声波接收传感器B对应的球的半径为(d+c*tl2),与超声波接收传感器C对应的球的半径为(d+c*tl3),与超声波接收传感器D对应的球的半径为(d+c*tl4);每个球的坐标方程为:(xl-u)2+ (yl-v)2+ (zl-w)2=d2 (I) (x2-u)2+(y2-v)2+ (z2-w)2= (d+c*tl2)2 (2) (x3-u)2+(y3-v)2+ (z3_w)2=(d+c*tl3)2 (3) (x4-u)2+(y4-v)2+ (z4_w)2=(d+c*tl4)2 (4) 超声波接收传感器A、超声波接收传感器B、超声波接收传感器C、超声波接收传感器D布置在一个平面上,将坐标系的原点设在线圈圆心上,则所有超声波接收器纵坐标zl=z2=z3=z4=0 ; 分别将(2) (3) (4)式减去(I)式,将w坐标消去并将其化简整理得:
Figure CN103342101AC00041
本发明装置中声速c的值采用近似插补公式计算而得,其公式如下: c=331.45+0.607T (6) 式中331.45为O摄氏度时的声速,T为摄氏温度,由温度传感器模块测量而得;通过解上述矩阵,在算出U,V, d之后,再将其代入方程(I ),如果解出w为两个值,舍去其负值,得到w的解即超声波发射传感器的z方向坐标; 步骤三:在位置计算的基础上,移动平台对准; 地面部分处理器算出相对位置以后,再计算从当前位置到完全对准所需的位移量及位移方向,由此产生控制信号;该控制信号由电机驱动模块转化为驱动脉冲,驱动步进电机A、步进电机B带动移动平台中的滚珠丝杆结构,将固定于移动平台上的地面电能发射装置的发射线圈移动到车载电能接收装置的接收线圈正下方; 由于定位及对准过程中会产生偏差,需要实时修正;因此,步骤二和步骤三是循环进行的;在此过程中,超声波接收传感器不断将实时位置反馈给地面部分处理器,由地面部分处理器做出相应的调整,修正其位移量及位移方向;当判断地面电能发射装置的发射线圈与车载电能接收装置的接 收线圈完全对准以后,定位装置停止工作,开始启动无线充电。
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C06 Publication
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C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
C14 Grant of patent or utility model
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20131009

Assignee: BEIJING HANGSHENG NEW ENERGY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: BEIHANG University

Contract record no.: X2021110000001

Denomination of invention: Inductive non-contact charging positioning and alignment device and its positioning method

Granted publication date: 20151118

License type: Common License

Record date: 20210114

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