CN103692447A - 一种基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用俯视相机和侧部相机对电动汽车内电池进行定位的方法。具体方法是：在电动汽车顶部和电池上分别做上标记，利用顶部相机和侧部相机对标记进行拍照，并获得图像坐标系下电动汽车和电池的位置坐标，再提取机械手坐标系下的电池坐标，最后将图像坐标系下电动汽车和电池的坐标和机械手坐标系下的电池坐标进行拟合，最终获得电池在机械手坐标系下的三维构建。采用本发明的方法不仅定位精度高、成本低并且实施方式简单。

Description

一种基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法

技术领域

本发明涉及一种利用俯视相机和侧部相机对电动汽车内电池进行定位的方法。

背景技术

随着人们对环境保护的意识越来越强，环境污染和资源的问题受到人们的极大关注。汽车行业节能减排形势的日益严峻，发展节能环保型汽车成为汽车产业发展的必然选择。目前，以电能为代表的新能源的节能环保型汽车作为动力与储能电池产业终端应用产品，已成为国家鼓励发展的新兴战略性产业。

目前，电动汽车的续航能力是电动汽车行业需要解决的一个重要问题，国家电网公司提出了“换电为主、插充为辅、集中充电、统一配送，通过智能电网、物联网和交通网的‘三网’技术融合，实施信息化、自动化和网络化的‘三化’管理，实现对电动汽车用户跨区域全覆盖的同网、同质和同价的‘三同’服务”的建设方针。电动汽车蓄电电池的充电和换电环节关系到整个电动汽车产业的普及和推广。

在电动汽车利用机械手换电池的过程，对电动汽车内的电池进行定位是关键性的一步。目前目前电动汽车电池定位方式主要包括两种，一种是机械定位，采用导引槽将汽车车轮卡死，固定车身位置，同时采用限位装置固定车头位置；第二种是双目视觉定位，直接获取电池侧面中心点的坐标以及偏向角信息。但是，第一种方法在使用过程中不仅对电动汽车的定位精度不高，而且对司机驾驶水平有一定要求；第二种方法在使用过程中定位精度虽然提高，但是双目视觉成本较大。

发明内容

为了解决背景技术中的缺陷，本发明提出了一种定位精度高、成本低并且实施方式简单的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法。

本发明的具体技术方案是：

一种基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】获取图像坐标系下电动汽车顶部中心坐标、电动汽车偏向角以及电池中心坐标值；

2】获取机械手坐标系下的电池的坐标值以及角度值；机械手坐标系是指以机械手三维空间运动的方向搭建的坐标系；

3】将图像坐标系下的坐标值以及机械手坐标系下的坐标值进行拟合，获得电池在机械手坐标系下的三维构建；

4】机器手基于电池在机器人坐标系下三维构建，对电池进行拾取。

上述步骤1】的具体步骤是：

1.1】对电动汽车车顶以及电动汽车电池箱内的电池分别做矩形框条标记和黑色圆形标记；

1.2】顶部照相机采集处理矩形框条标记图像，获取电动汽车顶部的中心点坐标以及电动汽车的偏向角；

1.3】侧部照相机采集处理黑色圆形标记图像，获取电动汽车电池箱内的电池的中心坐标；

上述步骤1.2】的具体步骤是：

1.2.1】顶部照相机拍摄下电动汽车顶部的图片，提取图片的感兴趣区域；

1.2.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

1.2.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

1.2.4】在步骤1.2.3】中的黑白图片中提取图像轮廓，并判断该图像轮廓是否为矩形框条标记，如果是，进行步骤1.2.5；

1.2.5】获取矩形框条标记的所有矩形边点坐标，计算所有矩形边点坐标的平均值确定电动汽车顶部的中心点坐标，通过确定矩形框条标记其中一条边与图像轮廓一条边之间的夹角，确定电动汽车的偏向角。

上述步骤1.2.4】的具体步骤是：

1.2.4.1】对图像轮廓进行多边形逼近，根据多边形顶点的个数判断该多边形是否为四边形图像轮廓；如果是四，则认定该图像轮廓为四边形图像轮廓并保留；如果不是四，则舍弃该图像轮廓；

1.2.4.2】判断四边形图像轮廓是否为四边形凸轮廓；设定一个灰度阈值T2，计算四边形图像轮廓的面积，如果面积大于阈值T2，则四边形图像轮廓为四边形凸轮廓；如果面积小于阈值T2，则舍弃该四边形图像轮廓；

1.2.4.3】判断四边形凸轮廓是否为矩形框条标记；设定阈值T3，如果四边形凸轮廓的四个内角余弦值中最大值大于阈值T3，则该四边形凸轮廓为矩形框条标记，否则不是矩形框条标记。

上述步骤1.3】的具体步骤是：

1.3.1】侧部相机拍摄下电池箱内电池的图片，去除会对图片处理产生干扰的区域；

1.3.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

1.3.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

1.3.4】在黑白图片中获取黑色圆形标记的图像，并确定电池的中心坐标。

上述步骤1.3.4】的具体步骤是：

1.3.4.1】提取黑白图片中的黑色区域，再找出电池箱与电池之间的黑色缝隙中的中心点坐标；

1.3.4.2】根据电池距离电池箱上表面固定像素宽度，初步确定黑色圆形标记的中心点坐标；再利用初步确定的黑色圆形标记的中心点坐标设定一个边长大于黑色圆形标记直径的正方形区域；

1.3.4.3】对正方形区域进行灰度阈值分割，提取黑色圆形标记的边缘；

1.3.4.4】找出包括边缘的最小外接圆，该最小外接圆的圆心即为最终电池中心点坐标。

本发明的优点在于：

1、本发明通过在电动汽车和电池上设定标记点的方法确定电池位置，特征明显，避免了外界环境光干扰，结果更加可靠。

2、本发明利用图像坐标系和机械手坐标系完成电池在机械手坐标系下的三维重建，相比双目视觉技术的成本更低，精度更高。

附图说明

图1为本发明中获取电动汽车顶部的中心点坐标以及电动汽车的偏向角的流程示意图。

图2为本发明中获取电动汽车电池箱内的电池的中心坐标的流程示意图。

具体实施方式

在电动汽车利用机械手换电池的过程，对电动汽车内的电池进行定位是关键性的一步。本发明提出了一种定位精度高、成本低并且实施方式简单的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法。

本发明采用的方法首先是在换电站区域内设置了用于获取电动汽车姿态的顶部照相机以及获取电动汽车内电池的侧部照相机；基于上述两台照相机对电动汽车中的电池进行精确定位；该方法的具体的步骤如下：

步骤1】获取图像坐标系下电动汽车顶部中心坐标、电动汽车偏向角以及电池中心坐标值；

步骤1.1】对电动汽车车顶以及电动汽车电池箱内的电池分别做矩形框条标记和黑色圆形标记；其中，矩形框条标记和黑色圆形标记是汽车出厂本身已经在电动汽车顶部和电池上做好的标记。

步骤1.2】利用设置在电动汽车顶部的照相机采集处理矩形框条标记图像，获取电动汽车顶部的中心点坐标（X，Y）以及电动汽车的偏向角（θ）；（根据照相机的性能特点，一般选取电动汽车车顶与照相机之间的距离为1m）

结合附图1对该步骤进行详述，其具体是：

步骤1.2.1】顶部照相机拍摄下电动汽车顶部的图片，提取图片的感兴趣区域；（在该步骤中，如果采用的照相机拍摄的照片为彩色图像时，该步骤中还需要对R、G、B通道图片进行处理）

步骤1.2.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

步骤1.2.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

具体是：设定灰度阈值T1并对灰度阈值进行分割，将大于灰度阈值T1的像素点定义为白色，小于灰度阈值T1的像素点定义为黑色；

步骤1.2.4】在步骤1.2.3】中的黑白图片提取图像轮廓，并判断该图像轮廓是否为矩形框条标记；

该步骤的具体实施如下：

步骤1.2.4.1】对图像轮廓进行多边形逼近，根据多边形顶点的个数判断该多边形是否为四边形；如果是四，则认定该图像轮廓为四边形图像轮廓并保留；如果不是四，则舍弃该图像轮廓；

步骤1.2.4.2】四边形图像轮廓是否为四边形凸轮廓；设定一个阈值T2，计算四边形图像轮廓的面积，如果面积大于阈值T2，则四边形图像轮廓为四边形凸轮廓；如果面积小于阈值T2，则舍弃该四边形图像轮廓；

步骤1.2.4.3】判断四边形凸轮廓是否为矩形框条标记；设定阈值T3，如果四边形凸轮廓的四个内角余弦值中最大值大于阈值T3，则该四边形凸轮廓为矩形框条标记，否则不是矩形框条标记。

步骤1.2.5】获取矩形框条标记的所有矩形边点坐标（X₁，Y₁），计算所有矩形边点坐标的平均值确定电动汽车顶部的中心点坐标，由于汽车偏向角肯定是在±10°以内，因此，通过确定矩形框条标记其中一条边与其相邻图像轮廓一条边之间的夹角在±10°之内，从而确定电动汽车的偏向角。

步骤1.3】利用设置在电动汽车侧部的照相机采集处理黑色圆形标记图像，获取电动汽车电池箱内的电池的中心坐标（X₂，Y₂）；

以下结合附图2对该步骤进行详细描述：

步骤1.3.1】侧部相机拍摄下电池箱内电池的图片，去除会对图片处理产生干扰的区域；

步骤1.3.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

步骤1.3.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

具体是：设定灰度阈值T4并对灰度阈值进行分割，将大于灰度阈值T1的像素点定义为白色，小于灰度阈值T4的像素点定义为黑色；

步骤1.3.4】在黑白图片中获取黑色圆形标记的图像，并确定电池的中心坐标；该步骤的具体实施如下：

步骤1.3.4.1】提取黑白图片中的黑色区域，再找出电池箱与电池之间的黑色缝隙中的中心点坐标，设黑色缝隙中的中心点坐标为（X₃，Y₃）；

步骤1.3.4.2】根据电池距离电池箱上表面固定像素宽度（dh），初步确定黑色圆形标记的中心点坐标（X3，Y₃+dh）；再利用初步确定的黑色圆形标记的中心点坐标设定一个边长大于圆形标记直径的正方形区域；（设正方形边长为D，圆形标记直径为D1，D＞D1）；

步骤1.3.4.3】对正方形区域进行灰度阈值分割，提取黑色圆形标记的边缘；（此时获取的黑色圆形标记的边缘不是平滑整齐的圆形轮廓）

步骤1.3.4.4】找出包括上述边缘的最小外接圆，该最小外接圆的圆心即为最终电池中心点坐标（X₂，Y₂）。

步骤2】获取机械手坐标系下的电池的坐标值（X₄，Y₄，Z₄）以及角度值（θ₁）；机械手坐标系是指以机械手三维空间运动的方向搭建的坐标系；机械手设置有人机界面，通过该人机面板可以直接看见机械手移动到的坐标值和角度信息。

步骤3】将图像坐标系下的坐标值（电动汽车顶部坐标值（X，Y）、电动汽车的偏向角（θ）、电池中心点坐标（X₂，Y₂））以及机械手坐标系下的坐标值（电池的坐标值（X₄，Y₄，Z₄）以及角度值（θ₁））通过最小二乘法进行拟合，找出图像坐标与机械手坐标之间的转换关系，最终获得电池在机械手坐标系下的三维构建。

上述步骤3】中，机械手坐标系和图像坐标系是投影变换的关系，当汽车在机械手坐标系中变换位置时，坐标值和角度值都是一种线性变换的关系这一特征，采用matlab软件拟合二次曲线即可得到转换方程。

步骤4】机器手基于电池在机器人坐标系下三维构建，对电池进行拾取。

Claims (6)

1.一种基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1】获取图像坐标系下电动汽车顶部中心坐标、电动汽车偏向角以及电池中心坐标值；

2】获取机械手坐标系下的电池的坐标值以及角度值；机械手坐标系是指以机械手三维空间运动的方向搭建的坐标系；

3】将图像坐标系下的坐标值以及机械手坐标系下的坐标值进行拟合，获得电池在机械手坐标系下的三维构建；

4】机器手基于电池在机器人坐标系下三维构建，对电池进行拾取。

2.根据权利要求1所述的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于：所述步骤1】的具体步骤是：

1.1】对电动汽车车顶以及电动汽车电池箱内的电池分别做矩形框条标记和黑色圆形标记；

1.2】顶部照相机采集处理矩形框条标记图像，获取电动汽车顶部的中心点坐标以及电动汽车的偏向角；

1.3】侧部照相机采集处理黑色圆形标记图像，获取电动汽车电池箱内的电池的中心坐标。

3.根据权利要求2所述的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于：所述步骤1.2】的具体步骤是：

1.2.1】顶部照相机拍摄下电动汽车顶部的图片，提取图片的感兴趣区域；

1.2.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

1.2.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

1.2.4】在步骤1.2.3】中的黑白图片中提取图像轮廓，并判断该图像轮廓是否为矩形框条标记，如果是，进行步骤1.2.5；

1.2.5】获取矩形框条标记的所有矩形边点坐标，计算所有矩形边点坐标的平均值确定电动汽车顶部的中心点坐标，通过确定矩形框条标记其中一条边与图像轮廓一条边之间的夹角，确定电动汽车的偏向角。

4.根据权利要求3所述的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于：所述步骤1.2.4】的具体步骤是：

1.2.4.1】对图像轮廓进行多边形逼近，根据多边形顶点的个数判断该多边形是否为四边形图像轮廓；如果是四，则认定该图像轮廓为四边形图像轮廓并保留；如果不是四，则舍弃该图像轮廓；

1.2.4.2】判断四边形图像轮廓是否为四边形凸轮廓；设定一个灰度阈值T2，计算四边形图像轮廓的面积，如果面积大于阈值T2，则四边形图像轮廓为四边形凸轮廓；如果面积小于阈值T2，则舍弃该四边形图像轮廓；

1.2.4.3】判断四边形凸轮廓是否为矩形框条标记；设定阈值T3，如果四边形凸轮廓的四个内角余弦值中最大值大于阈值T3，则该四边形凸轮廓为矩形框条标记，否则不是矩形框条标记。

5.根据权利要求2所述的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于：所述步骤1.3】的具体步骤是：

1.3.1】侧部相机拍摄下电池箱内电池的图片，去除会对图片处理产生干扰的区域；

1.3.2】对图片进行高斯平滑处理，去除图片中的噪点；

1.3.3】通过灰度阈值分割的方法，将图片处理为黑白图片；

1.3.4】在黑白图片中获取黑色圆形标记的图像，并确定电池的中心坐标。

6.根据权利要求5所述的基于俯视和侧视相机的电动汽车电池定位方法，其特征在于：所述步骤1.3.4】的具体步骤是：

1.3.4.1】提取黑白图片中的黑色区域，再找出电池箱与电池之间的黑色缝隙中的中心点坐标；

1.3.4.2】根据电池距离电池箱上表面固定像素宽度，初步确定黑色圆形标记的中心点坐标；再利用初步确定的黑色圆形标记的中心点坐标设定一个边长大于黑色圆形标记直径的正方形区域；

1.3.4.3】对正方形区域进行灰度阈值分割，提取黑色圆形标记的边缘；

1.3.4.4】找出包括边缘的最小外接圆，该最小外接圆的圆心即为最终电池中心点坐标。

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