CN105607666A - 一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法，包括可在相互垂直的三个方向上移动的充电装置和控制器，所述充电装置包括充电伸出臂，在上下方向、左右方向和前后方向这三个方向内，每个方向上均设置有步进电机；充电伸出臂上有充电接口；步进电机控制充电伸出臂在该方向的移动；控制器控制升降速子程序、左右移动子程序、上下移动子程序和前后移动子程序；通过控制充电臂的移动，实现自动充电装置充电接口的空间运动，自动充电装置上的充电接口通过搜索定位方法自动寻找电动汽车上的受电接口进行充电，该过程完全由控制器和电机进行操作，无需人工干预。

Description

一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法

技术领域

本发明涉及汽车自动充电领域，具体涉及一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法。

背景技术

随着社会和科技的进步与发展，电动汽车已成为未来汽车产业以及整个动力技术领域的重要发展趋势，目前，我国的电动汽车充电设施主要为非车载型充电装置，已建成使用的有充电站和充电桩，使用方式均为手动式充电，智能化程度较低。国内现有的电动汽车自动充电装置有基于视觉为电动汽车提供充电对接的装置，利用图像采集系统对图像进行实时采集，通过计算机图像处理系统获取电动汽车插座的轮廓与中心信息，根据图像处理所获取的信息与对接链接装置结合实现插头与充电接口的对心校准，最后驱动装置控制充电插头直线前进，完成对接；有通过激光定位实现自动充电的装置，利用激光测距仪传感器组获取汽车插座的位置信息，由电机驱动充电装置将充电插头插入充电插座中进行充电。目前的自主充电技术还存在很多缺点，如导航定位精度不够理想、容错及纠错能力不够强大，充电装置的设计从结构上还不能为自动充电系统提供足够大的容忍度，缺乏普遍环境适应性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法，通过控制充电装置在三个方向上的运动，达到精确定位、快速充电，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：1、一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法：其特征在于，包括可在相互垂直的三个方向上移动的充电装置和控制器，所述充电装置包括充电伸出臂，在上下方向、左右方向和前后方向这三个方向内，每个方向上均设置有步进电机；充电伸出臂上有充电接口；步进电机控制充电伸出臂在该方向的移动；控制器控制升降速子程序、左右移动子程序、上下移动子程序和前后移动子程序；该方法包括以下步骤：

1)关闭状态下，充电装置处于收起状态，充电伸出臂位于上下方向顶部；前后方向定义充电汽车位置为前方，此时充电伸出臂位于后方；左右方向上位于中央；当控制器收到自动充电信号后，驱动上下移动子程序，充电伸出臂下降到底部；

2)充电伸出臂下降到位后，控制器驱动前后移动子程序，将充电伸出臂向前，伸到待充电汽车的底盘下方，接触到充电伸出臂上的限位开关之后停止运动；

3)检测底盘高度：检测充电伸出臂向前伸出后，充电伸出臂开始上升并调用升降速子程序，当充电臂上的限位开关接触到汽车底盘之后，充电伸出臂停止上升，控制上下方向的步进电机翻转，使充电伸出臂向下运动2mm；

4)完成步骤3)后，控制器调动左右移动子程序，充电伸出臂向右移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测，当充电伸出臂与霍尔传感器的距离在阈值内，充电伸出臂开始低速并匀速运动；从阈值范围内开始向霍尔传感器的受电点运动的过程中，检测到霍尔传感器两端的电压从上升到下降，当检测到电压下降时，电机停止转动，确定左右位置；

5)完成步骤4)后，控制器调用前后移动子程序，充电伸出臂向前运动；此时，若检测到霍尔传感器两侧电压由上升到下降，电机停止转动，控制器调用上下移动子程序；若检测到电压下降，则电机停止运转并开始反转，充电伸出臂向后移动；此时继续检测，若检测到电压由上升到下降，停止运动，否则继续在前后方向移动；

6)经过步骤5)的前后位置调整，充电伸出臂运动到车辆上受电接口的正下方后，控制器调用充电伸出臂上下移动子程序，充电伸出臂上升，与待充电车辆的受电接口对接；当汽车ECU检测到电动汽车已经开始充电，发送信号给控制器，控制器控制上下移动子程序停止，确定上下位置；此时开始对电动汽车进行充电。

进一步的，步骤4)具体包括以下步骤：

控制器调动左右移动子程序，充电伸出臂向右移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测；

记录控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样左右运动电压值，并将霍尔传感器采集到的AD信号通过中位值平均滤波算法进行滤波；充电装置运动过程中，霍尔传感器将采集到的当前时刻的电压实时覆盖控制器主控芯片储存器原先存储的霍尔传感器两端电压，并将当前时刻的电压与前一时刻的电压进行比较：

下一时刻时刻电压值等于前一时刻电压值，继续沿着运动方向运动；

下一时刻电压大于当前时刻电压值时，充电装置开始低速并匀速运动；

下一时刻电压小于前一时刻电压时，充电装置停止运动；确定左右位置。

进一步的，步骤5)具体包括以下步骤：

控制器调用前后移动子程序，充电伸出臂先后方向移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测；

记录控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样前后运动电压值，并暂时固定在存储器中，充电伸出臂向前运动，霍尔传感器将采集到的当前时刻的电压实时覆盖控制器主控芯片储存器原先存储的霍尔传感器两端电压，并将当前时刻的电压与前一时刻的电压进行比较：

若下一时刻电压大于前一时刻，继续向前运动；

若下一时刻电压小于前一时刻，停止运动，控制器调用上下移动子程序；

若下一时刻的电压值小于储初始位置时的AD采样前后运动电压值，控制器发出指令向后运动。

进一步的，当汽车ECU检测到电动汽车充电完成或车主需要用车按下充电装置收起按钮控后，控制器控制上下移子程序，使充电接口与受电接口脱离，充电臂下降到靠近地面处；控制器接收到充电完成或遥控收起信号使充电伸出臂下降到位后，前后移动电机启动，控制充电伸出臂退回，前后移动平台向后运动，接触到限位开关后，前后移动电机停止运动；前后移动平台后退到位后，自动充电装置整体右移回到初始位置，当自动充电装置接触到限位开关之后步进电机停止运动；自动充电装置收起。

有益效果：本发明能够控制充电装置在三个方向上灵活的移动，精确的与汽车的充电装置对接，底座两边的滑动导轨可以有效降低前后移动平台运动时的摩擦，底座为黄铜轴套，黄铜轴套则可有效降低自动充电装置整体左右移动和充电伸出臂上下移动时的摩擦，使运动更加平稳顺畅。弹簧可以在充电接口和受电接口对接时允许存在一定的位置偏差，降低对接难度。实现自动充电装置充电接口的空间运动。自动充电装置上的充电接口通过搜索定位方法自动寻找电动汽车上的受电接口进行充电。该过程完全由控制器和电机进行操作，无需人工干预。

附图说明

图1为本发明的关闭状态图

图2为本发明运动状态一个瞬间的示意图

图3为线性霍尔传感器特性

图4为步进电机转速闭环控制系统

图5为霍尔传感器两端电压A/D转换电路

图6为左右移动时霍尔传感器电压判断程序流程图

图7为前后移动时霍尔传感器电压判断程序流程图

图中：底座1、黄铜轴套1-1、导轨1-2、上下移动支撑杆2、上下移动丝杠2-1、充电伸出臂2-4、充电接口2-3、弹簧2-4、上下移动步进电机2-5、前后移动支撑架3、前后移动步进电机3-1、左右移动支撑杆4、左右移动丝杆4-1、左右移动电机4-2、固定架4-3。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

霍尔传感器属于磁敏传感器，具有感受磁场的独特能力，噪声小、动态范围大、频率范围宽。可以用磁场作为被检测信息的载体，将位移、力、加速度、角度、角速度、转速等非电、非磁物理量转换为电量。霍尔集成传感器分为线性型和开关型两大类。其中，线性型霍尔集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性关系。在磁感应强度±0.25T的范围内有较好的线性。因此广泛应用在测量、自动控制等领域。线性霍尔传感器外加的磁感应强度与霍尔传感器两端电压之间的关系如图3所示。

电动汽车自动充电装置定位控制系统以A/D转换后的电压为反馈量，线性型霍尔集成传感器两端的输出电压，在钕铁硼磁钢生成的随位移线性变化的特定磁场中，与位移成正比，因此通过感知线性霍尔传感器两端电动势可以探测微位移的大小，实现自动充电装置位移的闭环检测。

本发明基于此提出了一种基于线性霍尔传感器两端电压高精度A/D转换的充电接口闭环定位方法。闭环控制系统可以获得比开环系统更好的稳态特性，从而实现位移的精准控制。闭环系统装有反馈装置，本文以线性霍尔传感器两端电压的变化为反馈量，对步进电机的转速进行闭环控制。当控制器检测到霍尔传感器两端的电压变化时，控制步进电机转速下降，避免出现因电机转速过快导致位置检测失准。步进电机转速闭环控制系统如图4所示。

步进电机的转动过程中不可缺少的会存在振动、随机脉动干扰等不利于AD采样的因素，因此进行AD采样时，要对A/D转换的返回值通过滤波算法进行处理。本定位系统对AD采样的信号使用中位值平均滤波算法进行处理，中位值平均滤波算法是中位值滤波算法和算术平均滤波算法的结合，融合了两种算法的优点，可以有效克服偶然因素引起的脉冲性干扰，消除由于脉冲干扰引起的采样值偏差，提高AD采样的精度。

稳压芯片为可为主控芯片ADC提供稳定的参考电压源，在定位控制系统中，稳压芯片将主电源稳压后，电压输出管脚输出+3.3V电压给主控芯片供电和为电压A/D提供稳定的参考电压源。通过A/D转换，霍尔传感器的电压信号转变为单片机能够识别的数字量。霍尔传感器两端电压A/D转换电路如图5所示。

AD采样信号是本控制系统的反馈量，是自动充电装置精确定位的关键。AD采样得到的电压信号与自动充电装置位置之间的关系可以表述为，当充电伸出臂上的霍尔传感器靠近电动汽车充电接口的磁铁时，霍尔传感器电压上升；当充电伸出臂远离时，霍尔传感器两端电压下降。控制器检测到霍尔传感器两端电压从高往低变换时，便可判断出充电接头已经运动到该方向上最靠近受电接口的位置。AD采样信号经过中位值平均滤波算法滤波后，具有很高的精度和稳定性。

当充电接口运动到受电接口附近时，充电伸出臂根据线性霍尔传感器两端的电压进行左右和前后方向的微进给，对充电接口进行定位。自动充电装置整体左右移动时通过高精度度A/D转换进行定位检测的程序流程图如图6所示，充电伸出臂前后移动时通过高精度A/D转换进行定位检测的程序流程图如图7所示。

实施例：

如图1和图2所示为一种三自由度电动汽车自动充电装置，其特征在于：包括三个方向的移动平台、分别控制每个平台移动的电机、霍尔传感器、固定架4-3、充电接口2-3；

所述移动平台包括底座1、上下移动平台、前后移动平台及左右移动平台，三个平台的运动路线相互垂直；上下移动平台、前后移动平台及左右移动平台通过底座1相互连接。

进一步的，其特征在于：上下移动平台包括上下移动支撑杆2和上下移动丝杠2-1；所述前后移动平台包括前后移动支撑架3；所述左右移动平台包括左右移动支撑杆4和左右移动丝杠4-1；

上下移动支撑杆2通过前后移动支撑架3与底座1下方连接，形成导轨滑块机构；前后移动支撑架3沿着底座1前后滑动；底座1上方设置有若干通孔，左右移动丝杠4-1穿过排列在中央的通孔，左右移动平台的左右移动支撑杆4穿过其他通孔；左右移动步进电机位于底座1的一侧，具体布置于左右移动丝杠4-1一端，控制左右移动丝杠4-1；底座1的另一侧设置有若干固定架4-3，所述固定架4-3与左右移动支撑杆4和左右移动丝杠4-1末端连接，固定架4-3包括圆形连接孔和固定面，所述固定面水平；若干固定支架的固定面位于同一个平面上；所述上下移动平台顶部设置有上下移动步进电机，控制上下移动丝杠，上下移动丝杠上套有充电伸出臂2-2，伸出臂末端设置有充电接口2-3，充电接口2-3与充电伸出臂2-2通过弹簧连接；前后移动步进电机设置在底座1一端，控制前后移动支撑架3前后运动。

进一步的，上下移动平台、前后移动平台及左右移动平台分别包括限位开关。

一种三自由度电动汽车自动充电装置的控制方法：其特征在于，包括控制器，控制器控制升降速子程序、左右移动子程序、上下移动子程序和前后移动子程序；该方法具体包括以下步骤：

1)关闭状态下，充电装置处于收起状态，充电伸出臂位于上下移动支撑杆2顶部；前后移动支撑架3位于底座1右端；底座1位于左右移动支撑杆4中央；当控制器收到自动充电信号后，驱动上下移动步进电机，充电伸出臂由上下移动支撑杆2顶部下降到底部；

2)充电伸出臂下降到位后，控制器驱动前后移动步进电机，将充电伸出臂伸到待充电汽车的底盘下方，此时充电伸出臂伸出，前后移动平台运动，接触到充电伸出臂上的限位开关之后停止运动；

3)检测底盘高度：检测充电伸出臂伸出后，充电伸出臂开始上升并调用升降速子程序，当充电臂上的限位开关接触到汽车底盘之后，充电伸出臂停止上升，下上移动步进电机反转，使充电伸出臂向下运动2mm；

4)完成步骤3)后，控制器调动左右移动子程序，驱动左右移动平台移动；底座1带动充电伸出臂向右移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测，控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样电压值，并将霍尔传感器采集到的AD信号通过中位值平均滤波算法进行滤波，AD采样信号经过中位值平均滤波算法滤波后，具有很高的精度和稳定性。自动充电装置运动过程中霍尔传感器将采集到的当前时刻的电压实时覆盖控制器主控芯片储存器原先存储的霍尔传感器两端电压，并将下一时刻的电压与前一时刻的电压进行比较。当下一时刻的电压等于前一时刻的电压值时，说明充电接口正在逐渐接近受电接口，但与受电接口之间还有一定距离，没有进入到受电接口的磁场范围，因此霍尔传感器两端电压没有变化。随着充电接口越来越接近受电接口，当下一时刻的电压大于前一时刻的电压值时，说明充电接口2-3已运动到受电接口附近，为提高定位准确性，自动充电装置开始低速并匀速运动。当充电接口2-3运动到左右移动方向上的最接近受电接口的位置时，控制器检测到霍尔传感器两端电压达到最大；当控制器检测到下一时刻的电压小于前一时刻的电压值时，说明此时充电接口正在逐渐远离受电接口，控制器此时控制电机停止转动，确定左右定位；

5)完成步骤4)后，控制器调用前后移动子程序，控制前后移动平台运动。因为此时无法判断充电接口在前后方向上是在受电接口前方(在前方时，电机需反转，充电接口退回)还是在受电接口后方(在后方时，电机正转，充电接口前进)，因此需要先进行充电接口与受电接口之间的位置判断。控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样电压值，并暂时固定在存储器中，当电机正转，前后移动平台向前运动；此时，控制器按照与步骤4)中相同电压检测过程进行电压检测，若检测到电压上升，说明充电接口在受电接口正后方，电机正转时转动方向正确，当控制器检测到电压开始下降后，电机停止转动，控制器调用上下移动子程序；当电机正转时，若检测到下一时刻的电压值比暂时固定在存储器中的电压初值小，说明充电接口正在逐渐远离受电接口，则电机停止运转并开始反转，前后移动平台开始向后移动以接近受电接口；此时继续按照与步骤4)中相同电压检测过程进行电压检测，若检测到电压由上升到下降，控制器控制前后移动电机停止运动，否则继续移动前后移动平台；

6)当充电接口2-3经过步骤5)的前后位置调整，运动到车辆上受电接口的正下方后，控制器调用充电伸出臂上下移动子程序，充电臂带动充电接口2-3上升，与受电接口对接；当汽车ECU检测到电动汽车已经开始充电，发送信号给自动充电装置控制器，控制器控制上下移动电机停止转动，此时开始对电动汽车进行充电，充电接口2-3定位对接过程完成，开始充电；

7)当汽车ECU检测到电动汽车充电完成或车主需要用车按下自动充电装置收起按钮控后，控制器控制上下移动电机反转，使充电接口2-3与受电接口脱离，充电臂下降到靠近地面处；

8)控制器接收到充电完成或遥控收起信号使充电伸出臂下降到位后，前后移动电机启动，控制充电伸出臂退回，前后移动平台向后运动，接触到限位开关后，前后移动电机停止运动；

9)前后移动平台后退到位后，自动充电装置整体右移回到初始位置，当自动充电装置接触到限位开关之后步进电机停止运动；自动充电装置收起。

充电伸出臂与前后移动平台通过螺栓连接在一起，因此也相当于控制充电伸出臂的伸出与退回。左右移动步进电机控制的是自动充电装置整体的左右移动。丝杠将步进电机的轴向转动转为自动充电装置和前后移动平台、充电伸出臂的直线运动，线性霍尔传感可以给出自动充电装置和充电伸出臂的位置信息。底座两边的滑动导轨可以有效降低前后移动平台运动时的摩擦，底座为黄铜轴套，黄铜轴套则可有效降低自动充电装置整体左右移动和充电伸出臂上下移动时的摩擦，使运动更加平稳顺畅。弹簧可以在充电接口和受电接口对接时允许存在一定的位置偏差，降低对接难度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法：其特征在于，包括可在相互垂直的三个方向上移动的充电装置和控制器，所述充电装置包括充电伸出臂，在上下方向、左右方向和前后方向这三个方向内，每个方向上均设置有步进电机；充电伸出臂上有充电接口；步进电机控制充电伸出臂在该方向的移动；控制器控制升降速子程序、左右移动子程序、上下移动子程序和前后移动子程序；该方法包括以下步骤：

1)关闭状态下，充电装置处于收起状态，充电伸出臂位于上下方向顶部；前后方向定义充电汽车位置为前方，此时充电伸出臂位于后方；左右方向上位于中央；当控制器收到自动充电信号后，驱动上下移动子程序，充电伸出臂下降到底部；

2)充电伸出臂下降到位后，控制器驱动前后移动子程序，将充电伸出臂向前，伸到待充电汽车的底盘下方，接触到充电伸出臂上的限位开关之后停止运动；

3)检测底盘高度：检测充电伸出臂向前伸出后，充电伸出臂开始上升并调用升降速子程序，当充电臂上的限位开关接触到汽车底盘之后，充电伸出臂停止上升，控制上下方向的步进电机翻转，使充电伸出臂向下运动2mm；

4)完成步骤3)后，控制器调动左右移动子程序，充电伸出臂向右移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测，当充电伸出臂与霍尔传感器的距离在阈值内，充电伸出臂开始低速并匀速运动；从阈值范围内开始向霍尔传感器的受电点运动的过程中，检测到霍尔传感器两端的电压从上升到下降，当检测到电压下降时，电机停止转动，确定左右位置；

5)完成步骤4)后，控制器调用前后移动子程序，充电伸出臂向前运动；此时，若检测到霍尔传感器两侧电压由上升到下降，电机停止转动，控制器调用上下移动子程序；若检测到电压下降，则电机停止运转并开始反转，充电伸出臂向后移动；此时继续检测，若检测到电压由上升到下降，停止运动，否则继续在前后方向移动；

6)经过步骤5)的前后位置调整，充电伸出臂运动到车辆上受电接口的正下方后，控制器调用充电伸出臂上下移动子程序，充电伸出臂上升，与待充电车辆的受电接口对接；当汽车ECU检测到电动汽车已经开始充电，发送信号给控制器，控制器控制上下移动子程序停止，确定上下位置；此时开始对电动汽车进行充电。

2.如权利要求1所述的一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法：其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：

控制器调动左右移动子程序，充电伸出臂向右移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测；

记录控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样左右运动电压值，并将霍尔传感器采集到的AD信号通过中位值平均滤波算法进行滤波；充电装置运动过程中，霍尔传感器将采集到的当前时刻的电压实时覆盖控制器主控芯片储存器原先存储的霍尔传感器两端电压，并将当前时刻的电压与前一时刻的电压进行比较：

下一时刻时刻电压值等于前一时刻电压值，继续沿着运动方向运动；

下一时刻电压大于当前时刻电压值时，充电装置开始低速并匀速运动；

下一时刻电压小于前一时刻电压时，充电装置停止运动；确定左右位置。

3.如权利要求2所述的一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法：其特征在于，步骤5)具体包括以下步骤：

控制器调用前后移动子程序，充电伸出臂先后方向移动，运动的同时对线性霍尔传感器两端电压进行检测；

记录控制器主控芯片的存储器存储初始位置时的AD采样前后运动电压值，并暂时固定在存储器中，充电伸出臂向前运动，霍尔传感器将采集到的当前时刻的电压实时覆盖控制器主控芯片储存器原先存储的霍尔传感器两端电压，并将当前时刻的电压与前一时刻的电压进行比较：

若下一时刻电压大于前一时刻，继续向前运动；

若下一时刻电压小于前一时刻，停止运动，控制器调用上下移动子程序；

若下一时刻的电压值小于储初始位置时的AD采样前后运动电压值，控制器发出指令向后运动。

4.如权利要求1所述的一种三自由度电动汽车充电接口扫描定位方法：其特征在于，当汽车ECU检测到电动汽车充电完成或车主需要用车按下充电装置收起按钮控后，控制器控制上下移子程序，使充电接口与受电接口脱离，充电臂下降到靠近地面处；控制器接收到充电完成或遥控收起信号使充电伸出臂下降到位后，前后移动电机启动，控制充电伸出臂退回，前后移动平台向后运动，接触到限位开关后，前后移动电机停止运动；前后移动平台后退到位后，自动充电装置整体右移回到初始位置，当自动充电装置接触到限位开关之后步进电机停止运动；自动充电装置收起。