CN106696747A - 一种电动汽车自动充电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车自动充电系统及其控制方法，从车辆泊车入位开始监测，到车辆充电完成后断开充电连接复位装置并生成用户账单，包括充电插头对接和充电过程实时监控，软件系统部分全程监控充电过程涉及到的各项数据，控制硬件机械部分运行完成下一步动作，硬件部分完成指令后将新的信号量传回软件部分参与新指令运算，软硬结合，提高整个充电系统的系统性和智能性；使用基于机器视觉和机器学习算法的充电接口对接方案，保证对接的可行性和准确度；使用三维度长行程的丝杆导轨机构，增加充电接头的可活动范围，适应多种车型；为自动充电系统配备支付扫码器，通过手机端支付工具的支付条形码扫码功能即可完成相关费用的支付，使支付更智能。

Description

一种电动汽车自动充电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车自动充电技术及控制方法，具体涉及一种全自动化高精度电动汽车自动充电系统及其控制方法。

背景技术

中国国民经济的飞速发展，促进居民汽车保有量的增长。据国家统计局数据,2005-2014年年均增长高达15.61％。然而汽车数量的增长带来了石油能源减少、环境污染、城市空间拥挤等问题，于是电动汽车得到飞速发展。2014年全球市场共销售353522辆电动汽车,同比增长53％。据工信部统计，2015年1-6月，中国电动汽车累计生产7.85万辆，同比增长3倍。新能源汽车市场拥有巨大的前景，这一点毋庸置疑。而电动汽车的使用必定离不开充电桩，截至2015年底，国内已建成的充换电站3600座，公共充电桩4.9万个。2015年10月，国家发改委、能源局、工信部和住建部四个部门联合印发了《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》，文件提出到2020年，国内新增集中式充换电站1.2万座，分散式充电桩480万个，以满足全国500万辆电动车的充电需求。

现有的电动汽车充电装置包括了各类交流和直流充电桩和充电站，使用这些充电装置时，需要使用者手动将充电装置上的充电插头插入电动汽车的充电插座内，然后启动充电。而在充电完成后，同样需要使用者手动移除充电插头并将其放置在充电装置上。在交流充电装置的充电插头上，除了有供电触头外，还有保护接地触头、控制确认触头、充电连接确认触头等共计7个触头。而在直流充电装置的充电插头上，除了供电触头外，还有保护接地触头等共计9个触头。在充电过程中，首先接通保护接地触头，最后接通控制确认触头与充电连接确认触头；在脱开的过程中，首先断开充电连接确认触头和控制确认触头，最后断开保护接地触头。尤其是对于租赁或其他专用的电动汽车，在无人值守的还车网点，需要用户停车后自己动手操作。

根据以上使用环境，目前的充电桩主要存在1、由于错误操作或设备破损带来的安全隐患问题；2、操作较为繁琐，使用便捷性不够；3、充电桩系统复杂，作为公用设施维护难度大且成本高。因此，如何实现安全、自动化、智能化的充电桩是一个重要的问题。

现在存在的自动充电专利公开方案，在充电系统的便捷性、准确性、安全性、灵活性和自动化程度上都存在一定的不足，且控制方法不够迅速、精确。

中国专利公开号CN105539190A公开了一种三自由度电动汽车自动充电装置及其控制方法，该发明主要涉及到自动充电装置的机械部分。由于该方案的系统1、只设计了充受电端的对接控制，且对接方案工作范围太小，没有车辆泊入检测、车身姿态检测等保证精确对接的手段和费用支付手段，便捷性很低；2、使用霍尔传感器进行对接，很容易受周围磁场干扰且工作可信范围很小；没有车身检测，很难保证准确的对接角度，准确性较低；3、对接角度、精度没有保障；没有充电状态监测，发生异常无法处理，安全性很低；4、充电插头活动范围仅限车身一侧且行程小，难以适应各种车型，灵活性低；5、只涉及了机械装置如何带动充电端完成对接，对车辆泊入、车身姿态检测、充电状态监控、异常处理以及相关费用计算缴纳都未涉及，自动化程度较低。该方案的控制方法仅为基于霍尔传感器的机械部分的驱动和对接方法，没有泊车信号检测方法和车身姿态检测方法，方法准确性较低，且充受电端对接方法过于简单，方法控制效率较低。

中国专利公开号CN106114268A公开了一种电动汽车自动充电连接装置，将充电接口改造至车辆顶端,使用红外线传感器进行对接。由于该方案的系统1、需要用户自己加装位于车顶的充受电端对接模块，并手动进行该模块与车辆的对接，便捷性较低；2、使用红外对接，工作范围较小，对接角度的精确度难以保证，准确度一般；3、对接角度没有保障；没有充电状态监测和异常情况处理，安全性很低；4、固定于车身上侧，不同高度的车辆难以通用；对接过程仍需手动，需要加装受电装置，灵活性低；5、只涉及了机械装置如何带动充电端完成对接，且受电端与汽车充电接口还需要手动对接，自动化程度很低。该方案的控制方法包含基于红外线传感器的机械部分的驱动方法和对接方法，没有车身姿态检测方法，方法准确性较低，且充受电端对接方法过于简单，方法控制效率较低。

中国专利公开号CN105515111A公开了一种电动汽车自动充电系统，其所述方案通过托盘将电动汽车与充电桩连接完成充电，用户将车辆停入托盘并将充电接口与托盘上的充电插头相连，系统会移动托盘与充电桩进行对接。由于该方案的系统1、需要用户手动进行充受电端的对接，且没有费用支付手段，用户泊入和驶出都要等待托盘调度，便捷性很低；2、需要用户手动进行对接，若用户不熟悉对接方式可能产生连接错误，准确度一般；3、带电端需要手动连接，很可能造成误操作发生危险，安全性较低；4、车辆上了托盘便无法自行控制移动，只能等待调度；驶入和离开都要等待调度，灵活性很低；5、车体与托盘的充电连接需要人工完成，车辆泊入信号也需要人工发送，充电完成后的缴费过程也未涉及，自动化程度很低。该方案的控制方法主要涉及待充电车辆与充电桩的调度问题，且泊入信号和对接采用手动方式，并未解决手动操作的不便和安全问题。

中国专利公开号CN105244971A公开了一种电动汽车自动充电系统，该发明对车载的充电接口进行了改造，车载受电端改为置于汽车底盘上的受电线圈，并且在受电端增加了用于实现对接的红外线传感器。由于该方案的系统1、要使用需要用户自己加装位于车底的对接模块，且充电装置位于车底易损坏，便捷性较低；2、使用红外对接，工作范围较小，对接角度的精确度难以保证，准确度一般；3、充电端在地面，容易进水漏电或破损漏电；没有充电状态监测，发生异常无法处理，安全性很低；4、固定于车身下侧，需要对充电接口位置进行改造；受车辆停靠位置影响很大，灵活性低；5、增加了车辆泊入信号的发送，使用加装的车载单元将信号发送给充电装置，但充电状态监控、异常处理以及相关费用计算缴纳仍都未涉及，自动化程度低。该方案的控制方法主要包含基于红外线传感器的机械部分的驱动方法和对接方法，没有车身姿态检测方法，方法准确性较低，且充受电端对接方法过于简单，方法控制效率较低。

中国专利公开号CN104795868A公开了一种电动汽车自动充电系统，通过CCD传感器独立移动式的充电插头自动插拔装置实现将电动汽车充电插头插入或拔出充电插座中，在一定程度上解决了手动充电所存在的隐患，但由于该方案的系统1、没有相关费用计算和缴纳系统且车辆姿态检测与对接精度不高，给实际使用带来麻烦，便捷性一般；2、车辆姿态检测误差分析不足，导致对接角度不够准确；对接算法粗糙，识别率较低导致对接准确度低；3、由于姿态检测和对接算法的不足，对接精确度低，可能造成未正确接入的危险，安全性一般；4、机械部分活动范围仅限车身一侧且行程较小，难以适应各种车型，灵活性低；5、有比较自动化的车辆泊入信号检测、车身姿态检测和充电状态监测，但缺少安全快捷的相关费用计算和缴纳系统，自动化程度一般。该方案的控制方法主要包括基于CCD传感器的充电插头自动插拔控制方法，该方案中虽然有泊车检测方法和车身姿态检测方法，但其方法没有阈值设置和误差消除，方法准确性较低，易产生误判，且充受电端对接方法过于简单，方法控制效率和对接准确度都较低。

中国专利公开号CN104578195A公开了一种新能源电动汽车自动充电系统，通过激光线引导司机停入固定位置进行充电。由于该方案的系统1、需要用户根据指引移动车辆才能完成对接，且缺乏精确对接保障，便捷性非常低；2、需要用户控制车辆移动才能完成对接，且缺乏精确对接保障，精确度很低；3、需要用户根据指引移动车辆才能完成对接，如果车辆控制不好很容易接错产生短路；缺乏精确对接保障和充电异常处理，安全性很低；4、充电插头固定在地面上，需要用户自己移动车身完成对准，且需要加装专用的接口，灵活性很低；5、需要司机控制车身移动才能完成对接和断开充电，且缺少充电状态监控、异常处理以及相关费用计算缴纳系统，自动化程度很低。该方案的控制方法主要为机械部分的驱动方法，没有车身姿态检测方法，且充受电端对接方法依赖人进行操作，方法的准确度和安全性都较低。

中国专利公开号CN105667327A公开了基于自动机械臂的电动汽车自动充电系统，使用位于车底的机械臂与地面的充电接口对接完成自动充电。但由于该方案的系统1、需要在车身底部加装机械臂和用于相关环节控制的车载模块，便捷性较低；2、使用机械臂进行对接，机械臂的控制方案粗糙，受车辆停靠位置影响很大，没有精确对接保障，精确度较低；3、同样缺乏精确对接保障，且由于充电端在地面，也会容易浸水漏电，安全性非常低；4、充电插头固定于车身下侧，需要加装专用机械臂，且受车辆停靠位置影响很大,灵活性低；5、泊入信号由车载控制器与后台通信，且有充电状态监测，但缺少费用计算和支付方式，自动化程度一般。该方案的控制方法主要为机械臂的控制和驱动方法，没有车身姿态检测方法，方法准确性较低，且充受电端对接方法缺乏传感器引导，方法准确度较低。

中国专利公开号CN102570549B公开了一种基于物联网及栏杆式供电桩的电动汽车自动充电系统，该专利方案为通过车载WIFI/GSM模块连接互联网，向充电管理中心发送充电请求及费用相关信息，之后由充电管理中心控制充电桩进行供电。但由于该方案的系统1、需要在车顶加装受电装置和车载WIFI模块，使用“车牌号+GSM号码卡+数据库”的预付费充值卡方式提高了运行成本和用户成本，在用户更换GSM卡号时也增加了用户付费的不便性，便捷性较低；2、对接仅靠受电杆的升降，没有角度控制，也没有自动控制方案和精确度保证，精确度很低；3、缺乏精确对接控制算法和保障，且改造后的充电接口火线零线过近，对接不准确很容易短路，安全性非常低；4、可以通过控制受电杆升降适应不同高度，但需要加装体积较大的受电杆且很难准确对接，灵活性一般；5、有比较完善的费用计算和支付方式，但充受电端对接、充电状态监测及充电状态异常处理没有涉及，且该方案费用支付方式较为复杂，需要用户事先做很多手续，自动化程度一般。该方案的控制方法主要包含费用支付系统的控制方法，没有车身姿态检测方法，且充受电端对接方法过于简单，方法准确度和安全性都较低。

中国专利公开号CN103457322B公开了一种电动汽车自动充电站，使用管理服务中心对车辆进行监测，使用激光辅助完成充受电端对接。但由于该方案的系统1、需要改造充电端口形状且加装充受电端对接使用的激光接收装置和车载控制装置，与国家规范不统一，便捷性较差；2、使用激光进行对接，工作范围较小，且没有对接角度检测，精确度一般；3、缺乏精确车身姿态检测，对接角度难以保证；缺乏有效的异常状态处理和安全支付方式，安全性一般；4、活动范围仅限车身一侧且行程小，难以适应各种车型，且需要对接口进行改造；灵活性很低；5、泊入和对接过程需要手动发送信号，自动化程度中上。该方案的控制方法主要包含车辆泊入检测方法、和基于激光的机械部分的驱动方法和对接方法，没有车身姿态检测方法，方法准确性较低，且充受电端对接方法过于简单，方法控制效率较低。

综上所述，目前涉及自动充电系统的公开专利及其技术方案所存在的主要不足包括：1、便捷性不足，一个完整的自动充电系统应该是包括从监测用户泊车入位起、充电插头对接、充电状态监控、充电完成装置复位一直到用户付费出库，每一个步骤都智能化的系统，大部分专利都只涉及到充电过程，对充电前后的系统运作则没有详细说明；2、对接准确性不足，目前存在的专利公布方案都存在使用传感器工作范围不够、精度低、算法粗糙、对接角度、对接准确度不够；3、安全性不足，大部分专利方案由于缺少对接精确度保障、缺少充电状态检测及异常处理、缺少便捷安全的支付手段，造成系统使用安全性降低；4、灵活性不足，大部分专利所设计的机械结构行程都比较小，且只能置于车辆的一侧，车型不同、车身较高或较远时可能超出行程；5、不够自动化、系统化，软硬件层次不分明，或只有软/硬件中的一部分，大部分专利方案都只涉及到下层机械结构的构成和基本运动方式，而对上层数据传递、处理及系统运行原理和控制逻辑涉及很少；6、不易于被用户接受，大部分专利涉及到的对接装置需要对电动汽车进行改造，不仅改变了受电端的位置，而且由于对接方案的要求需要在车身上增加专用的信号发生器才能实现，不仅增加了用户的成本还有可能影响车身的美观，不易被用户接受。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车自动充电系统及其控制方法，从车辆泊车入位开始监测，到车辆充电完成后断开充电连接复位装置并生成用户账单，包括充电插头对接和充电过程实时监控，软件系统部分全程监控充电过程涉及到的各项数据，控制硬件机械部分运行完成下一步动作，硬件部分完成指令后将新的信号量传回软件部分参与新指令运算，软硬结合，提高整个充电系统的系统性和智能性；使用基于机器视觉和机器学习算法的充电接口对接方案，不对车体进行改造，不在车体上增加任何用于对接的信号发生器，保证对接的可行性和准确度，使方案更易被用户接受；使用三维度长行程的丝杆导轨机构，增加充电接头的可活动范围，适应多种车型；为自动充电系统配备支付扫码器，通过手机端支付工具的支付条形码扫码功能即可完成相关费用的支付，使支付更智能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电动汽车自动充电系统，包括为电动汽车提供供电电压的充电桩、自动充电控制装置、充电目标识别与插拔装置、自动充电机械装置和支付装置；所述充电桩与所述充电目标识别与插拔装置相连用于提供充电电源；所述自动充电控制装置与所述充电桩相连用于对充电状态进行实时监测及对充电进行启停控制；所述自动充电控制装置与所述充电目标识别与插拔装置相连用于监听泊车信号、检测车身姿态、调整充电目标识别与插拔装置位置及识别汽车充电接口；所述自动充电控制装置与所述自动充电机械装置相连用于对自动充电机械装置进行驱动，所述自动充电机械装置与所述充电目标识别与插拔装置相连用于根据所述驱动带动所述充电目标识别与插拔装置移动至汽车充电接口处进行充电；所述自动充电控制装置与所述支付装置相连用于充电完成后启动支付装置等待车主支付。

所述充电目标识别与插拔装置包括超声波传感器组、激光测距传感器组、视频图像传感器、充电插头、电磁铁、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一伺服电机、底座和第二伺服电机；所述视频图像传感器、超声波传感器组、激光测距传感器组、第一伺服电机放置在所述底座上方；所述第一齿轮传动机构和第二齿轮传动机构固定在所述第一伺服电机的同一侧面且上下设置，所述第一伺服电机用于驱动所述第一齿轮传动机构和所述第二齿轮传动机构动作；所述充电插头固定在所述第一齿轮传动机构前方用于插入汽车的充电接口；所述电磁铁固定在所述第二齿轮传动机构前方用于打开所述充电接口的保护盖；所述第二伺服电机放置在所述底座下方用于驱动所述底座进行角度调整；所述自动充电控制装置与所述第一伺服电机相连用于控制所述第一伺服电机驱动所述第一齿轮传动机构控制所述充电插头伸出与收回，还用于驱动所述第二齿轮传动机构控制所述电磁铁伸出与收回；所述自动充电控制装置与所述第二伺服电机与相连用于根据所述激光测距传感器传回的汽车泊车姿势，控制第二伺服电机转动以驱动所述底座旋转；所述超声波传感器组包括两个超声波传感器；所述激光测距传感器组包括两组，每组包括两个激光测距传感器，所述自动充电控制装置与所述超声波传感器组、激光测距传感器组和视频图像传感器分别相连；所述充电桩与所述充电插头相连用于提供充电电源。

所述视频图像传感器设置有照明LED保证图像采集过程中受到环境光影响最小。

所述自动充电机械装置包括横向丝杆双导轨机构、纵向丝杆导轨机构和水平丝杆机构；所述横向丝杆双导轨机构包括横向丝杆双导轨底座和第三伺服电机；所述纵向丝杆导轨机构包括纵向丝杆导轨和第四伺服电机；所述水平丝杆机构包括水平丝杆和第五伺服电机；所述纵向丝杆导轨和第四伺服电机固定在所述横向丝杆双导轨底座的滑块上，所述第三伺服电机用于驱动所述纵向丝杆导轨机构的水平横向移动；所述水平丝杆和第五伺服电机固定在所述纵向丝杆导轨的滑块上，所述第四伺服用于驱动所述水平丝杆机构垂直纵向移动；所述充电目标识别与插拔装置固定在所述水平丝杆的滑块上，所述第五伺服电机用于驱动所述充电目标识别与插拔装置水平纵向移动；所述自动充电控制装置与所述第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机分别相连。

所述充电桩包括桩体，以及桩体内的电气模块、计量模块、桩体状态检测模块；所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座；所述电气模块与计量模块相连用于监测充电状态和充电时长；所述桩体状态检测模块与电气模块、计量模块分别相连用于检测电气模块和计量模块的工作状态；所述充电桩还包括用于在断电情况下仍然能够执行充电任务的UPS电源系统。所述电气模块与交流电网相连接，根据需要提供直流或交流工作电压，其中交流充电的工作电压根据需要可选择使用380V或220V的交流电，额定电流为32A，频率50Hz，直流充电的工作电压为380V，符合国内充电桩的相关规范要求。

所述自动充电控制装置包括中央处理单元、单片机模块、伺服电机驱动模块，所述中央处理单元与单片机模块相连；所述单片机模块与伺服电机驱动模块相连；所述伺服电机驱动模块与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机分别相连；所述中央处理单元包括汽车泊入检测模块、车身姿态检测检测模块、充电插头自动化对接模块、充电状态及时间检测模块、智能付费模块和桩体工作状态监测模块；

所述汽车泊入检测模块，用于实时监听所述超声波传感器组传回的泊车信号，当超声波传感器组中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块发送泊车信号；

所述车身姿态检测检测模块，用于接收所述汽车泊入检测模块发送的泊车信号，控制所述激光测距传感器组开启，实时监听所述激光测距传感器组传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给所述单片机模块以驱动所述充电目标识别与插拔装置进行角度调整；然后向所述充电插头自动化对接模块发送对接信号；

所述充电插头自动化对接模块，用于接收所述车身姿态检测检测模块发送的对接信号，控制所述视频图像传感器开启，实时接收所述视频图像传感器传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置；计算出充电插头当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作完成充电插头与汽车充电接口的对接；

所述充电状态及时间检测模块，用于充电开始后进行充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块；

所述智能付费模块，用于根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置开启，等待车主支付；

所述桩体工作状态监测模块，用于实时检测所述充电桩中各模块的工作状态，当某个模块工作状态异常进行维修警告并告知异常位置，通知相关人员及时进行该模块维修。

所述支付装置包括与所述智能付费模块相连接的激光扫描仪。

一种电动汽车自动充电控制方法，包括：

汽车泊入时，汽车泊入检测模块实时监听超声波传感器组传回的泊车信号，当超声波传感器组中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块发送泊车信号；

车身姿态检测检测模块接收汽车泊入检测模块发送的泊车信号，控制激光测距传感器组开启，实时监听激光测距传感器组传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给单片机模块，单片机模块控制伺服电机驱动模块控制第二伺服电机驱动充电目标识别与插拔装置进行角度调整，使视频图像传感器和充电插头面向汽车侧面的参考面与汽车侧面保持平行；然后向所述充电插头自动化对接模块发送对接信号；

充电插头自动化对接模块接收车身姿态检测检测模块发送的对接信号，控制视频图像传感器开启，实时接收视频图像传感器传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置，计算出充电插头当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作完成充电插头与汽车充电接口的对接；

充电开始后，充电状态及时间检测模块启动充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块；

智能付费模块根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置开启，等待车主支付。

所述通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作，包括：

伺服电机驱动模块驱动第三伺服电机控制纵向丝杆导轨机构在横向丝杆双导轨底座上移动以调节车身远近方向上的偏差；伺服电机驱动模块驱动第四伺服电机控制水平丝杆机构在纵向丝杆导轨上移动以调节车身高度方向上的偏差；伺服电机驱动模块驱动第五伺服电机控制充电目标识别与插拔装置在水平丝杆上移动以调节在车身长度方向上的偏差；偏差小于第三设定阈值时，第一伺服电机驱动电磁铁伸出，接触充电接口的保护盖后上电加磁，吸住保护盖，之后由第一伺服电机驱动第二齿轮传动机构杆收回，完成充电接口保护盖的打开，再由第一伺服电机驱动充电插头伸出，完成与充电接口的对接，启动充电；

还包括：充电完成后，第一伺服电机驱动第一齿轮传动机构杆收回，将充电插头从充电接口中拔出；再由第一伺服电机驱动电磁铁伸出，将充电接口的保护盖插入后断电去磁，之后由第一伺服电机驱动第二齿轮传动机构杆收回。

所述根据距离信号计算出车身姿态为根据距离信号计算出电目标识别与插拔装置的旋转角，包括：

接收两组激光测距传感器组传回的距离信号，在收到的四个距离信号中将每一个信号与其他三个做对比，通过设定误差阈值对误差数据进行排除，排除与其他数据差值大于设定误差阈值的错误数据，若没有误差数据则选用每组距离数据的均值作为该组距离，根据两组激光测距传感器组测量得到的距离差ΔD与激光测距传感器组中两个传感器间中心的距离L可以得到旋转角β：

当没有错误数据时：

其中，D₁和D₂表示一激光测距传感器组的两激光测距传感器传回的距离信号；D₃和D₄表示另一激光测距传感器组的两激光测距传感器传回的距离信号。

所述充电接口位置识别的方法包括：

对接收到的图像帧中的每个点进行灰度化换算，得到灰度化的车身侧面图像；

使用双边滤波法对灰度化的车身侧面图像进行滤波；

对滤波后的车身侧面图进行直方图均衡化；

采用Canny边缘检测算法对均衡后的车身侧面图像进行特征提取，提取出车身侧面轮廓图；

利用Hough变换与最小二乘法结合对车身侧面轮廓图进行矩形或圆检测，将获得的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

1、采用软硬件相结合，车辆泊入检测、车辆姿态、车身侧面信息、充电接口连接状态、充电状态和充电时长以及用户支付信息等多方面信息实时交付中央处理单元进行数据处理；中央处理单元在对传入信息进行实时处理之后对机械装置进行反馈驱动，驱动机械装置或传感器进入下一步操作运行，完成硬件传信息给软件、软件处理信息后传信号驱动硬件的循环过程，从而实现整个系统的智能化运行；

2、使用了多种传感器协调工作，没有车辆泊入时只需要启动超声波传感器组监测车辆泊入信号，车辆泊入后，才开启激光测距传感器组检测车辆姿态，调整视频传感器角度，调整完成后开启视频图像传感器检测充电器接口信息，从而完成对接，最大程度的节省待机电能消耗；

3、采用三维度长行程的丝杆导轨机构，多个伺服电机协同驱动，完成多维度、全方位的充电对接；底部的丝杆双导轨底座贯穿整个车身，且充电目标识别与插拔装置可以180度旋转，当充电插口在车身左侧时，这个平台可以移动至左侧进行充电，当充电插口在车身右侧时，这个平台可以移动至右侧进行充电，具有更高的灵活性；

4、采用更为便捷的手机端支付工具扫码支付手段，由中央处理单元根据充电时间智能生成账单，用户只需打开手机支付工具的条形码在扫码器前扫一扫即可完成支付，快捷安全；

5、本发明的充电桩体带有备用电源系统，能够保证在市电中断的时候继续充电工作，且桩体内的状态检测模块实时检测桩体内各模块的工作状态，当某个模块工作状态异常及时进行维修警告并告知异常位置，大大降低了维修难度。

6、使用双超声波传感器进行自动化车辆泊入检测，有效减少由抖动或杂物遮挡引起的误判，使得检测准确性程度更高。

7、使用由两个激光测距传感器组成的传感器组进行全方位的自动化车身姿态检测，计算车身倾角时增加误差数据过滤，使车身姿态计算更加准确，对接角度和精确度更高。

8、使用识别率更高、更精确的充电接口定位方案和图像处理过程，使用灰度化、滤波去噪及特征增强有效去除多余数据保留识别特征，通过基于Hough变换的检测方法识别充电接口轮廓，结合Hough与最小二乘法，提高处理效率和系统的实时响应性。

9、使用基于PID控制的伺服电机驱动对接方法，根据目标位置与当前位置的差值作为算法输入计算驱动输出，能够实现在目标中心与当前中心差值大时，电机快速转动驱动平台迅速移动、在目标中心与当前中心差值小时，电机慢速转动驱动平台准确移动，完成迅速而精确的对接，对接方法迅速、精确。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种电动汽车自动充电系统及其控制方法不局限于实施例。

附图说明

图1为电动汽车自动充电系统的整体框架图；

图2为充电接口定位图像处理过程各阶段示意图；其中图2a是灰度化结果，图2b是去噪滤波结果，图2c是特征增强结果，图2d是轮廓提取结果，图2e是hough矩形检测去除不符合先验知识部分后的结果；

图3为电动汽车自动充电系统的整体结构图；

图4为充电目标识别与插拔装置的结构图；

图5为电动汽车自动充电系统的前视图；

图6为电动汽车自动充电系统的左视图；

图7是充电系统使用示意图一；

图8是充电系统使用示意图二。

具体实施方式

如图1及图3至8所示，一种电动汽车自动充电系统，包括为电动汽车6提供供电电压的充电桩1、自动充电控制装置4、充电目标识别与插拔装置2、自动充电机械装置3和支付装置5；所述充电桩1与所述充电目标识别与插拔装置2相连用于提供充电电源；所述自动充电控制装置4与所述充电桩1相连用于对充电状态进行实时监测及对充电进行启停控制；所述自动充电控制装置4与所述充电目标识别与插拔装置2相连用于监听泊车信号、检测车身姿态、调整充电目标识别与插拔装置2位置及识别汽车充电接口；所述自动充电控制装置4与所述自动充电机械装置3相连用于对自动充电机械装置3进行驱动，所述自动充电机械装置3与所述充电目标识别与插拔装置2相连用于根据所述驱动带动所述充电目标识别与插拔装置2移动至汽车充电接口处进行充电；所述自动充电控制装置4与所述支付装置5相连用于充电完成后启动支付装置5等待车主支付。

所述充电目标识别与插拔装置2包括超声波传感器组20、激光测距传感器组21、视频图像传感器22、充电插头23、电磁铁24、第一齿轮传动机构25、第二齿轮传动机构26、第一伺服电机27、底座28和第二伺服电机29；所述视频图像传感器22、超声波传感器组20、激光测距传感器组21、第一伺服电机27放置在所述底座28上方；所述第一齿轮传动机构25和第二齿轮传动机构26固定在所述第一伺服电机27的同一侧面且上下设置，所述第一伺服电机27用于驱动所述第一齿轮传动机构25和所述第二齿轮传动机构26动作；所述充电插头23固定在所述第一齿轮传动机构25前方用于插入汽车的充电接口；所述电磁铁24固定在所述第二齿轮传动机构26前方用于打开所述充电接口的保护盖；所述第二伺服电机29放置在所述底座28下方用于驱动所述底座28进行角度调整；所述自动充电控制装置4与所述第一伺服电机27相连用于控制所述第一伺服电机27驱动所述第一齿轮传动机构25控制所述充电插头23伸出与收回，还用于驱动所述第二齿轮传动机构26控制所述电磁铁24伸出与收回；所述自动充电控制装置4与所述第二伺服电机29与相连用于根据所述激光测距传感器传回的汽车泊车姿势，控制第二伺服电机29转动以驱动所述底座28旋转；所述超声波传感器组20包括两个超声波传感器；所述激光测距传感器组21包括两组，每组包括两个激光测距传感器，所述自动充电控制装置4与所述超声波传感器组20、激光测距传感器组21和视频图像传感器22分别相连；所述充电桩1与所述充电插头23相连用于提供充电电源。

所述视频图像传感器22设置有照明LED保证图像采集过程中受到环境光影响最小。

所述自动充电机械装置3包括横向丝杆双导轨机构、纵向丝杆导轨机构和水平丝杆机构；所述横向丝杆双导轨机构包括横向丝杆双导轨底座31和第三伺服电机32；所述纵向丝杆导轨机构包括纵向丝杆导轨33和第四伺服电机34；所述水平丝杆机构包括水平丝杆35和第五伺服电机36；所述纵向丝杆导轨33和第四伺服电机34固定在所述横向丝杆双导轨底座31的滑块上，所述第三伺服电机32用于驱动所述纵向丝杆导轨机构的水平横向移动；所述水平丝杆35和第五伺服电机36固定在所述纵向丝杆导轨33的滑块上，所述第四伺服用于驱动所述水平丝杆机构垂直纵向移动；所述充电目标识别与插拔装置2固定在所述水平丝杆35的滑块上，所述第五伺服电机36用于驱动所述充电目标识别与插拔装置2水平纵向移动，最终实现图像传感器和充电插头23的三维全方位运动，完成充电插头23和充电接口的精确对接。所述自动充电控制装置4与所述第三伺服电机32、第四伺服电机34和第五伺服电机36分别相连用于控制第三伺服电机32、第四伺服电机34和第五伺服电机36执行指定的动作。

所述充电桩1包括桩体，以及桩体内的电气模块、计量模块、电源转接端子排、安全防护装置和桩体状态检测模块；所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座；所述电气模块与电源转接端子排和安全防护装置相连；所述电气模块与计量模块相连用于监测充电状态和充电时长；所述桩体状态检测模块与电气模块、计量模块分别相连用于检测电气模块和计量模块的工作状态；所述充电桩1还包括用于在断电情况下仍然能够执行充电任务的UPS电源系统。所述电气模块与交流电网相连接，根据需要提供直流或交流工作电压，其中交流充电的工作电压根据需要可选择使用380V或220V的交流电，额定电流为32A，频率50Hz，直流充电的工作电压为380V，符合国内充电桩1的相关规范要求。本实施例中，电气模块与交流电网相连接，充电桩1的设计符合国家相关标准规定，可提供220V和380V的交流电进行慢速充电，也可提供380V的直流电进行快速充电。根据充电桩1的充电方式，充电插头23分别采用符合国家标准的七个触头的交流充电插头23或九个触头的直流充电插头23。充电桩1的信号线与电力线和充电目标识别与插拔装置2上的充电插头23相连接，使充电桩1通过充电插头23与电动汽车6的充电接口相连通，执行充电作业。

所述自动充电控制装置4包括中央处理单元41、单片机模块42、伺服电机驱动模块43，所述中央处理单元41与单片机模块42相连；所述单片机模块42与伺服电机驱动模块43相连；所述伺服电机驱动模块43与所述第一伺服电机27、第二伺服电机29、第三伺服电机32、第四伺服电机34和第五伺服电机36分别相连；所述中央处理单元41包括汽车泊入检测模块411、车身姿态检测检测模块412、充电插头23自动化对接模块413、充电状态及时间检测模块414、智能付费模块415和桩体工作状态监测模块416；

所述汽车泊入检测模块411，用于实时监听所述超声波传感器组20传回的泊车信号，当超声波传感器组20中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块412发送泊车信号；

所述车身姿态检测检测模块412，用于接收所述汽车泊入检测模块411发送的泊车信号，控制所述激光测距传感器组21开启，实时监听所述激光测距传感器组21传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给所述单片机模块42以驱动所述充电目标识别与插拔装置2进行角度调整；然后向所述充电插头23自动化对接模块413发送对接信号；

所述充电插头23自动化对接模块413，用于接收所述车身姿态检测检测模块412发送的对接信号，控制所述视频图像传感器22开启，实时接收所述视频图像传感器22传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置；计算出充电插头23当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块42控制伺服电机驱动模块43动作完成充电插头23与汽车充电接口的对接；

所述充电状态及时间检测模块414，用于充电开始后进行充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头23并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块415；

所述智能付费模块415，用于根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置5开启，等待车主支付；

所述桩体工作状态监测模块416，用于实时检测所述充电桩1中各模块的工作状态，当某个模块工作状态异常进行维修警告并告知异常位置，通知相关人员及时进行该模块维修。所述支付装置5包括与所述智能付费模块415相连接的激光扫描仪。

一种电动汽车自动充电控制方法，包括：

汽车泊入时，汽车泊入检测模块411实时监听超声波传感器组20传回的泊车信号，当超声波传感器组20中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块412发送泊车信号；

车身姿态检测检测模块412接收汽车泊入检测模块411发送的泊车信号，控制激光测距传感器组21开启，实时监听激光测距传感器组21传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给单片机模块42，单片机模块42控制伺服电机驱动模块43控制第二伺服电机29驱动充电目标识别与插拔装置2进行角度调整，使视频图像传感器22和充电插头23面向汽车侧面的参考面与汽车侧面保持平行；然后向所述充电插头23自动化对接模块413发送对接信号；

充电插头23自动化对接模块413接收车身姿态检测检测模块412发送的对接信号，控制视频图像传感器22开启，实时接收视频图像传感器22传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置，计算出充电插头23当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块42控制伺服电机驱动模块43动作完成充电插头23与汽车充电接口的对接；

充电开始后，充电状态及时间检测模块414启动充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头23并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块415；

智能付费模块415根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置5开启，等待车主支付。

所述通过单片机模块42控制伺服电机驱动模块43动作，包括：

伺服电机驱动模块43驱动第三伺服电机32控制纵向丝杆导轨机构在横向丝杆双导轨底座31上移动以调节车身远近方向上的偏差；伺服电机驱动模块43驱动第四伺服电机34控制水平丝杆机构在纵向丝杆导轨33上移动以调节车身高度方向上的偏差；伺服电机驱动模块43驱动第五伺服电机36控制充电目标识别与插拔装置2在水平丝杆35上移动以调节在车身长度方向上的偏差；偏差小于第三设定阈值时，第一伺服电机27驱动电磁铁24伸出，接触充电接口的保护盖后上电加磁，吸住保护盖，之后由第一伺服电机27驱动第二齿轮传动机构26杆收回，完成充电接口保护盖的打开，再由第一伺服电机27驱动充电插头23伸出，完成与充电接口的对接，启动充电；

充电完成后，第一伺服电机27驱动第一齿轮传动机构25杆收回，将充电插头23从充电接口中拔出；再由第一伺服电机27驱动电磁铁24伸出，将充电接口的保护盖插入后断电去磁，之后由第一伺服电机27驱动第二齿轮传动机构26杆收回。

进一步的，在充电过程中，自动充电控制装置4对充电状态进行实时监测，一旦发现充电电压或电流等异常，则立即切断与充电桩1的连接，紧急关闭充电。而在正常充电结束后，则首先断开与充电桩1的连接，然后控制充电插头23收缩使充电插头23脱离充电插座，并控制横向丝杆双导轨机构、纵向丝杆导轨机构和水平丝杆机构以及底座28的移动，使充电插头23自动插拔装置回归初始位置并处于待机状态，为下一次充电作业做好准备，同时由充电状态及时间检测模块414根据充电时间生成账单，并启动扫码器等待用户扫码支付。

所述根据距离信号计算出车身姿态为根据距离信号计算出电目标识别与插拔装置的旋转角，包括：

接收两组激光测距传感器组21传回的距离信号，在收到的四个距离信号中将每一个信号与其他三个做对比，通过设定误差阈值对误差数据进行排除，排除与其他数据差值大于设定误差阈值的错误数据，若没有误差数据则选用每组距离数据的均值作为该组距离，根据两组激光测距传感器组21测量得到的距离差ΔD与激光测距传感器组21中两个传感器间中心的距离L可以得到旋转角β：

当没有错误数据时：

其中，D₁和D₂表示一激光测距传感器组21的两激光测距传感器传回的距离信号；D₃和D₄表示另一激光测距传感器组21的两激光测距传感器传回的距离信号。

充电接口位置识别过程如图2所示，方法包括：

(1)对接收到的图像帧中的每个点进行灰度化换算，得到灰度化的车身侧面图像。

由于视频图像传感器22传回的图像为彩色图像，彩色图像中的每个像素的颜色有R、G、B三个分量决定，而每个分量有255中值可取，这样一个像素点可以有1600多万(255*255*255)的颜色的变化范围。而灰度图像是R、G、B三个分量相同的一种特殊的彩色图像，其一个像素点的变化范围为255种，本系统中我们进行目标查找主要依靠梯度特征而非颜色特征，因此需要对图像进行灰度化处理，减少无用信息，提高工作效率。

一般的图像灰度化使用R、G、B三个分量的平均值，而在本实施例中，我们采用将RGB颜色空间的图片映射至YUV颜色空间，取其表示亮度的Y分量作为灰度化依据，根据空间变化关系

Y＝0.3R+0.59G+0.11B

保留更多对识别有用的细节信息。

对接收到的图像帧中的每个点进行如上式的灰度化换算，得到新的图像帧即为灰度化的车身侧面图像。

(2)使用双边滤波法对灰度化的车身侧面图像进行滤波。

图片灰度化及传输的过程中，产生噪声是必不可免的，噪声干扰使得图像退化，表现为图像模糊，特征淹没，这会对图像分析定位充电接口目标产生不利影响，因此既要高效率的滤去噪声减少干扰，又要最大程度的保留图像的结构信息保证定位的准确性。

常见的滤波算法包括高斯滤波、均值滤波，他们都是线性滤波算法，基本原理都是模板内的加权平均，因此他们在平滑图像的同时，也抹去了很多有用的边界信息。而基于非线性滤波算法的双边滤波(Bilateral filter),因为其在滤波过程中，不但考虑邻域范围内点的灰度值，同样考虑这些点距离中心点的几何距离，因此在滤除噪声的同时，可以有效的保留边缘信息。

双边滤波后的点的灰度值表达公式为：

h(x)＝k^-1(x)∫∫f(ξ)c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ

其中k为归一化系数，其表达式为：

k(x)＝∫∫c(ξ-x)s(f(ξ)-f(x))dξ

x为经过步骤(1)灰度化后的车身侧面图片上需要进行滤波动作的目标点的空间坐标；

ξ为当前滤波模板内参考点的空间坐标；

f为当前点的灰度值；

h为目标点经滤波后的灰度值；

c表示中心点与其邻域内点的空间相似度；

s表示中心点与其邻域内点的灰度相似度。

在实现过程中，c和s函数均可用高斯函数实现，即其定义如下：

对传回的经过步骤(1)灰度化的车身侧面图像进行双边滤波，使用计算得到的新的灰度值h建立滤波后的车身侧面图像。去除掉可能对识别造成影响的噪点，同时又最大程度的保留了可供后续目标识别使用的边缘信息，进一步提高了识别率和识别精度。

(3)对滤波后的车身侧面图进行直方图均衡化。

在经过了步骤(1)灰度化和步骤(2)滤波去噪后，车身侧面图像很可能仍然一些问题，如光照因素或车身颜色过亮或过暗，都会导致充电保护口处的轮廓不明显，直接做轮廓提取会导致丢失或误判，因此本实施例在寻找提取轮廓特征之前，增加了一步新的重要步骤：直方图均衡化。

灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的像素的个数。确定图像像元的灰度值范围，以适当的灰度间隔为单位将其划分为若干等级，以横轴表示图像的各灰度级，以纵轴表示各个灰度出现的像素个数，做出的条形统计图即为灰度直方图。

一般来说，如果图像的直方图轮廓线越接近正态分布，则说明图像的亮度接近随机分布，适合用统计方法处理，这样的图像一般反差适中；如果直方图峰值位置偏向灰度值大的一边，图像偏亮；如果峰值位置偏向灰度值小的一边，图像偏暗；峰值变化过陡、过窄，则说明图像的灰度值过于集中，后3种情况均存在反差小、质量差的问题。直方图分析是图像分析的基本方法，通过有目的地改变直方图形态可改善图像的质量。

采集到的车身侧面原始图像由于其灰度分布集中在较窄的范围内，使充电接口周围图像的细节不够清晰，对比度较低。为了使图像的灰度范围拉开或使灰度均匀分布，从而增大反差，使充电接口图像细节清晰，以达到更好的识别，采用直方图均衡化。

直方图均衡化是通过对原图像进行某种变换，重新分配图像像素值，把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内均匀分布的形式，从而使原始图像的直方图改变成均匀分布的直方图，达到增强图像整体对比度的效果。

直方图均衡化过程中，映射变换函数I为

其中，S_k为累计分布函数，p_j表示当前灰度级r的概率密度函数，n是图像中像素的总和，n_j是灰度级为r_j的像素个数，L是图像中可能的灰度级总数。

g_k＝INT[(L-1)S_k(r_k)+0.5]/(L-1)

其中，g_k为最后的输出灰度级，INT[]为取整算符。

将输入图片即经过步骤(3)滤波过程的车身侧面灰度图像中灰度级为r_k的各像素根据上述积累分布函数映射为最后的输出灰度级g_k，修改原图像灰度级得到直方图均衡化后的车身侧面灰度图像。

通过直方图均衡化过程，进一步突出车身和充电接口保护盖的轮廓，同时也很大程度上降低了光照效果对识别带来的影响，相较以往的识别算法提高了识别率和识别准确度。

(4)采用Canny边缘检测算法对均衡后的车身侧面图像进行特征提取，提取出车身侧面轮廓图。

经过步骤(3)直方图均衡化后，即可对得到直方图均衡的车身侧面图像进行特征提取，利用特征值的对应在视频图像传感器22传回的图像中找到充电接口目标。在充电接口的搜寻定位中，我们选择提取边界轮廓作为目标特征，根据先验知识可知，充电接口的保护盖一般为矩形或圆形，具有较高的几何特征性，依靠其轮廓特征即可快速准确的找到其位置。常用的边缘检测模板包括sobel算子、Robert算子、laplacian算子、canny算子等，由于canny算子具有：一能有效地抑制噪声；二可以尽量精确确定边缘的位置；三能够尽可能多的表示出图像中的实际边缘，因此本实施例中的边缘检测使用canny算子进行。

Canny边缘检测算法包括以下步骤：

①:用高斯滤波器平滑图像；

通过高斯函数产生模板O，使用该模板对步骤(4)得到的直方图均衡的车身侧面图像中的每个像素进行加权平均(卷积过程)；

P(x,y)＝f(x,y)*O(x,y)

其中f(x,y)为步骤(4)得到图像中(x,y)位置的点的灰度值，P(x,y)为平滑后图像的(x,y)位置的点的灰度值，σ为标准方差。

得到平滑后的车身侧面图像，对其进行：

②:用一阶偏导的有限差分来计算梯度的幅值和方向；

P_x(x,y)＝[f(x+1,y)-f(x,y)+f(x+1,y+1)-f(x,y+1)]/2

P_x(x,y)＝[f(x,y+1)-f(x,y)+f(x+1,y+1)-f(x+1,y)]/2

由偏导阵列P_x和P_y得到幅值M(x,y)和方位角φ(x,y)

③:对梯度幅值进行非极大值抑制；

仅仅得到全局的梯度并不足以确定边缘，因此为确定边缘，必须保留局部梯度最大的点，而抑制非极大值。(non-maxima suppression,NMS)

N(x,y)＝NMS(M(x,y),ζ(x,y))

其中Sector为画并填充椭圆扇区算法，NMS为非极大值抑制算法。

得到非极大值抑制的车身侧面图像N。

④:用双阈值算法检测和连接边缘。

对非极大值抑制图像N作用两个阈值th1和th2，两者关系th1＝0.4th2。我们把梯度值小于th1的像素的灰度值设为0，得到图像1。然后把梯度值小于th2的像素的灰度值设为0，得到图像2。由于图像2的阈值较高，去除大部分噪音，但同时也损失了有用的边缘信息。而图像1的阈值较低，保留了较多的信息，我们可以以图像2为基础，以图像1为补充来连结图像的边缘，得到最终的车身侧面图像的轮廓图。

(5)利用Hough变换与最小二乘法结合对车身侧面轮廓图进行矩形或圆检测，将获得的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置。

在完成边缘检测之后，使用步骤(4)边缘检测得到的车身侧面轮廓图即可进行矩形/圆的检测，符合先验知识的矩形/圆轮廓即可视为充电接口的位置。本实施例中，我们是用基于Hough变换的矩形/圆检测，其优势在于：由于hough变换根据局部度量来计算全面描述参数，因而对于区域边界被噪声干扰或被其他目标遮盖而引起边界发生某些间断的情况，它具有很好的容错性和鲁棒性。

Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性，将原始图像空间的给定的曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点，反过来，图像空间共线的点对应在参数空间里相交的线。这样就把原始图像中给定曲线的检测问题转化为寻找参数空间中的峰值问题。也即把检测整体特性转化为检测局部特性。

例如在图像空间X—Y中，所有共线的点(x，y)都可以用直线方程描述为：

y＝mx+c

其中m为直线的斜率，c为截距，同时上式又可以改写为：

c＝-mx+y

上式可以看做是参数空间C—M中的一条直线方程，其中直线的斜率为x，截距为y。

比较上述两个式子，可以看出，图像空间中的一点(x，y)对应参数空间中的一条直线，而图像空间中的一条直线又是由参数空间中的一个点(c，m)来决定的。Hough变换的基本思想就是将上述两式看作时图像空间中的点和参数空间中的点的共同的约束条件，并由此定义一个从图像空间到参数空间的一对映射。

在实际应用中，y＝mx+c形式的直线方程没有办法表示x＝c形式的直线(这时候，直线的斜率为无穷大)。所以实际应用中，是采用参数方程

ρ＝x*cosθ+y*sinθ

这样，图像平面上的一个点就对应到参数ρ-θ平面上的一条曲线上。

因为同一条直线上的点对应的(ρ,θ)是相同的，如果多个点在一条直线上，那么必有这多个点在θ＝θ_i时，这多个点的ρ近似相等于ρ_i。也就是说这多个点都在直线(ρ_i，θ_i)上，当落在同一条直线上的点大于阈值T_C,则认为该直线存在，由此进行直线检测。

与使用(ρ，θ)来表示一条直线相似，使用(a,b,r)来确定一个圆心为(a,b)半径为r的圆。

某个圆过点(x₁,y₁)，则有：

(x₁-a₁)²+(y₁-b₁)²＝r₁ ²

那么过点(x₁,y₁)的所有圆可以表示为(a₁(i),b₁(i),r₁(i))，过点(x₂,y₂)的所有圆可以表示为(a₂(i),b₂(i),r₂(i))，过点(x₃,y₃)的所有圆可以表示为(a₃(i),b₃(i),r₃(i))，如果这三个点在同一个圆上，那么存在一个值(a₀,b₀,r₀)，使得a₀＝a₁(k)＝a₂(k)＝a₃(k)且b₀＝b₁(k)＝b₂(k)＝b₃(k)且r₀＝r₁(k)＝r₂(k)＝r₃(k)，即这三个点同时在圆(a₀,b₀,r₀)上，由此进行圆检测。

传统Hough变换是利用图像空间和Hough参数空间的对偶性原理,将图像中的每个特征点映射到参数空间的累加阵列的多个单元,再统计各个单元的计数以检测出极值,确定是否存在直线并获得直线参数。因此传统的Hough变换算法：1、具有很大的盲目性,需要较大的存储空间,2、计算量较大,导致算法效率低下,3、边缘区间不容易控制,实际应用困难，不适合物体检测实时性要求较高的应用场合，而本实施例用于充电接口定位，对实时性要求很高。

因此本实施例提出一种新的基于Hough变换的矩形检测方法：利用改进Hough变换与最小二乘法结合来拟合直线,最小二乘法计算原理简单,准确率高,既解决单独用Hough变换时计算效率低的问题,同时解决了最小二乘法在拟合直线时容易受噪声点干扰的缺点，之后通过寻找直线集中与先验知识形状方向和长度相符的直线进行矩形判断及伪矩形排除。

①：结合Hough变换与最小二乘法进行直线及区段拟合：对步骤(5)得到的车身侧面轮廓图点集U＝(x_i,y_i)^T,(i＝1,2,…,n,n为数据点集中的数据点数),U中的数据点分布在R条直线附近,根据实际应用条件给定误差阈值为d_k。

1)根据：

ρ_k＝x_i*cosθ_k+y_i*sinθ_k(i＝1,2,...,n；k＝1,2,...,R)

对点集U做Hough变换,得出拟合直线的参数(θ_k,ρ_k)。

2)找出拟合直线(θ_k,ρ_k)附近的点集U_k ^＊,将法线式直线方程改写成斜截式：

y_i＝a_kx_i+b_k

其中

计算U中的点到由上所确定的直线的距离:

如果d_ki<d_k，则：

得到的点集U_k ^＊为符合误差阈值要求的第k条Hough变换直线附近的点集。

3)拟合以点集U_k ^＊为拟合数据点,分别拟合各直线,可得直线方程的参数(a_k ^＊,b_k ^＊),以((x_kj)_min,y_kj)∈U_k ^＊和((x_kj)_max,y_kj)∈U_k ^＊为端点,可确定各直线段的区间,即:

y_kj＝a_k ^*x_kj+b_k ^*(x_kj)_min≤x_kj≤(x_kj)_max

②：矩形检测：考虑H₁＝(ρ₁，θ₁),H₂＝(ρ₂，θ₂)，…，H_k＝(ρ_k，θ_k)是步骤①得到的拟合直线点集U_k ^*＝(x_k,y_k)转化到法线式空间U_k ^＊(ρ，θ)上提取的m个峰值点,下一步就是在这m个点中寻找满足条件的矩形顶点。

对于满足下列条件的峰值点H_i和H_j

Δθ＝|θ_i-θ_j|<T_θ

其中T_θ是角度阈值，T_L是归一化阈值。

用V_k(α_k,β_k)表示每对满足上述不等式组的峰值点H_i和H_j，其中

最后步骤是比较所有V_k，得到满足如下条件的V_i和V_j：

Δα＝||α_i-α_j|-90°|<T_α

其中T_α是角度阈值。经过上式判定的两对峰值点及其所代表的直线段被判定为矩形。在矩形检测结果中去除掉与先验知识不符的结果，选取面积及长宽比符合先验知识的矩形，即为我们的充电接口目标。根据满足条件的V_i(α_i,β_i)和V_j(α_j,β_j)得到其对应的峰值点H_ii(ρ_ii，θ_ii)，H_ij(ρ_ij，θ_ij)，H_ji(ρ_ji，θ_ji)，H_jj(ρ_jj，θ_jj)，计算出其对应的斜截式交点，即为充电接口目标位置的四个顶点Z₁，Z₂，Z₃，Z₄。

本实施例提出的新的基于Hough变换的矩形检测重点解决了：1、传统Hough变换需要较大储存空间；2、传统Hough变换计算量大，算法效率低下；3、传统Hough变换边缘区间不易控制的问题。传统Hough变换对一帧图像进行目标定位检测的处理时间为150ms，而使用本实施例提出的新的检测方法对一帧图像的检测处理时间仅为90ms，且由于计算前过滤了干扰点，处理占用的内存空间也在一定程度上得到了减少。

本实施例中，还使用了基于PID控制的伺服电机驱动对接方法。

PID控制算法是基于反馈的闭环比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法，其控制表达式为：

其中，u(t)为控制器输出量，本实施例中为伺服电机的旋转速度；e(t)为偏差信号，本实施例中为目标中心位置与视频图像传感器22中心位置的差值；K_p为比例系数，K_i为积分比例系数，K_d为微分比例系数。

其中比例P反应系统的基本(当前)偏差，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分I反应系统的累计偏差，使系统消除稳态误差，提高无差度，因为有误差，积分调节就进行，直至无误差；微分D反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。

根据充电接口位置识别的方法得到的充电接口目标的四个顶点位置Z₁(x₁,y₁)，Z₂(x₂,y₂)，Z₃(x₃,y₃)，Z₄(x₄,y₄)，计算充电接口目标的中心位置Z₀(x_t,y_t)

充电目标对角线长度为设图像当前中点的坐标为(x₀,y₀)，对接完成时的对角线长度为l₀，则将充电目标中心与当前图像中心的横坐标差值Δx＝x_t-x₀作为驱动平台左右移动的伺服电机输入偏差信号，将充电目标中心与当前图像中心的纵坐标差值Δy＝y_t-y₀作为驱动平台上下移动的伺服电机输入偏差信号，将充电目标对角线长度与对接完成时的对角线长度差Δl＝l-l₀作为驱动平台前后移动的伺服电机输入偏差信号，通过计算各维度偏差信号的比例项K_pΔx、积分项K_i∑Δx和微分项K_d(Δx-Δx_d)，得到输出控制信号：

其中Δx_d为上一控制周期求得的差值Δx，s为控制周期数。

本实施例通过PID控制算法，将目标与充电接口的位置偏差值做为输入，输出驱动伺服电机转动的信号量对自动充电机械装置3中与三维丝杆连接的伺服电机进行驱动，带动充电平台移动至充电目标处进行对接。由于PID算法控制，能够实现在目标中心与当前中心差值大时，电机快速转动驱动平台迅速移动、在目标中心与当前中心差值小时，电机慢速转动驱动平台准确移动，完成迅速而精确的对接。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的电动汽车自动充电系统及其控制方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电动汽车自动充电系统，其特征在于：包括充电桩、自动充电控制装置、充电目标识别与插拔装置、自动充电机械装置和支付装置；所述充电桩与所述充电目标识别与插拔装置相连用于提供充电电源；所述自动充电控制装置与所述充电桩相连用于对充电状态进行实时监测及对充电进行启停控制；所述自动充电控制装置与所述充电目标识别与插拔装置相连用于监听泊车信号、检测车身姿态、调整充电目标识别与插拔装置位置及识别汽车充电接口；所述自动充电控制装置与所述自动充电机械装置相连用于对自动充电机械装置进行驱动，所述自动充电机械装置与所述充电目标识别与插拔装置相连用于根据所述驱动带动所述充电目标识别与插拔装置移动至汽车充电接口处进行充电；所述自动充电控制装置与所述支付装置相连用于充电完成后启动支付装置等待车主支付。

2.根据权利要求1所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于，所述充电目标识别与插拔装置包括超声波传感器组、激光测距传感器组、视频图像传感器、充电插头、电磁铁、第一齿轮传动机构、第二齿轮传动机构、第一伺服电机、底座和第二伺服电机；所述视频图像传感器、超声波传感器组、激光测距传感器组、第一伺服电机放置在所述底座上方；所述第一齿轮传动机构和第二齿轮传动机构固定在所述第一伺服电机的同一侧面且上下设置，所述第一伺服电机用于驱动所述第一齿轮传动机构和所述第二齿轮传动机构动作；所述充电插头固定在所述第一齿轮传动机构前方用于插入汽车的充电接口；所述电磁铁固定在所述第二齿轮传动机构前方用于打开所述充电接口的保护盖；所述第二伺服电机放置在所述底座下方用于驱动所述底座进行角度调整；所述自动充电控制装置与所述第一伺服电机相连用于控制所述第一伺服电机驱动所述第一齿轮传动机构控制所述充电插头伸出与收回，还用于驱动所述第二齿轮传动机构控制所述电磁铁伸出与收回；所述自动充电控制装置与所述第二伺服电机与相连用于根据所述激光测距传感器传回的汽车泊车姿势，控制第二伺服电机转动以驱动所述底座旋转；所述超声波传感器组包括两个超声波传感器；所述激光测距传感器组包括两组，每组包括两个激光测距传感器，所述自动充电控制装置与所述超声波传感器组、激光测距传感器组和视频图像传感器分别相连；所述充电桩与所述充电插头相连用于提供充电电源。

3.根据权利要求2所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于，所述视频图像传感器设置有照明LED。

4.根据权利要求2或3所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于，所述自动充电机械装置包括横向丝杆双导轨机构、纵向丝杆导轨机构和水平丝杆机构；所述横向丝杆双导轨机构包括横向丝杆双导轨底座和第三伺服电机；所述纵向丝杆导轨机构包括纵向丝杆导轨和第四伺服电机；所述水平丝杆机构包括水平丝杆和第五伺服电机；所述纵向丝杆导轨和第四伺服电机固定在所述横向丝杆双导轨底座的滑块上，所述第三伺服电机用于驱动所述纵向丝杆导轨机构的水平横向移动；所述水平丝杆和第五伺服电机固定在所述纵向丝杆导轨的滑块上，所述第四伺服用于驱动所述水平丝杆机构垂直纵向移动；所述充电目标识别与插拔装置固定在所述水平丝杆的滑块上，所述第五伺服电机用于驱动所述充电目标识别与插拔装置水平纵向移动；所述自动充电控制装置与所述第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机分别相连。

5.根据权利要求4所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于，所述充电桩包括桩体，以及桩体内的电气模块、计量模块、桩体状态检测模块；所述电气模块包括与交流电网连接的充电插座；所述电气模块与计量模块相连用于监测充电状态和充电时长；所述桩体状态检测模块与电气模块、计量模块分别相连用于检测电气模块和计量模块的工作状态；所述充电桩还包括用于在断电情况下仍然能够执行充电任务的UPS电源系统。

6.根据权利要求5所述的电动汽车自动充电系统，其特征在于，所述自动充电控制装置包括中央处理单元、单片机模块、伺服电机驱动模块，所述中央处理单元与单片机模块相连；所述单片机模块与伺服电机驱动模块相连；所述伺服电机驱动模块与所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机和第五伺服电机分别相连；所述中央处理单元包括汽车泊入检测模块、车身姿态检测检测模块、充电插头自动化对接模块、充电状态及时间检测模块、智能付费模块和桩体工作状态监测模块；

所述汽车泊入检测模块，用于实时监听所述超声波传感器组传回的泊车信号，当超声波传感器组中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块发送泊车信号；

所述车身姿态检测检测模块，用于接收所述汽车泊入检测模块发送的泊车信号，控制所述激光测距传感器组开启，实时监听所述激光测距传感器组传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给所述单片机模块以驱动所述充电目标识别与插拔装置进行角度调整；然后向所述充电插头自动化对接模块发送对接信号；

所述充电插头自动化对接模块，用于接收所述车身姿态检测检测模块发送的对接信号，控制所述视频图像传感器开启，实时接收所述视频图像传感器传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置；计算出充电插头当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作完成充电插头与汽车充电接口的对接；

所述充电状态及时间检测模块，用于充电开始后进行充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块；

所述智能付费模块，用于根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置开启，等待车主支付；

所述桩体工作状态监测模块，用于实时检测所述充电桩中各模块的工作状态，当某个模块工作状态异常进行维修警告并告知异常位置，通知相关人员及时进行该模块维修。

7.一种电动汽车自动充电控制方法，其特征在于，包括：

汽车泊入时，汽车泊入检测模块实时监听超声波传感器组传回的泊车信号，当超声波传感器组中的两个超声波传感器都检测到遮挡物距离在第一设定阈值距离范围内且持续时间大于第二设定阈值时间时，判断有汽车泊入，向车身姿态检测检测模块发送泊车信号；

车身姿态检测检测模块接收汽车泊入检测模块发送的泊车信号，控制激光测距传感器组开启，实时监听激光测距传感器组传回的距离信号；根据距离信号计算出车身姿态并发送车身姿态信号给单片机模块，单片机模块控制伺服电机驱动模块控制第二伺服电机驱动充电目标识别与插拔装置进行角度调整，使视频图像传感器和充电插头面向汽车侧面的参考面与汽车侧面保持平行；然后向所述充电插头自动化对接模块发送对接信号；

充电插头自动化对接模块接收车身姿态检测检测模块发送的对接信号，控制视频图像传感器开启，实时接收视频图像传感器传回的图像帧，进行图像帧的处理和检测，将检测出的与先验知识相符合的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置，计算出充电插头当前位置与汽车充电接口之间的距离偏差，通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作完成充电插头与汽车充电接口的对接；

充电开始后，充电状态及时间检测模块启动充电时间统计，并实时监测电气模块的输出电压和电流，一旦电压或电流出现异常，进入异常状态处理，控制拔出充电插头并提示异常警告；充电完成后将充电时间发送给智能付费模块；

智能付费模块根据充电时间计算费用金额并生成订单，调用具有安全保障的交易支付接口并构造HTTP请求向支付工具系统发起支付请求，同时控制所述支付装置开启，等待车主支付。

8.根据权利要求7所述的电动汽车自动充电控制方法，其特征在于，所述通过单片机模块控制伺服电机驱动模块动作，包括：

伺服电机驱动模块驱动第三伺服电机控制纵向丝杆导轨机构在横向丝杆双导轨底座上移动以调节车身远近方向上的偏差；伺服电机驱动模块驱动第四伺服电机控制水平丝杆机构在纵向丝杆导轨上移动以调节车身高度方向上的偏差；伺服电机驱动模块驱动第五伺服电机控制充电目标识别与插拔装置在水平丝杆上移动以调节在车身长度方向上的偏差；偏差小于第三设定阈值时，第一伺服电机驱动电磁铁伸出，接触充电接口的保护盖后上电加磁，吸住保护盖，之后由第一伺服电机驱动第二齿轮传动机构杆收回，完成充电接口保护盖的打开，再由第一伺服电机驱动充电插头伸出，完成与充电接口的对接，启动充电。

9.根据权利要求7所述的电动汽车自动充电控制方法，其特征在于，所述根据距离信号计算出车身姿态为根据距离信号计算出电目标识别与插拔装置的旋转角，包括：

接收两组激光测距传感器组传回的距离信号，在收到的四个距离信号中将每一个信号与其他三个做对比，通过设定误差阈值对误差数据进行排除，排除与其他数据差值大于设定误差阈值的错误数据，若没有误差数据则选用每组距离数据的均值作为该组距离，根据两组激光测距传感器组测量得到的距离差ΔD与激光测距传感器组中两个传感器间中心的距离L可以得到旋转角β：

$\mathrm{\&beta;}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\&Delta;}D}{L}\right)$

当没有错误数据时：

$\mathrm{\&Delta;}D=\frac{(D_1+D_2)-(D_3+D_4)}{4}$

其中，D₁和D₂表示一激光测距传感器组的两激光测距传感器传回的距离信号；D₃和D₄表示另一激光测距传感器组的两激光测距传感器传回的距离信号。

10.根据权利要求7所述的电动汽车自动充电控制方法，其特征在于，所述充电接口位置识别的方法包括：

对接收到的图像帧中的每个点进行灰度化换算，得到灰度化的车身侧面图像；

使用双边滤波法对灰度化的车身侧面图像进行滤波；

对滤波后的车身侧面图进行直方图均衡化；

采用Canny边缘检测算法对均衡后的车身侧面图像进行特征提取，提取出车身侧面轮廓图；

利用Hough变换与最小二乘法结合对车身侧面轮廓图进行矩形或圆检测，将获得的矩形或圆轮廓判断为充电接口位置。