CN107825423A - 充电接口识别和定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充电接口识别和定位方法及系统，其中包括预存充电接口表面的至少一个特征区域的预设特征区域信息；获取单目视觉识别模块在两个采集位置的两个采集图像；根据两个采集图像和两个采集位置之间的位置关系计算识别到的特征区域的空间位姿；根据特征区域的空间位姿确定充电接口的空间位姿；根据充电接口的空间位姿规划机械臂的活动端的移动路线。本发明可以通过单目视觉识别设备自动采集充电接口图像，并且在机械臂移动过程中采集变化的充电接口图像，根据变化的图像来确定充电接口的准确位置；相比于双摄像头，在成本节约的同时仍然可以实现充电接口三维坐标的确定，全程无需人工参与，提高了充电操作的效率，提升了用户的使用体验。

Description

充电接口识别和定位方法及系统

技术领域

本发明涉及充电技术领域，尤其涉及一种自动识别和定位充电接口的位置的充电接口识别和定位方法及系统。

背景技术

电动汽车分时租赁业务的兴起一定程度上给人民带来了便利，用户可以很方便地取用公共电动汽车，并且取用点和还车点不需要保持一致，满足了用户出行的需要，并且使用方式十分灵活。

然而，现有的电动汽车分时租赁遇到的一个问题在于充电的不方便。停车场充电桩数量有限给电动汽车的续航带来了不利的影响，也一定程度上阻碍了电动汽车分时租赁业务的发展。目前国内大型停车场设置了部分充电车位，在车位后方设置充电桩，为用户提供车辆充电服务。如申请号为CN201710176604.5的专利申请公开的充电桩，为目前市场上存在比较通用的一类充电桩，一般包括设置在停车位旁边的充电枪和配电箱。在采用这种充电桩时，用户在停车后需要手动将充电枪拔下充电桩，插入电动汽车充电接口进行充电，操作较为复杂，给用户使用电动汽车造成了一定的负担，也一定程度上削弱了电动汽车分时租赁的便利性。同时也可能因为部分用户操作不当，容易造成充电枪损伤，后续造成无法充电，带来了后续维护成本的增加。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种充电接口识别和定位方法及系统，只采用一个摄像头即可以自动识别充电接口的三维坐标，降低了充电接口识别和定位的成本，增强了定位识别的准确性，且不必用户再手动操作。

本发明实施例提供一种充电接口识别和定位方法，包括如下步骤：

预存充电接口表面的至少一个特征区域的预设特征区域信息；

获取单目视觉识别模块在两个采集位置的两个采集图像，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，且所述摄像头设置于一机械臂的活动端；

根据充电接口的预设特征区域信息分别识别所述两个采集图像中的特征区域；

根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算识别到的特征区域的空间位姿；

根据所述特征区域的空间位姿确定所述充电接口的空间位姿；

根据所述充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。

可选地，所述充电接口的空间位姿包括所述充电接口的六维空间坐标，所述充电接口的六维空间坐标包括所述充电接口的三维坐标和所述充电接口相对于x轴、y轴和z轴的角位移值。

可选地，所述特征区域包括多个特征点，所述预设特征区域信息包括预设特征点信息，所述特征区域的空间位姿包括所述特征区域的六维空间坐标，结合多个特征点的三维坐标计算得到所述特征区域的六维空间坐标；

或者所述充电接口表面具有多个特征区域，各个所述特征区域的空间位姿包括所述特征区域的三维空间坐标，结合多个所述特征区域的三维空间坐标计算得到所充电接口的六维空间坐标。

可选地，规划所述机械臂的活动端的移动路线，包括如下步骤：

控制所述机械臂的活动端执行初始化运动；

计算并比较所述机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

根据下一步运动方向控制所述机械臂的活动端移动；

当满足预设方向调整条件时，计算当前充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

可选地，所述初始化运动包括控制所述机械臂的活动端沿一预设参考方向移动预设间隔时间或移动预设间隔距离。

可选地，所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端的运动过程中，每隔预设间隔时间或预设间隔距离重新获取采集图像并识别充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

可选地，在所述机械臂的活动端和所述充电接口之间设置多个节点；

所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端的运动过程中，每到一个节点重新获取采集图像并识别充电接口的空间位姿；

比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点。

可选地，预存一安全位置的信息；所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端运动至预设安全位置时，计算当前充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的特征点的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向；

根据更新后的下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端运动使得所述机械臂的活动端插入所述充电接口。

可选地，规划所述机械臂的活动端的移动路线，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端在初始化运动之前，所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第一位置和第二位置分别获取第一采集图像和第二采集图像，根据所述第一采集图像和第二采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

所述机械臂的活动端在初始化运动之后，所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第三位置和第四位置分别获取第三采集图像和第四采集图像，根据所述第三采集图像和第四采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

比较所述机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

根据下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点；

所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第五位置和第六位置分别获取第五采集图像和第六采集图像，根据所述第五采集图像和第六采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点。

可选地，所述机械臂的活动端还设置有充电接头，所述方法还包括充电接头垂直对准所述充电接口的步骤；

所述充电接头垂直对准所述充电接口，包括如下步骤：

根据所述特征区域的六维空间坐标确定所述特征区域的表面相对于预设参考面的倾斜角度；

根据所述特征区域的倾斜角度调整所述机械臂的活动端的倾斜角度，使所述充电接头垂直对准所述充电接口。

可选地，所述机械臂为多关节机械臂，所述充电接头的延伸方向平行于或垂直于所述机械臂的活动端的关节延伸方向。

可选地，还包括如下步骤：

所述机械臂的活动端至所述充电接口表面的距离小于一预设安全距离时，执行所述充电接头垂直对准所述充电接口的步骤；或

所述机械臂的活动端运动过程中，更新下一步运动方向时，执行所述充电接头垂直对准所述充电接口的步骤。

可选地，所述机械臂的活动端还设置有一机械抓手，所述方法还包括如下步骤：

控制机械臂的活动端移动至预设放置充电枪的位置；

控制所述机械抓手抓取所述充电枪的充电接头部；

根据所述充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线，以使得所述充电枪的充电接头部插入所述充电接口中。

可选地，还包括如下步骤：

预存多个距离区段信息，各个所述距离区段信息包括各个距离区段所对应的机械臂的活动端相对于充电接口的距离范围和该距离区段所对应的机械臂移动速度，与充电接口距离越近的距离区段所对应的机械臂移动速度越小；

判断当前机械臂的活动端所处的距离区段，将该距离区段对应的机械臂移动速度作为当前机械臂的活动端的移动速度。

可选地，所述机械臂的活动端还设置有一闪光灯；

所述单目视觉识别模块的采光率低于预设采光率阈值时开启所述闪光灯，或启动所述单目视觉识别模块进行图像采集时，开启所述闪光灯。

可选地，所述充电接头的端面设置有力传感器，所述方法还包括如下步骤：

获取所述力传感器的力数据；

判断所述力数据大于预设压力阈值时或所述力传感器检测到力数据时，确定所述充电接头已插入所述充电接口中，控制所述机械臂的活动端停止移动，并控制所述单目视觉识别模块停止采集图像。

本发明实施例还提供一种充电接口识别和定位系统，用于实现所述的充电接口识别和定位方法，所述系统包括：

机械臂，所述机械臂包括一活动端；

单目视觉识别模块，设置于所述机械臂的活动端，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，所述单目视觉识别模块用于在两个采集位置的两个采集图像，并根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算所述采集图像中充电接口的空间位姿；

控制模块，用于根据所述采集图像中充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。

本发明所提供的充电接口识别和定位方法及系统具有下列优点：

本发明提供了一种自动识别和定位充电接口的位置的技术方案，在车辆停放后，可以通过单目视觉识别模块自动采集充电接口图像，由控制器根据充电接口图像识别充电接口位置，引导机械臂移动，并且在机械臂移动过程中采集变化的充电接口图像，根据变化的图像来确定充电接口的准确位置；只采用一个摄像头就可以实现获取特征区域的三维坐标，并进一步可以获取充电接口的空间位姿，相比于双摄像头的视觉定位方式，大大简化了整体系统的结构，降低了系统成本，并且增强了识别和定位的准确性，提高了充电操作的效率，提升了用户的使用体验。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本发明一实施例的充电接口识别和定位方法的流程图；

图2是本发明一实施例的单目视觉识别模块对特征点的三维重建模型的示意图；

图3是本发明一实施例的六维空间坐标的示意图；

图4是本发明一实施例的规划所述机械臂的活动端的移动路线的流程图；

图5是本发明一实施例的机械臂的活动端的移动方式的示意图；

图6是本发明一实施例的以时间为单位规划机械臂的活动端的移动路线的流程图；

图7是本发明一实施例的以距离为单位规划机械臂的活动端的移动路线的流程图。

图8是本发明一实施例的采用节点调整机械臂的活动端的移动路线的流程图；

图9是本发明一实施例的采用节点调整机械臂的活动端的移动示意图；

图10是本发明一实施例的充电接头垂直对准充电接口的流程图；

图11是本发明一实施例的根据充电接口表面的倾斜角度调整机械臂的活动端的倾斜角度的示意图；

图12是本发明一实施例的在预设安全距离N1处调整充电接头角度的示意图；

图13是本发明一实施例的在预设安全距离N2处调整充电接头角度的示意图；

图14是本发明一实施例的充电接口的特征点的示意图；

图15是本发明一实施例的摄像头的摄像范围的示意图；

图16是本发明一实施例的机械臂的活动端移动的距离区段的示意图；

图17是本发明一实施例的机械臂的活动端移动的距离区段的示意图；

图18是本发明一具体实施例中控制机械臂的活动端移动的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种充电接口识别和定位方法，用于车辆进行充电前，车辆的充电接口的自动识别和定位，方法包括如下步骤：

S100：预存充电接口表面的至少一个特征区域的预设特征区域信息；

S200：获取单目视觉识别模块在两个采集位置的两个采集图像，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，且所述摄像头设置于一机械臂的活动端；

S300：根据充电接口的预设特征区域信息分别识别所述两个采集图像中的特征区域；

S400：根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算识别到的特征区域的空间位姿；

S500：根据所述特征区域的空间位姿确定所述充电接口的空间位姿；

S600：根据所述充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。

根据摄像头的个数，计算机视觉一般可以分为单目视觉识别和双目视觉识别。单目视觉识别只能通过一个摄像头来获取外界的视觉信息，方式简单，但是只能获得目标的二维空间信息。而双目视觉识别一般采用两个同等规格的摄像头，通过两个二维图像的结合，则可以具备获取三维空间信息的能力。

然而，当采用双摄像头的结构时，需要采用两个规格型号一致的摄像头分别采集图像，然后结合两个摄像头的图像来获取拍摄对象的三维坐标。这样往往会造成成本的增加，尤其是高清摄像头往往价格不菲，另外，两个摄像头在生产制造和使用过程中很难做到和保持两个规格型号完全一致，从而很容易对拍摄对象的三维坐标的计算的准确度有一定影响。另外，两个摄像头也增加了设备故障的概率，任何一个摄像头出现故障，将导致双摄像头的视觉定位系统的功能无法实现。

因此，本发明在此基础上，只采用一个摄像头。同时，本实用新型中单目视觉识别模块是随机械臂的活动端移动的，在机械臂的活动端移动过程中，单目视觉识别模块采集到的图像也是实时变化的，可以反映出充电接口实时的最准确位置，控制器可以根据一个摄像头在两个位置获取的图像来等同双摄像头分别拍摄由两个摄像头拍摄的图像，并且可以结合起来获得充电接口的三维坐标。由于自始至终只存在一个摄像头，不会存在两次拍摄图像的摄像头规格型号不一致的情况，并且采用一个摄像头，简化了视觉定位系统的结构，也降低了视觉定位系统生产制造和后期维护的成本。

其中，充电接口的空间位姿包括充电接口的六维空间坐标，充电接口的六维空间坐标包括充电接口的三维坐标和充电接口相对于x轴、y轴和 z轴的角位移值。

具体地，各个特征区域包括多个离散的特征点，特征点的位置和数量可以根据需要选择。预设特征区域信息包括预设特征点信息，特征区域的空间位姿可以包括特征区域的六维空间坐标，结合多个特征点的三维坐标计算可以得到特征区域的六维空间坐标。即根据每个特征点的三维坐标，可以确定一个特征区域的表面在空间中的姿态，三维坐标的值，以及旋转的方向和角度，也即特征区域的空间姿态，根据所述特征区域在所述充电接口中的预设位置和所述特征区域的空间位姿确定所述充电接口的空间位姿。

或者也可以将每个特征区域看作一个整体，在充电接口表面具有多个特征区域，各个特征区域的空间位姿包括特征区域的三维空间坐标，结合多个特征区域的三维空间坐标计算得到所充电接口的六维空间坐标。

如图2所示，为该实施例的单目视觉识别模块对特征点的三维重建模型的示意图。在该实施例中，在每个特征区域中设置多个特征点，根据特征点的三维坐标可以确定特征区域的空间姿态，进一步确定充电接口的空间姿态。单目视觉识别模块中，使用单目视觉识别模块在位置O1和位置 O2分别可以获取一个采集图像，在采集图像中分别可以识别到对应的特征点P1和P2(此处仅为举例，实际应用中，特征点可以为一个或多个)，并且每个位置时摄像头分别对应具有一个以O1和O2为坐标原点的坐标系，每个采集图像可以根据对应的坐标系确定对应的特征点P1和P2的二维坐标，但无法获取特征点的三维坐标。将两个采集图像结合起来时，可以得到特征点P实际上是位于O1P1和O2P2两条直线的交点，也就可以唯一确定特征点P的三维位置。也即根据摄像头在两个位置获取的两个图像，结合两个位置之间的位置关系，即O1和O2之间的位置关系，即可以获取特征点P的三维坐标。

在实际应用中，可以在单目视觉识别模块中设定一个参考三维坐标系 (一般采用两个位置中某一个位置的坐标系，例如采用O1点所对应的三维坐标系)，然后通过结合分析一个摄像头的采集图像，可以计算得到特征点P相对于参考三维坐标系的三维坐标。

本发明通过结合单目视觉识别技术，并且将摄像头设置在机械臂的活动端，可以获取一个动态的特征点的三维坐标，并且根据特征点的三维坐标获取充电接口的空间位姿，进行充电接口的识别和定位。在完成充电接口的识别和定位后，可以将充电接头对应插入到充电接口中，从而实现了充电接头和接口对接的自动化。

充电接头具体可以连接在机械臂的活动端，随机械臂的活动端而移动，机械臂的活动端带动充电接头一起插入到充电接口中。也可以将充电接头放置在另一预设位置，在机械臂的活动端设置一个机械抓手，机械臂的活动端先取到充电接头，然后将取到的充电接头插入到充电接口中。

如图3所示，为本实施例中六维空间坐标的示意图。其中可以采用摄像头在两个位置中的第一个位置的空间坐标系，六维空间坐标包括x、y、 z轴和绕x、y、z轴三轴的旋转向量u、v、w。根据多个特征点(特征区域)的三维坐标，就可以得到充电接口平面相对于各个轴的一个倾斜角度，也就可以得到旋转向量u、v、w。

如图4所示，规划机械臂的活动端的移动路线，可以包括如下步骤：

S501：控制机械臂的活动端执行初始化运动，该初始化运动是系统预设的，即一开始获取到的参数较少，可能并不足以确定机械臂的活动端如何运动，则将其执行一个初始化运动，获取到更多的参数再规划移动路线；

S502：计算并比较机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

例如，在初始化运动后，机械臂的活动端更加靠近充电接口了，则可以继续选择初始化运动的方向，如果在初始化运动后，机械臂的活动端反而远离充电接口了，则需要选择与初始化运动背离的方向，并且可以进一步根据充电接口的空间位姿的改变进行角度的调整。

注意，此处初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，分别是通过摄像头在两个位置取到的采集图像来确定的。即在初始化运动之前，摄像头在第一位置和第二位置获取到第一图像和第二图像，根据第一图像和第二图像结合起来确定初始化运动之前充电接口的空间位姿，然后执行初始化运动，从第三位置移动到第四位置，在初始化运动之后，摄像头在第三位置和第四位置获取到第三图像和第四图像，根据第三图像和第四图像结合起来确定初始化运动之后充电接口的空间位姿。每次获取空间位姿时两个位置之间的距离可以是很近的一个距离，即第一位置和第二位置之间的距离，相比于第二位置和第三位置之间的距离很小。

S503：根据下一步运动方向控制机械臂的活动端移动；

S504：当满足预设方向调整条件时，计算当前充电接口的空间位姿；

S505：比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

同样地，在每一次计算充电接口的充电位姿时，也是在当前时刻选择两个位置，获取两个采集图像，结合起来获取充电接口的空间位姿。

如图5所示，为该实施例中机械臂的活动端的移动方式的示意图。在该实施例中，充电接头500设置于机械臂的活动端101，机械臂的活动端 101在朝向充电接口601的移动过程中，运动方向是可以根据设定条件进行调整的。例如在从位置S1移动至位置S2时，沿与水平方向成A1角的运动方向运动，在到达位置S2时，比较位置S2与位置S1处获得的采集图像中，充电接口的空间位姿，进一步调整了机械臂的活动端101的运动方向，即相对于原运动方向调整了A2角度，沿调整后的运动方向移动至位置S3，可以看出，调整后的运动方向有利于充电接头500更快更准确地向充电接口601移动靠近。在机械臂的活动端101移动过程中，摄像头200也是随之移动的。

其中，预先设定的初始化运动可以包括控制机械臂的活动端沿一预设参考方向移动预设间隔时间或移动预设间隔距离。该预设参考方向的指向可以根据需要进行设置。预设间隔时间和预设间隔距离也可以根据需要进行设置，优选设置为较小的值，即使得机械臂的活动端相对移动一小段距离，避免车辆停靠太近，在初始化运动时机械臂的活动端即碰到车辆或其他障碍物。

进一步地，所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

在机械臂的活动端运行的过程中，每隔预设间隔时间或预设间隔距离重新获取采集图像并计算采集图像中充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

如图6所示，为该实施例中以时间为单位规划机械臂的活动端的移动路线的流程图。具体，规划机械臂的活动端的移动路线包括如下步骤：

S511：控制机械臂的活动端向一预设参考方向移动预设间隔时间；

S512：比较在机械臂的活动端移动前和移动后，采集的图像中的充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一时刻运动方向；

S513：根据下一时刻运动方向控制机械臂的活动端移动；

S514：在机械臂的活动端的运动过程中，每隔预设间隔时间重新计算采集的图像中充电接口的空间位姿，根据当前充电接口的空间位姿更新下一时刻运动方向。

以时间为单位规划机械臂的活动端的移动路线，将预设间隔时间设置得很短时，也就实现了机械臂的活动端移动路线的实时调整，例如每隔 1s重新更新一次下一时刻运动方向，快速运算，再执行下一步移动。

如图7所示，为该实施例中以距离为单位规划机械臂的活动端的移动路线的流程图。具体，规划机械臂的活动端的移动路线包括如下步骤：

S521：控制机械臂的活动端向一预设参考方向移动预设间隔距离；

S522：比较在机械臂的活动端移动前和移动后，采集的图像中的充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一位置运动方向；

S523：根据下一位置运动方向控制机械臂的活动端移动；

S524：在机械臂的活动端的运动过程中，每隔预设间隔距离重新计算采集的图像中充电接口的空间位姿，根据当前特征点的三维坐标更新下一位置运动方向。

以距离为单位规划机械臂的活动端的移动路线时，即每当机械臂的活动端沿当前运动方向移动了预设间隔距离时，即重新计算特征点的三维坐标并更新运动方向，预设间隔距离值的大小可以用来调整控制精度，例如预设间隔距离值较大时，每个运动方向的更新可能间隔较长，移动路线可能无法实现最优，但是可以简化算法，预设间隔距离值较小时，每个运动方向的更新间隔较短，则可以优化移动路线，使移动路线接近于最优路线，但是算法较为复杂。同样地，预设间隔时间的长短也可以用来调整控制精度。可以根据实际需要选择采用时间为单位或以距离为单位，并根据需要选择预设间隔时间的长短或预设间隔距离的大小。

如图8所示，在机械臂的活动端的移动路线规划时，还可以采用根据节点调整的方式。具体地，初始化运动可以包括如下步骤：

S531：在机械臂的活动端和充电接口之间设置多个节点，在该实施例中，各个节点之间沿一预设参考方向的距离等于一预设间隔距离；此处预设参考方向可以根据实际需要进行设置，例如平行于地面或垂直于充电接口的表面的方向等等；进一步地，节点的设置方式还可以有很多种，例如在该实施例中，各个节点之间沿一预设参考方向的距离等于一预设间隔距离，或者是将机械臂的活动端和充电接口之间的距离平分成多份，每份关联一个节点等等；

S532：控制机械臂的活动端沿一预设参考方向移动至距离当前位置最近的节点；

初始化运动后，执行步骤S533：计算并比较机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向和步骤S534：根据下一步运动方向控制机械臂的活动端移动；

所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

S535：在机械臂的活动端的运动过程中，每到一个节点重新获取采集图像并计算采集图像中充电接口的空间位姿；

S536：比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，并沿下一步运动方向运动至下一个节点，然后重新获取采集图像，识别充电接口的空间位姿，再重复步骤S535和S536。

在实际应用中，为了简便算法，可以只设置两个节点：一个初始化运动节点，一个安全位置节点，在控制器中预存安全位置的信息，机械臂的活动端的运动可以包括三步：

机械臂的活动端执行所述初始化运动移动至预设的初始化运动节点，摄像头采集图像，进一步确定充电接口的空间位姿，确定机械臂的活动端的下一步运动方向；

机械臂的活动端移动至预设的安全位置时，控制摄像头重新采集图像，进一步确定充电接口的空间位姿，重新更新下一步运动方向；

根据更新后的下一步运动方向，控制机械臂的活动端移动以使得充电接头插入到充电接口中。

预设的安全位置往往是机械臂的活动端距离充电接口较近的位置，为了确保插入姿态的准确，可以重新进行一次计算。此处仅为一种优选的实施方式，在实际应用中，节点的数量和位置可以根据实际需要进行设置。

如图9所示，当机械臂的活动端的运动过程区分为多个节点时，机械臂的活动端的运动可以分为如下几个阶段：

(1)机械臂的活动端在初始化运动之前，机械臂的活动端移动使得单目视觉识别模块在第一位置Q1和第二位置Q2分别获取第一采集图像和第二采集图像，根据第一采集图像和第二采集图像确定充电接口的空间位姿；

(2)机械臂的活动端在初始化运动之后，机械臂的活动端移动使得单目视觉识别模块在第三位置Q3和第四位置Q4分别获取第三采集图像和第四采集图像，根据第三采集图像和第四采集图像确定充电接口的空间位姿；

(3)比较机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向，根据下一步运动方向，控制机械臂的活动端移动至下一个节点；

(4)机械臂的活动端移动使得单目视觉识别模块在第五位置Q5和第六位置Q6分别获取第五采集图像和第六采集图像，根据第五采集图像和第六采集图像确定充电接口的空间位姿；

(5)比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，控制机械臂的活动端移动至下一个节点。

进一步地，在实际应用中，车辆的充电接口表面往往是一个斜面，而不是一个垂直于地面的平面，因此为了保证充电接头和充电接口的良好对接，本发明实施例还提供了一种充电接头垂直对准充电接口的方式，以保证充电接头在插入到充电接口中时，充电接头是垂直于充电接口表面插入的，保证充电接头的姿态，而不会因为充电接头歪斜而造成意外事故或损伤。

如图10所示，具体地，所述充电接头垂直对准充电接口，可以包括如下步骤：

S541：预存充电接口表面上多个特征点的预设特征区域信息，多个特征点至少包括不在同一条直线上的三个特征点，即通过多个特征点即可以确定充电接口表面的平面；

S542：识别采集图像中的多个特征点后，根据多个特征点的三维坐标或充电接口整体的空间位姿确定充电接口的表面延伸方向；

S543：判断充电接口表面相对于预设参考面的倾斜角度；一般为了精确表达充电接口表面的倾斜方向，需要判断充电接口表面相对于三个相互垂直的预设参考面的倾斜角度；预设参考面例如可以是x轴和y轴组成的平面，y轴和z轴组成的平面或x轴和z轴组成的平面；

S543：根据充电接口表面的倾斜角度调整机械臂的活动端的倾斜角度，使充电接头垂直对准充电接口。

机械臂可选为多关节机械臂，例如六轴联动机械臂、五轴联动机械臂、三轴联动机械臂等等，关节越多，机械臂的灵活性越好，充电接头的延伸方向平行于机械臂的活动端的关节延伸方向，一般是指机械臂的末端的关节延伸方向。这样通过控制机械臂的活动端的倾斜角度即可以控制充电接头的倾斜角度。但不限于此，在实际应用中，如果充电接头和机械臂的活动端的关节延伸方向成一定角度，则在调整机械臂的活动端时，考虑到这个角度即可，保证充电接头可以垂直对准充电接口，而机械臂的活动端则不一定要垂直对准充电接口。

如图11所示，为根据充电接口表面的倾斜角度调整机械臂的活动端的倾斜角度的示意图。当确定充电接口的表面延伸方向时，可以确定充电接口表面相对于一预设参考面M的倾斜角度为B1。此时为了使得充电接头500垂直对准充电接口601，控制机械臂的活动端101旋转一个倾斜角度B2，即机械臂的活动端101和充电接头500从实线示出的位置旋转到虚线示出的位置，可以保证充电接头500插入充电接口601时的姿态准确。

进一步地，可以设定机械臂的活动端至充电接口表面的距离小于一预设安全距离时，执行充电接头垂直对准充电接口的步骤。采用预设安全距离，可以避免在充电接头十分接近充电接口时无法旋转的情况，或者在充电接头调整姿态前，就已经十分靠近甚至插入充电接口的情况出现。此处预设安全距离可以是充电接头和充电接口表面之间沿一预设参考方向的距离，也可以是充电接头和充电接口表面之间沿机械臂的活动端当前运动方向的距离，也可以是充电接头的中心到充电接口表面的中心的直线距离。

如图12所示为在预设安全距离N1处调整充电接头角度的示意图；如图13所示为在预设安全距离N2处调整充电接头角度的示意图。此处预设安全距离N1即为充电接头500和充电接口601表面之间沿一水平方向的距离，预设安全距离N2即为充电接头500和充电接口601表面之间沿机械臂的活动端的当前运动方向的距离。采用预设安全距离N1可以更方便计算和管理，采用预设安全距离N2则可以避免充电接头继续沿当前方向移动时，提前碰到充电接口。

另外，机械臂的活动端的姿态的调整也可以是在运动过程中多次进行的，例如在更新下一步运动方向时，也确定机械臂的活动端的延伸方向，使当前位置，充电接头是垂直于充电接口的。

进一步地，步骤S541中，所述多个特征点可以有多种设置方式，例如图14中示出了两种充电接头的特征点的分布结构。如图所示，可以设置四个特征点H1、H2、H3、H4，分别位于充电接口601的四个角上，形成一个矩形，且矩形的中心H5为充电接口601的中心。根据四个特征点不仅可以确定充电接口的位置和平面延伸方向，还可以确定充电接口的中心位置。另外，也可以选择其他的组合，例如选择三个特征点H1、H2、 H5，或选择三个特征点H1、H4、H5等等，均是可以的，甚至可以直接选择五个特征点H1～H5，或另外增加其他的特征点。另外，也可以设置三个特征点K1、K2、K3，其组成一个三角形，充电接口601的中心可以跟该三角形的重心、垂心、内心或外心等重合，以能够根据三角形的位置确定充电接口601的中心。

图14仅示出了两种可选的实施方式，在实际应用中，多个特征点的排布和组合可以根据实际需要进行调整，均属于本发明的保护范围之内。

另外，特征区域也可以选择为充电接口上一个很小的区域，通过该特征区域即可以引申至充电接口整个表面的空间姿态。如图15所示，为该实施例的摄像头的摄像范围的示意图，其中示出了充电接口601的基本结构。特征区域可以选择充电接口601上一个很小的区域，例如，左上角的区域、中间一定范围的区域、右上角的区域等等。

进一步地，本发明的充电接口识别和定位方法还可以包括如下步骤：

预存多个距离区段信息，各个距离区段信息包括各个距离区段所对应的机械臂的活动端相对于充电接口的距离范围和该距离区段所对应的机械臂移动速度，与充电接口距离越近的距离区段所对应的机械臂移动速度越小；

判断当前机械臂的活动端所处的距离区段，将该距离区段对应的机械臂移动速度作为当前机械臂的活动端的移动速度。

如图16和图17是该实施例中机械臂的活动端移动的距离区段的两种设置方式的示意图。

图16中，机械臂的活动端相对于充电接口的距离为沿一预设参考方向的距离，在图中示出的例子中，为沿水平方向的距离，在实际应用中，还可以设置为垂直于充电接口表面的方向等等。图16中示例性地示出了三个距离区段T1、T2、T3，其中距离区段T1的速度小于距离区段T2的速度，距离区段T2的速度小于距离区段T3的速度。即在距离充电接口越远的地方，机械臂的活动端移动速度可以快一些，以尽快接近充电接口；到靠近充电接口时，则要尽量减慢速度，避免速度过快与车辆碰到。

图17中，机械臂的活动端相对于充电接口的距离为机械臂的活动端到充电接口的中心的直线距离。图17中示例性地示出了三个距离区段 R1、R2、R3，同样地，距离区段R1的速度小于距离区段R2的速度，距离区段R2的速度小于距离区段R3的速度。

进一步地，还可以在一个摄像头的中间设置一个闪光灯，用于光线暗弱的时候，进行补光；闪光灯的开启方式可以有两种，当单目视觉识别模块的采光率低于预设采光率阈值时开启闪光灯，或启动单目视觉识别模块进行图像采集时，开启闪光灯。闪光灯设置的位置也可以是机械臂的活动端的其他位置。

进一步地，充电接头的端面还可以设置有力传感器，所述充电接口识别和定位方法还可以包括如下步骤：

获取力传感器的力数据；

判断力数据大于预设压力阈值时，或力传感器采集到力数据时，确定充电接头已插入充电接口中，控制机械臂的活动端停止移动，并控制单目视觉识别模块停止采集图像。

如图18所示是本发明一具体实施例中，控制机械臂的活动端移动，以实现充电接口识别和定位的流程图。图中示出的充电接口识别和定位方法包括如下步骤：

控制机械臂的活动端向一预设参考方向移动预设间隔时间/距离；

比较在机械臂的活动端移动前和移动后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

判断机械臂的活动端与充电接口的距离位于哪个距离区段，选择该距离区段对应的速度；

判断机械臂的活动端与充电接口的距离是否小于预设安全距离；

如果是，则判断充电接口表面与预设参考面的倾斜程度，如果否，则机械臂的活动端沿下一步运动方向移动预设间隔时间/距离至与充电接口的距离小于预设安全距离为止；

根据充电接口表面的倾斜角度调整机械臂的第一端的倾斜角度，以使充电接头垂直对准充电接口。

此处图18中示出的仅为一个示例，在实际应用中，可以根据需要进行步骤的选择和调整，而不以此为限。

本发明实施例还提供一种充电接口识别和定位系统，用于实现的充电接口识别和定位方法，所述系统包括：

机械臂，所述机械臂包括一活动端；

单目视觉识别模块，设置于所述机械臂的活动端，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，所述单目视觉识别模块用于在两个采集位置的两个采集图像，并根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算所述采集图像中充电接口的空间位姿；

控制模块，用于根据所述采集图像中充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。

本发明的充电接口识别和定位系统可以实现充电接口的自动识别和定位，在车辆停靠在预定位置后，自动确定充电接口的位置并将充电接头插入到充电接口中，节省了人力，提高了充电效率和用户使用体验。

本发明所提供的充电接口识别和定位方法及系统具有下列优点：

本发明提供了一种自动识别和定位充电接口的位置的技术方案，在车辆停放后，可以通过单目视觉识别模块自动采集充电接口图像，由控制器根据充电接口图像识别充电接口位置，引导机械臂移动，并且在机械臂移动过程中采集变化的充电接口图像，根据变化的图像来确定充电接口的准确位置；只采用一个摄像头就可以实现获取特征区域的三维坐标，并进一步可以获取充电接口的空间位姿，相比于双摄像头的视觉定位方式，大大简化了整体系统的结构，降低了系统成本，并且增强了识别和定位的准确性，提高了充电操作的效率，提升了用户的使用体验。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种充电接口识别和定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

预存充电接口表面的至少一个特征区域的预设特征区域信息；

获取单目视觉识别模块在两个采集位置的两个采集图像，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，且所述摄像头设置于一机械臂的活动端；

根据充电接口的预设特征区域信息分别识别所述两个采集图像中的特征区域；

根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算识别到的特征区域的空间位姿；

根据所述特征区域的空间位姿确定所述充电接口的空间位姿；

根据所述充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。

2.根据权利要求1所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述充电接口的空间位姿包括所述充电接口的六维空间坐标，所述充电接口的六维空间坐标包括所述充电接口的三维坐标和所述充电接口相对于x轴、y轴和z轴的角位移值。

3.根据权利要求2所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述特征区域包括多个特征点，所述预设特征区域信息包括预设特征点信息，所述特征区域的空间位姿包括所述特征区域的六维空间坐标，结合多个特征点的三维坐标计算得到所述特征区域的六维空间坐标，根据所述特征区域在所述充电接口中的预设位置和所述特征区域的空间位姿确定所述充电接口的空间位姿；

或者所述充电接口表面具有多个特征区域，各个所述特征区域的空间位姿包括所述特征区域的三维空间坐标，结合多个所述特征区域的三维空间坐标计算得到所充电接口的六维空间坐标。

4.根据权利要求1所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，规划所述机械臂的活动端的移动路线，包括如下步骤：

控制所述机械臂的活动端执行初始化运动；

计算并比较所述机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

根据下一步运动方向控制所述机械臂的活动端移动；

当满足预设方向调整条件时，计算当前充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

5.根据权利要求4所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述初始化运动包括控制所述机械臂的活动端沿一预设参考方向移动预设间隔时间或移动预设间隔距离。

6.根据权利要求5所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端的运动过程中，每隔预设间隔时间或预设间隔距离重新获取采集图像并识别充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向。

7.根据权利要求4所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，在所述机械臂的活动端和所述充电接口之间设置多个节点；

所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端的运动过程中，每到一个节点重新获取采集图像并识别充电接口的空间位姿；

比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点。

8.根据权利要求7所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，预存一安全位置的信息；所述更新下一步运动方向，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端运动至预设安全位置时，计算当前充电接口的空间位姿；

比较当前充电接口的空间位姿和前一次计算的特征点的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向；

根据更新后的下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端运动使得所述机械臂的活动端插入所述充电接口。

9.根据权利要求7所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，规划所述机械臂的活动端的移动路线，包括如下步骤：

所述机械臂的活动端在初始化运动之前，所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第一位置和第二位置分别获取第一采集图像和第二采集图像，根据所述第一采集图像和第二采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

所述机械臂的活动端在初始化运动之后，所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第三位置和第四位置分别获取第三采集图像和第四采集图像，根据所述第三采集图像和第四采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

比较所述机械臂的活动端在初始化运动之前和之后，充电接口的空间位姿，根据比较结果选择下一步运动方向；

根据下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点；

所述机械臂的活动端移动使得所述单目视觉识别模块在第五位置和第六位置分别获取第五采集图像和第六采集图像，根据所述第五采集图像和第六采集图像确定所述充电接口的空间位姿；

比较当前节点充电接口的空间位姿和前一节点充电接口的空间位姿，根据比较结果更新下一步运动方向，控制所述机械臂的活动端移动至下一个节点。

10.根据权利要求2所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述机械臂的活动端还设置有充电接头，所述方法还包括充电接头垂直对准所述充电接口的步骤；

所述充电接头垂直对准所述充电接口，包括如下步骤：

根据所述特征区域的六维空间坐标确定所述特征区域的表面相对于预设参考面的倾斜角度；

根据所述特征区域的倾斜角度调整所述机械臂的活动端的倾斜角度，使所述充电接头垂直对准所述充电接口。

11.根据权利要求10所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述机械臂为多关节机械臂，所述充电接头的延伸方向平行于或垂直于所述机械臂的活动端的关节延伸方向。

12.根据权利要求9所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，还包括如下步骤：

所述机械臂的活动端至所述充电接口表面的距离小于一预设安全距离时，执行所述充电接头垂直对准所述充电接口的步骤；或

所述机械臂的活动端运动过程中，更新下一步运动方向时，执行所述充电接头垂直对准所述充电接口的步骤。

13.根据权利要求1所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述机械臂的活动端还设置有一机械抓手，所述方法还包括如下步骤：

控制机械臂的活动端移动至预设放置充电枪的位置；

控制所述机械抓手抓取所述充电枪的充电接头部；

根据所述充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线，以使得所述充电枪的充电接头部插入所述充电接口中。

14.根据权利要求1所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，还包括如下步骤：

预存多个距离区段信息，各个所述距离区段信息包括各个距离区段所对应的机械臂的活动端相对于充电接口的距离范围和该距离区段所对应的机械臂移动速度，与充电接口距离越近的距离区段所对应的机械臂移动速度越小；

判断当前机械臂的活动端所处的距离区段，将该距离区段对应的机械臂移动速度作为当前机械臂的活动端的移动速度。

15.根据权利要求1所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述机械臂的活动端还设置有一闪光灯；

所述单目视觉识别模块的采光率低于预设采光率阈值时开启所述闪光灯，或启动所述单目视觉识别模块进行图像采集时，开启所述闪光灯。

16.根据权利要求10所述的充电接口识别和定位方法，其特征在于，所述充电接头的端面设置有力传感器，所述方法还包括如下步骤：

获取所述力传感器的力数据；

判断所述力数据大于预设压力阈值时或所述力传感器检测到力数据时，确定所述充电接头已插入所述充电接口中，控制所述机械臂的活动端停止移动，并控制所述单目视觉识别模块停止采集图像。

17.一种充电接口识别和定位系统，其特征在于，用于实现权利要求1至16中任一项所述的充电接口识别和定位方法，所述系统包括：

机械臂，所述机械臂包括一活动端；

单目视觉识别模块，设置于所述机械臂的活动端，所述单目视觉识别模块包括一个摄像头，所述单目视觉识别模块用于在两个采集位置的两个采集图像，并根据所述两个采集图像和所述两个采集位置之间的位置关系计算所述采集图像中充电接口的空间位姿；

控制模块，用于根据所述采集图像中充电接口的空间位姿规划所述机械臂的活动端的移动路线。