CN110949169B - 一种用于电动汽车无线充电的定位系统及定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车无线充电的定位系统及定位方法，其中包括，至少三个发射天线，分别铺设于位于地面端的铁氧体的边缘，铁氧体为矩形，每个发射天线设置于矩形的每条边的中间位置，至少三个发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；至少两个接收传感器，对称设置于电动汽车的车尾，两个接收传感器用于接收磁场信号，并根据磁场信号的信号强度指示值计算电动汽车的坐标以及偏航角，以确定电动汽车的充电位置。有益效果：改善发射天线与接收传感器的定位精度，能够精确地确定电动汽车的充电位置，提高电动汽车的充电效率与快充的可行性，方案简单可靠，便于推广。

Description

一种用于电动汽车无线充电的定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车无线充电的定位系统及定位方法。
背景技术
随着电动汽车的快速发展，电动汽车的充电问题亟待解决。动力电池的电气充电方法包括接触式充电和无线充电。无线充电便于实现无人自动充电和移动式充电，提供能量的有效利用率。
现有技术中，无线充电是采用无线电波及电磁感应技术。目前，电动汽车在无线充电的过程中，停车定位充电是电动汽车在无线充电技术中的关键技术之一。若电动汽车的车载线圈与充电位上的发射线圈未能得到精确定位，将大大影响充电的效率与快充的可行性。
因此，在电动汽车无线充电领域，如何以简单、可行、精确级别高的定位装置实现电动汽车无线充电系统发射线圈与接收线圈间的精确定位，目前还没有较为简单的、可行的无线充电定位方法出现。因此，电动汽车无线充电的定位问题成为了当前该技术领域继续将解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种用于电动汽车无线充电的定位系统及定位方法。
具体技术方案如下：
本发明提供一种用于电动汽车无线充电的定位系统，其中，包括：
至少三个发射天线，分别铺设于位于地面端的铁氧体的边缘，所述铁氧体为矩形，每个所述发射天线设置于所述矩形的每条边的中间位置，至少三个所述发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；
至少两个接收传感器，对称设置于所述电动汽车的车尾，两个所述接收传感器用于接收所述磁场信号，并根据所述磁场信号的信号强度指示值计算所述电动汽车的坐标以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置。
优选的，所述发射天线设置为四个，四个所述发射天线距离所述铁氧体的中心原点对称分布。
优选的，每两个所述发射天线对称分布于一铝板的上方，所述铝板铺设于所述铁氧体的外围。
本发明还提供一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、提供至少三个发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；
步骤S2、提供至少两个接收传感器接收所述磁场信号，并根据所述磁场信号的信号强度指示值计算所述电动汽车的坐标以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置。
优选的，于所述步骤S1中，所述发射天线设置为四个，四个所述发射天线依次轮流向至少两个所述接收传感器发射固定频率的所述磁场信号。
优选的，于所述步骤S2包括：
步骤S20、两个所述接收传感器分别测量接收到来自四个所述发射天线的磁场信号的信号强度指示值，根据一预设的空间信号强度分布模型，以计算得到两个所述接收传感器的位置；
步骤S21、结合两个所述接收传感器的位置，计算得到所述电动汽车的位置以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置。
优选的，于所述步骤S20中，所述接收传感器的位置通过求解以下四个所述发射天线的空间信号强度分布模型得到：
Figure BDA0002243461470000031
其中，
xRXi用于分别表示两个所述接收传感器RXi的位置(xRXi,yRXi)，其中，i＝1、2；
xTXi用于分别表示四个所述发射天线TXi的位置(xTXi,yTXi)，其中，i＝1、2、3、4；
RSSITXi用于分别表示两个所述接收传感器RXi接收来自四个所述发射天线TXi的信号强度指示值；
f用于表示所述空间信号强度分布模型。
优选的，于所述步骤S20中，X轴朝向的发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000032
Y轴朝向的发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000033
其中，
C用于表示常量系数；
xRXi分别用于表示两个所述接收传感器RXi距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2；
yRXi分别用于表示两个所述接收传感器RXi距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2；
zRXi分别用于表示两个所述接收传感器的高度，其中，i＝1、2；
xTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
yTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
zTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi的高度，其中，i＝1、2、3、4；
r用于表示所述发射天线与所述接收传感器之间的距离；
RSSITXi用于表示所述接收传感器接收来自四个所述发射天线TXi的信号强度指示值。
优选的，所述发射天线与所述接收传感器之间的距离通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000041
优选的，于所述步骤S21中，确定所述电动汽车的充电位置通过以下公式得到：
Figure BDA0002243461470000042
Figure BDA0002243461470000043
Figure BDA0002243461470000044
其中，
xRX1用于表示所述接收传感器RX1距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX1用于表示所述接收传感器RX1距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
xRX2用于表示所述接收传感器RX2距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX2用于表示所述接收传感器RX2距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
x用于表示所述电动汽车距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
y用于表示所述电动汽车距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
angle用于表示所述电动汽车的偏航角。
本发明的技术方案有益效果在于：
提供一种用于电动汽车无线充电的定位系统，提供至少三个发射天线分别铺设于位于地面端的铁氧体的边缘且设置于铁氧体的每条边的中间位置，以及至少两个接收传感器根据磁场信号的信号强度指示值计算电动汽车的坐标以及偏航角，能够使得接收传感器与发射天线的精确定位，提高电动汽车的充电效率与快充的可行性；
提供一种用于电动汽车无线充电的定位方法，通过定位方法能够精确地确定电动汽车的充电位置，改善发射天线与接收传感器的定位精度，并且定位方法简单可靠，便于推广。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位系统的原理框图；
图2a为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位系统的发射天线实施例一的摆放示意图；
图2b为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位系统的发射天线实施例一的信号强度折线图；
图3a为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位系统的发射天线实施例二的摆放示意图；
图3b为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位系统的发射天线实施例二的信号强度折线图；
图4为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位方法的步骤流程图；
图5为本发明的实施例的用于电动汽车无线充电的定位方法的步骤S2的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例一：
本发明包括一种用于电动汽车无线充电的定位系统，其中，包括：
至少三个发射天线1，分别铺设于位于地面端的铁氧体10的边缘，铁氧体10为矩形，每个发射天线1设置于矩形的每条边的中间位置，至少三个发射天线1轮流发射一固定频率的磁场信号；
至少两个接收传感器2，对称设置于电动汽车20的车尾，两个接收传感器2用于接收磁场信号，并根据磁场信号的信号强度指示值计算电动汽车20的坐标以及偏航角，以确定电动汽车的充电位置。
通过上述用于电动汽车无线充电的定位系统的技术方案，如图1所示，该定位系统主要包括发射天线1与接收传感器2，其中，发射天线1至少设置为三个才能确定一个接收传感器2的坐标，其中，x轴朝向为从发射端铁氧体中心指向车辆驶入方向，y轴朝向垂直x轴朝向，发射天线1设置于地面端，地面端包括有矩形的铁氧体10，铁氧体10外围设置铝板11，每两个发射天线1对称分布于铝板11的上方，发射天线1用于轮流发射固定频率的磁场信号；接收传感器2至少设置两个才能判断电动汽车的坐标和偏航角，包括第一接收传感器RX1、第二接收传感器RX2，两个接收传感器2分别用于接收该固定频率的磁场信号，根据该磁场信号强度指标值确认该电动汽车的位置，以实现定位。
进一步地，该定位系统能够使得接收传感器2与发射天线1的精确定位，提高电动汽车的充电效率与快充的可行性。
在一种较优的实施例中，发射天线1设置为四个，四个发射天线1距离铁氧体10的中心原点对称分布。
具体地，优选使用四个发射天线1，包括第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第三发射天线TX3、第四发射天线TX4，在该实施例中，对四个发射天线2的摆放位置作了以下探究。
如图2a所示，将四个发射天线1摆放在定位系统的地面端的四角，发射天线的法向量朝向均为x轴朝向，由于地面端的磁性材料，例如铁氧体，会对发射天线辐射的磁场产生影响，会导致定位精度下降，甚至导致部分区域无法定位，出现定位盲区。
针对以上缺陷，该定位系统提出了一种新型的摆放位置，将四个发射天线1摆放在地面端铁氧体的四边，其中两个发射天线1的法向量朝向为x轴朝向，两个发射天线1的法向量朝向为y轴朝向，该种摆放位置能降低铁氧体10对发射天线1辐射的磁场的影响，能消除定位盲区。
具体地，通过令单个接收传感器2沿X轴移动(x＝0mm，z＝140mm)，记录接收传感器2接收到的来自四个发射天线1的磁场信号强度进行比较。
如图2b所示，如图2b的横坐标用于表示接收传感器2距离铁氧体10的中心原点的距离，单位为m，如图2b的纵坐标用于表示接收传感器2收到的来自四个发射天线1的磁场信号强度的对数，即为log(信号强度)，当四个反射天线1四角摆放时，在x＝0mm，y＝0mm附近会出现定位盲区，接收传感器2接收到的来自四个发射天线1的磁场信号强度在中心原点附近会出现平缓区，当接收传感器2在该平缓区移动时，接收到的四个磁场信号强度变化很小，难以判断接收传感器的位置。
如图3b所示，如图3b的横坐标用于表示接收传感器2距离铁氧体10的中心原点的距离，单位为m，如图3b的纵坐标用于表示接收传感器2收到的来自四个发射天线1的磁场信号强度的对数，即为log(信号强度)，当四个反射天线1四边摆放时，在x＝0mm，y＝0mm附近，接收传感器2接收到的来自发射天线Tx1和Tx4的磁场信号强度变化陡峭，易于判断接收传感器的位置，不存在盲区问题。
因此，经过对四个发射天线2的摆放位置进行探究，该定位系统是将四个发射天线1分别铺设于位于地面端的铁氧体10的边缘，且每个发射天线1设置于矩形的每条边的中间位置，每两个发射天线1距离铁氧体10的中心原点对称分布，如图1所示。
进一步地，该定位系统使用四个发射天线1易于判断接收传感器2的位置，以改善定位精度，扩大定位范围，解决盲区问题。
实施例二：
本发明还包括一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其中，包括以下步骤：
步骤S1、提供至少三个发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；
步骤S2、提供至少两个接收传感器接收磁场信号，并根据磁场信号的信号强度指示值计算电动汽车的坐标以及偏航角，以确定电动汽车的充电位置。
通过上述用于电动汽车无线充电的定位方法的技术方案，如图4所示，通过定位方法能够精确地确定电动汽车的充电位置，改善发射天线与接收传感器的定位精度，并且定位方法简单可靠，便于推广。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，于步骤S1中，发射天线设置为四个，四个发射天线依次轮流向至少两个接收传感器发射固定频率的磁场信号。
具体地，优选使用四个发射天线1才能精准确定两个接收传感器2的坐标，其中四个发射天线1包括第一发射天线TX1、第二发射天线TX2、第三发射天线TX3、第四发射天线TX4，两个接收传感器2包括第一接收传感器RX1、第二接收传感器RX2。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，如图5所示，于步骤S2包括：
步骤S20、两个接收传感器分别测量接收到来自四个发射天线的磁场信号的信号强度指示值，根据一预设的空间信号强度分布模型，以计算得到两个接收传感器的位置；
步骤S21、结合两个接收传感器的位置，计算得到电动汽车的位置以及偏航角，以确定电动汽车的充电位置。
具体地，步骤S20中包括：
步骤S200、第一接收传感器测量接收到来自四个发射天线的磁场信号的信号强度指示值，根据一预设的空间信号强度分布模型，以计算得到第一接收传感器的位置。
步骤S20中还包括：
步骤S201、第二接收传感器测量接收到来自四个发射天线的磁场信号的信号强度指示值，根据一预设的空间信号强度分布模型，以计算得到第二接收传感器的位置。
进一步地，通过结合第一接收传感器与第二接收传感器的位置，计算得到电动汽车的位置以及偏航角，以确定电动汽车的充电位置。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，于步骤S20中，接收传感器的位置通过求解以下四个发射天线的空间信号强度分布模型得到：
Figure BDA0002243461470000101
其中，
xRXi用于分别表示两个接收传感器RXi的位置(xRXi,yRXi)，其中，i＝1、2；
xTXi用于分别表示四个发射天线TXi的位置(xTXi,yTXi)，其中，i＝1、2、3、4；
RSSITXi用于分别表示两个接收传感器RXi接收来自四个发射天线TXi的信号强度指示值；
f用于表示空间信号强度分布模型。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，于步骤S20中，X轴朝向的发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000111
Y轴朝向的发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000112
其中，
C，用于表示常量系数，可通过标定可以获得；
xRXi分别用于表示两个接收传感器RXi距离铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2；
yRXi分别用于表示两个接收传感器RXi距离铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2；
zRXi分别用于表示两个接收传感器的高度，恒定不变，可通过预先测量获得，其中，i＝1、2；
xTXi分别用于表示四个发射天线TXi距离铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
yTXi分别用于表示四个发射天线TXi距离铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
zTXi分别用于表示四个发射天线TXi的高度，其中，i＝1、2、3、4；
r用于表示发射天线与接收传感器之间的距离；
RSSITXi用于表示接收传感器接收来自四个发射天线TXi的信号强度指示值。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，发射天线与接收传感器之间的距离通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000113
具体地，通过求解以上非线性方程即可得到两个接收传感器的位置。并且在环境干扰较小的情况下，空间信号强度分布模型接近于理想模型，即磁偶极子模型。
可拓展地，在环境干扰较大的情况下，发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure BDA0002243461470000121
其中，参数m、n、l、k均可通过标定获得。
上述技术方案中，作为较优的实施方式，于步骤S21中，确定电动汽车的充电位置通过以下公式得到：
Figure BDA0002243461470000122
Figure BDA0002243461470000123
Figure BDA0002243461470000124
其中，
xRX1用于表示接收传感器RX1距离铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX1用于表示接收传感器RX1距离铁氧体中心原点的纵轴坐标；
xRX2用于表示接收传感器RX2距离铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX2用于表示接收传感器RX2距离铁氧体中心原点的纵轴坐标；
x用于表示电动汽车距离铁氧体中心原点的横轴坐标；
y用于表示电动汽车距离铁氧体中心原点的纵轴坐标；
angle用于表示电动汽车的偏航角。
进一步地，通过采用该定位方法，能够精确地确定电动汽车的充电位置，改善发射天线与接收传感器的定位精度，并且定位方法简单可靠，便于推广。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于电动汽车无线充电的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、提供至少三个发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；
步骤S2、提供至少两个接收传感器接收所述磁场信号，并根据所述磁场信号的信号强度指示值计算所述电动汽车的坐标以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置；
所述步骤S1中，所述发射天线设置为四个，四个所述发射天线依次轮流向至少两个所述接收传感器发射固定频率的所述磁场信号；
步骤S20、两个所述接收传感器分别测量接收到来自四个所述发射天线的磁场信号的信号强度指示值，根据一预设的空间信号强度分布模型，以计算得到两个所述接收传感器的位置；
步骤S21、结合两个所述接收传感器的位置，计算得到所述电动汽车的位置以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置；
所述步骤S20中，所述接收传感器的位置通过求解以下四个所述发射天线的空间信号强度分布模型得到：
Figure FDA0003224909610000011
其中，
xRXi用于分别表示两个所述接收传感器RXi的位置(xRXi,yRXi)，其中，i＝1、2；
xTXi用于分别表示四个所述发射天线TXi的位置(xTXi,yTXi)，其中，i＝1、2、3、4；
RSSITXi用于分别表示两个所述接收传感器RXi接收来自四个所述发射天线TXi的信号强度指示值；
f用于表示所述空间信号强度分布模型；
所述步骤S20中，X轴朝向的所述发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure FDA0003224909610000021
Y轴朝向的所述发射天线的空间信号强度分布模型通过以下公式表示：
Figure FDA0003224909610000022
其中，
C用于表示常量系数；
xRXi分别用于表示两个所述接收传感器RXi距离铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2；
yRXi分别用于表示两个所述接收传感器RXi距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2；
zRXi分别用于表示两个所述接收传感器的高度，其中，i＝1、2；
xTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
yTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标，其中，i＝1、2、3、4；
zTXi分别用于表示四个所述发射天线TXi的高度，其中，i＝1、2、3、4；
r用于表示所述发射天线与所述接收传感器之间的距离；
RSSITXi用于表示所述接收传感器接收来自四个所述发射天线TXi的信号强度指示值。
2.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述发射天线与所述接收传感器之间的距离通过以下公式表示：
Figure FDA0003224909610000031
3.根据权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤S21中，确定所述电动汽车的充电位置通过以下公式得到：
Figure FDA0003224909610000032
Figure FDA0003224909610000033
Figure FDA0003224909610000034
其中，
xRX1用于表示所述接收传感器RX1距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX1用于表示所述接收传感器RX1距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
xRX2用于表示所述接收传感器RX2距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
yRX2用于表示所述接收传感器RX2距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
x用于表示所述电动汽车距离所述铁氧体中心原点的横轴坐标；
y用于表示所述电动汽车距离所述铁氧体中心原点的纵轴坐标；
angle用于表示所述电动汽车的偏航角。
4.一种用于电动汽车无线充电的定位系统，应用于上述权利要求1-3中任意一项所述定位方法，其特征在于，包括：
至少三个发射天线，分别铺设于位于地面端的铁氧体的边缘，所述铁氧体为矩形，每个所述发射天线设置于所述矩形的每条边的中间位置，至少三个所述发射天线轮流发射一固定频率的磁场信号；
至少两个接收传感器，对称设置于所述电动汽车的车尾，两个所述接收传感器用于接收所述磁场信号，并根据所述磁场信号的信号强度指示值计算所述电动汽车的坐标以及偏航角，以确定所述电动汽车的充电位置。
5.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，所述发射天线设置为四个，四个所述发射天线距离所述铁氧体的中心原点对称分布。
6.根据权利要求4所述的定位系统，其特征在于，每两个所述发射天线对称分布于一铝板的上方，所述铝板铺设于所述铁氧体的外围。
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