CN111071089B - 一种电动汽车充电装置以及适用其的运动轨迹控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电装置以及适用其的运动轨迹控制方法，属于电动汽车技术领域。本发明设置能够放置充电头以及机械臂、滑动组件的充电腔，并在充电腔前端滑动连接一侧门，进而能够对充电结构进行有效保护，能够有效避免充电结构被雨水、尘土侵袭，特别适用于室外场景，结构实用，便于生产制造。所述机体上通过螺栓连接有支撑杆，所述支撑杆一侧通过螺栓连接有定滑轮，所述机体上端远离所述侧门一侧通过螺栓连接有卷扬机，所述钢绳一端缠绕在所述卷扬机上，另一端与侧门固接，实现侧门的自动升降，使得本发明适用于电动汽车充电的自动化场景，很好的满足了充电系统在无人值守和人力不便进入的场合的充电需求。

Description

一种电动汽车充电装置以及适用其的运动轨迹控制方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车充电装置以及适用其的运动轨迹控制方法，属于电动汽车技术领域。
背景技术
中国专利(公开号CN206954035U)公开了一种滑轨式多自由度机械臂自动充电装置，用于电动汽车的自动充电，包括工作台、底座、中央控制模块、驱动电机、机械臂以及充电枪，所述工作台上设置有滑轨，所述底座对应设置于所述滑轨上，所述底座内设置有第一驱动电机，所述中央控制模块设置于底座一侧，所述底座上设置有第二驱动电机，所述机械臂包括依次对应连接的第一机械臂、第二机械臂以及第三机械臂，所述充电枪设置于所述机械臂的端部。
上述装置为实现新能源汽车的自动化充电，设置了驱动电机、机械臂以及滑轨组件，但是上述方案结构较为精密，对周围环境要求比较高，但是上述方案并没有涉及充电装置的防水、防尘措施，导致上述充电装置只能应用于室内，应用范围窄。
进一步，上述方案没有公开如何控制充电枪移动到汽车充电口，申请人也没有发现现有技术公开类似内容，因此现有技术缺乏充电枪的路径规划控制方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种能够放置充电头以及机械臂、滑动组件的充电腔，并在充电腔前端滑动连接一侧门，进而能够对充电结构进行有效保护，能够有效避免雨水、尘土侵袭，特别适用于室外场景的电动汽车充电装置。
本发明的另一目的在于提供一种能够对充电头运动进行规划控制的电动汽车充电装置运动轨迹控制方法。
为实现上述目的一，本发明的技术方案为：
一种电动汽车充电装置，包括能够对电动汽车进行充电的充电头、用于装配充电头的机体，
所述机体设有能够容纳充电头的充电腔，其通过滑轨组件连接一用于带动充电头移动的机械手臂；
所述滑轨组件包括横向滑轨、竖向滑轨，
所述竖向滑轨上滑动连接有所述横向滑轨；
所述横向滑轨上滑动连接一滑座，所述滑座与机械手臂一端固接；
所述机械手臂另一端连接所述充电头；
所述充电腔前端开设用于供充电头穿过的敞口；
所述敞口外侧滑动连接一能够封闭敞口的侧门。
本发明设置能够放置充电头以及机械臂、滑动组件的充电腔，并在充电腔前端滑动连接一侧门，进而能够对充电结构进行有效保护，能够有效避免充电结构被雨水、尘土侵袭，特别适用于室外场景，结构实用，便于生产制造。
所述机体上通过螺栓连接有支撑杆，所述支撑杆一侧通过螺栓连接有定滑轮，所述机体上端远离所述侧门一侧通过螺栓连接有卷扬机，所述钢绳一端缠绕在所述卷扬机上，另一端与侧门固接，实现侧门的自动升降，使得本发明适用于电动汽车充电的自动化场景，很好的满足了充电系统在无人值守和人力不便进入的场合的充电需求。
作为优选技术措施：
所述机体的侧端设置一能够反映出汽车充电口的镜面；
所述镜面向车辆驶近方向倾斜。
本发明在机体侧端设置一倾斜的镜面，进而能够引导车辆停入预定位置，能够有效减少预留线缆以及机械臂长度。本发明相比现有的通过调节线缆的长度，而适应车辆的停靠位置的方案，具有以下优点：
第一、线缆以及机械臂长度较短，能够有效避免其他物体相干涉，安全性高；第二、采用这种方案，预留的线缆以及机械臂较短，能够有效降低制造成本；第三、占用空间小，使得本发明结构紧凑。
作为优选技术措施：
所述镜面悬设在机体右侧面，其安装高度与汽车充电口的高度相匹配。
作为优选技术措施：
所述镜面竖立在机体的右侧面，其表面设有定位框；
所述定位框的设置高度与汽车充电口的高度相匹配。通过倾斜镜面的角度设计，使得驾驶员通过右侧后视镜或倾斜镜面观察到汽车充电口位于定位框内时，汽车充电口刚好处于充电头的移动覆盖范围内，结构简单，构思巧妙。
作为优选技术措施：
所述侧门两侧通过导轮与导轨的配合能够上下移动，导轨底部设有弯曲段，当侧门向下移动至底部时，侧门能够整体向机体一侧靠拢，进而使得侧门四周边缘的密封垫与机体紧密贴合，提升密封效果。
作为优选技术措施：
所述侧门与机体择一设有齿条，另一个设置齿轮；通过齿轮带动侧门上下移动，齿条的顶部设有退位槽，当导轮位于导轨底部的弯曲段时，侧门整体在水平方向上有小段位移，对应的，齿轮进入退位槽内。
作为优选技术措施：
两侧的竖向滑轨之间设置有电动推杆一，所述电动推杆一与所述机体以及所述横向滑轨均通过螺栓连接；
所述横向滑轨上端一侧通过螺栓连接有电动推杆二，所述电动推杆二与所述滑座通过螺栓连接；
所述电动推杆一、所述电动推杆二、所述机械手臂、所述卷扬机均与所述机体内部控制单元通过无线信号连接；，协调各机构运行，提高装置的智能化以及便利性。
所述充电头外围分布有摄像头，所述摄像头与所述连接头通过卡槽连接；
所述机械手臂使用液压系统驱动，其一端铰接有连接头，所述连接头中部粘接充电头。
本发明方案详尽，切实可行。
为实现上述目的二，本发明的技术方案为：
一种电动汽车充电装置的运动轨迹控制方法，适用于上述的一种电动汽车充电装置；
其具体包括以下步骤：
第一步，确定充电头与电动汽车充电口之间的距离即需要充电头移动的位移量；
第二步，根据两者之间的距离，规划的充电头的加速度，速度和位移，其计算公式为：
a＝a0+∫jdt＝a0+jt
Figure BDA0002358186270000031
Figure BDA0002358186270000032
其中j表示充电头加加速度，a表示充电头加速度，v表示充电头速度；s表示充电头位移，a0表示充电头初始加速度，v0表示充电头初始速度，s0表示充电头初始位移，t表示采样周期；
第三步，规划充电头处于不同移动阶段的时间，即计算出加加速度时间段tj、匀加速时间段ta、匀速时间段tv；
在获得加加速度值和要完成的位移S的情况下，只要知道时间参数tj、ta、tv的值，其它未知量都可以用这三个时间参数表示；
第三步，根据上述规划结果，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
本发明引入加加速度量对充电头进行加减速控制，能够有效消除因为加速度过大导致充电头停止时出现的较大振动，兼顾充电头移动的精度与效率，能够有效减轻充电头和汽车充电口的碰撞，进而有效避免充电头和充电口的磨损，延长充电头和充电口的使用寿命。
作为优选技术措施：充电头的运动过程分为七段，分别是匀加加速度段、匀加速度段、匀减加速度段、匀速度段、匀减加速度段、匀加速度段、匀加加速度段；
如果对每个段时间的求解，都采用上面的积分公式计算，会使运算量很大，同时也大大降低了计算精度。因此，本发明采用面积割补法，得到整个运动过程的计算公式：
Figure BDA0002358186270000041
其中：tj为匀加加速度时间，ta为匀加速度时间，tv为匀速度时间。
进而根据充电头移动过程中限制的最大加速度am，限制的最大速度vm。
计算加加速度时间tj：
Figure BDA0002358186270000042
计算匀加速时间ta：
Figure BDA0002358186270000043
计算匀速时间tv：
Figure BDA0002358186270000044
通过上面的计算以后，三个关键参数tj、ta、tv全部被求出；
进而根据各个阶段的时间量，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明设置能够放置充电头以及机械臂、滑动组件的充电腔，并在充电腔前端滑动连接一侧门，进而能够对充电结构进行有效保护，能够有效避免充电结构被雨水、尘土侵袭，特别适用于室外场景，结构实用，便于生产制造。
进一步，本发明引入加加速度量对充电头进行加减速控制，能够有效消除因为加速度过大导致充电头停止时出现的较大振动，兼顾充电头移动的精度与效率，能够有效减轻充电头和汽车充电口的碰撞，进而有效避免充电头和充电口的磨损，延长充电头和充电口的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种结构示图；
图2是图1所示结构的左剖视图；
图3是本发明增设镜面的结构示图；
图4是本发明导轮和导轨的结构示图；
图5是本发明齿条和齿轮的结构示图。
附图标记说明如下：
1、定滑轮；2、钢绳；3、支撑杆；4、卷扬机；5、侧门；6、机体；7、充电腔；8、电动推杆一；9、竖向滑轨；10、横向滑轨；11、电动推杆二；12、滑座；13、机械手臂；14、连接头；15、摄像头；16、充电头；17、镜面；18、定位框；19、密封垫；20、导轮；21、导轨；22、齿条；23、齿轮；24、退位槽。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
需要说明的是，当两个元件“固接”或“滑动连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“横向”、“竖向”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的。
如图1、图2所示实施例：一种电动汽车充电装置，包括机体6、横向滑轨10和机械手臂13，机体6中部成型有充电腔7，充电腔7内通过螺栓连接有竖向滑轨9，竖向滑轨9上滑动连接有横向滑轨10，横向滑轨10上滑动有滑座12，滑座12上通过螺栓连接有机械手臂13，机械手臂13一端铰接有连接头14，连接头14中部粘接有充电头16，充电头16外围分布有摄像头15，机械手臂13使用液压系统驱动，摄像头15与连接头14通过卡槽连接，机体6一侧滑动连接有侧门5，侧门5中部采用透明材质，侧门5上系有钢绳2。
本发明通过设置机械手臂13、连接头14、摄像头15，可以自动对汽车充电位置进行定位，使充电头16能够准确与汽车充电位置进行连接，实现无人操作，自动充电，提高充电的便利性以及操作安全性，大大增加装置的实用性；
本发明通过机体6提供稳定支撑，通过充电腔7给充电器材提供收纳场所，可以对器材进行保护，通过竖向滑轨9便于横向滑轨10滑动，通过横向滑轨10便于滑座12滑动，通过滑座12给机械手臂13提供稳定支撑，通过机械手臂13驱动连接头14移动，进而推动充电头16对电动汽车进行充电。
本发明的连接头14起连接支撑作用，通过摄像头15便于对汽车充电位置进行定位，便于充电头16与汽车充电位置精准对接，提高充电便利性，实现无人操作，侧门5中部采用透明材质便于观看充电腔7内的状况，同时通过侧门5对充电器材进行保护，避免、雨水或溅水或灰尘等杂质进入。
本发明通过钢绳2带动侧门5升降，竖向滑轨9之间设置有电动推杆一8，电动推杆一8与机体6以及横向滑轨10均通过螺栓连接，通过电动推杆一8推动横向滑轨10在竖向滑轨9上滑动，便于机械手臂13调整位置，横向滑轨10上端一侧通过螺栓连接有电动推杆二11，电动推杆二11与滑座12通过螺栓连接，通过电动推杆二11推动滑座12移动，进而推动机械手臂13横向移动，便于找准充电位置。
本实施例中，机体6上通过螺栓连接有支撑杆3，支撑杆3一侧通过螺栓连接有定滑轮1，机体6上端远离侧门5一侧通过螺栓连接有卷扬机4，钢绳2一端缠绕在卷扬机4上，通过支撑杆3给定滑轮1提供稳定支撑，通过定滑轮1给钢绳2提供转动支撑，卷扬机4与现有的卷扬机4技术原理相同，通过卷扬机4带动钢绳2收放，从而带动侧门5升降。
本实施例中，电动推杆一8、电动推杆二11、机械手臂13、卷扬机4均与机体6内部控制单元通过无线信号连接，通过机体6内部的控制单元对电动推杆一8、电动推杆二11、机械手臂13以及卷扬机4发布控制信号，协调各机构运行，提高装置的智能化以及便利性。
本实施例的具体实施过程如下：
使用时，当电动汽车停在机体6一侧合适位置后，通过机体6内部控制单元控制各机构运行，通过卷扬机4工作开始缠绕钢绳2收，进而带动侧门5上升，然后通过摄像头15对汽车充电位置进行定位，然后将信息反馈给控制单元，通过控制单元协调控制机械手臂13运转，通过电动推杆一8推动横向滑轨10滑动调整充电头16的纵向位置，通过电动推杆二11推动滑座12在横向滑轨10上滑动，进而调整充电头16的横向距离，当充电头16处在合适的位置后，通过机械手臂13推动充电头16插入汽车充电位置进行充电，可实现无人操作，自动充电，提高充电的便利性以及操作安全性，大大增加装置的实用性。
当电动汽车充电结束后，机械手臂13会带动充电头16远离汽车，然后进行复位回到充电腔7内，然后卷扬机4会松开钢绳2，使侧门5下降，从而对充电腔7内部充电器材进行保护，避免雨水或溅水或灰尘等杂质进入对充电头16造成侵蚀，保证接头接触良好，延长装置使用寿命。
如图3所示，本发明增设镜面17的具体实施例：
所述机体6的侧端设置一能够反映出汽车充电口的镜面17；
所述镜面17向车辆驶近方向倾斜。
本发明在机体6侧端设置一倾斜的镜面17，进而能够引导车辆停入预定位置，能够有效减少预留线缆以及机械臂长度。本发明相比现有的通过调节线缆的长度，而适应车辆的停靠位置的方案，具有以下优点：
第一、线缆以及机械臂长度较短，能够有效避免其他物体相干涉，安全性高；第二、采用这种方案，预留的线缆以及机械臂较短，能够有效降低制造成本；第三、占用空间小，使得本发明结构紧凑。
本发明镜面17装配方式的一种具体实施例：
所述镜面17悬设在机体右侧面，其安装高度与汽车充电口的高度相匹配。
本发明镜面17装配方式的另一种具体实施例：
所述镜面17竖立在机体的右侧面，其表面设有定位框18；
所述定位框18的设置高度与汽车充电口的高度相匹配。通过倾斜镜面17的角度设计，使得驾驶员通过右侧后视镜或倾斜镜面17观察到汽车充电口位于定位框18内时，汽车充电口刚好处于充电头16的移动覆盖范围内，结构简单，构思巧妙。
如图4-5所示，本发明增设导轮20以及导轨21的一种具体实施例：
所述侧门5两侧通过导轮20与导轨21的配合能够上下移动，导轨21底部设有弯曲段，当侧门5向下移动至底部时，侧门5能够整体向机体6一侧靠拢，进而使得侧门5四周边缘的密封垫19与机体6紧密贴合，提升密封效果。
所述侧门5与机体6择一设有齿条22，另一个设置齿轮23；通过齿轮带动侧门5上下移动，齿条的顶部设有退位槽24，当导轮20位于导轨21底部的弯曲段时，侧门5整体在水平方向上有小段位移，对应的，齿轮进入退位槽内。
一种电动汽车充电装置的运动轨迹控制方法，适用于上述的一种电动汽车充电装置；
其具体包括以下步骤：
第一步，确定充电头与电动汽车充电口之间的距离即需要充电头移动的位移量；
第二步，根据两者之间的距离，规划的充电头的加速度，速度和位移，其计算公式为：
a＝a0+∫jdt＝a0+jt
Figure BDA0002358186270000081
Figure BDA0002358186270000082
其中j表示充电头加加速度，a表示充电头加速度，v表示充电头速度；s表示充电头位移，a0表示充电头初始加速度，v0表示充电头初始速度，s0表示充电头初始位移，t表示采样周期；
第三步，规划充电头处于不同移动阶段的时间，即计算出加加速度时间段tj、匀加速时间段ta、匀速时间段tv；
在获得加加速度值和要完成的位移S的情况下，只要知道时间参数tj、ta、tv的值，其它未知量都可以用这三个时间参数表示；
第三步，根据上述规划结果，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
本发明引入加加速度量对充电头进行加减速控制，能够有效消除因为加速度过大导致充电头停止时出现的较大振动，兼顾充电头移动的精度与效率，能够有效减轻充电头和汽车充电口的碰撞，进而有效避免充电头和充电口的磨损，延长充电头和充电口的使用寿命。
作为优选技术措施：充电头的运动过程分为七段，分别是匀加加速度段、匀加速度段、匀减加速度段、匀速度段、匀减加速度段、匀加速度段、匀加加速度段；
如果对每个段时间的求解，都采用上面的积分公式计算，会使运算量很大，同时也大大降低了计算精度。因此，本发明采用面积割补法，得到整个运动过程的计算公式：
Figure BDA0002358186270000083
其中：tj为匀加加速度时间，ta为匀加速度时间，tv为匀速度时间。
进而根据充电头移动过程中限制的最大加速度am，限制的最大速度vm。
计算加加速度时间tj：
Figure BDA0002358186270000084
计算匀加速时间ta：
Figure BDA0002358186270000091
计算匀速时间tv：
Figure BDA0002358186270000092
通过上面的计算以后，三个关键参数tj、ta、tv全部被求出；
进而根据各个阶段的时间量，下方给相应的电机，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
本申请中，固接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动汽车充电装置，包括能够对电动汽车进行充电的充电头(16)、用于装配充电头(16)的机体(6)，其特征在于，
所述机体(6)设有能够容纳充电头(16)的充电腔(7)，其通过滑轨组件连接一用于带动充电头(16)移动的机械手臂(13)；
所述滑轨组件包括横向滑轨(10)、竖向滑轨(9)，
所述竖向滑轨(9)上滑动连接有所述横向滑轨(10)；
所述横向滑轨(10)上滑动连接一滑座(12)，所述滑座(12)与机械手臂(13)一端固接；
所述机械手臂(13)另一端连接所述充电头(16)；
所述充电腔(7)前端开设用于供充电头(16)穿过的敞口；
所述敞口外侧滑动连接一能够封闭敞口的侧门(5)；
所述机体(6)的侧端设置一能够反映出汽车充电口的镜面(17)；
所述镜面(17)向车辆驶近方向倾斜；
所述镜面(17)悬设在机体右侧面，其安装高度与汽车充电口的高度相匹配；
所述镜面(17)竖立在机体的右侧面，其表面设有定位框(18)；
所述定位框(18)的设置高度与汽车充电口的高度相匹配。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车充电装置，其特征在于，
所述机体(6)上通过螺栓连接有支撑杆(3)，所述支撑杆(3)一侧通过螺栓连接有定滑轮(1)，所述机体(6)上端远离所述侧门(5)一侧通过螺栓连接有卷扬机(4)，
所述卷扬机(4)装配一钢绳；
所述钢绳(2)一端缠绕在所述卷扬机(4)上，另一端与侧门(5)固接。
3.如权利要求2所述的一种电动汽车充电装置，其特征在于，
所述侧门(5)两侧通过导轮(20)与导轨(21)的配合能够上下移动，导轨(21)底部设有弯曲段，当侧门(5)向下移动至底部时，侧门(5)能够整体向机体(6)一侧靠拢。
4.如权利要求3所述的一种电动汽车充电装置，其特征在于，
所述侧门(5)设有齿条(22)，另一个设置齿轮(23)；通过齿轮(23)带动侧门(5)上下移动，齿条(22)的顶部设有退位槽(24)，当导轮(20)位于导轨(21)底部的弯曲段时，侧门(5)整体在水平方向上有小段位移，对应的，齿轮(23)进入退位槽(24)内。
5.如权利要求4所述的一种电动汽车充电装置，其特征在于，
两侧的竖向滑轨(9)之间设置有电动推杆一(8)，所述电动推杆一(8)与所述机体(6)以及所述横向滑轨(10)均通过螺栓连接；
所述横向滑轨(10)上端一侧通过螺栓连接有电动推杆二(11)，所述电动推杆二(11)与所述滑座(12)通过螺栓连接；
所述电动推杆一(8)、所述电动推杆二(11)、所述机械手臂(13)、所述卷扬机(4)均与所述机体(6)内部控制单元通过无线信号连接；
所述机械手臂(13)使用液压系统驱动，其一端铰接有连接头(14)，所述连接头(14)中部粘接充电头(16)；
所述充电头(16)外围分布有摄像头(15)，所述摄像头(15)与所述连接头(14)通过卡槽连接。
6.一种电动汽车充电装置运动轨迹控制方法，其特征在于，适用于如权利要求1-5任一所述的一种电动汽车充电装置；
其具体包括以下步骤：
第一步，确定充电头与电动汽车充电口之间的距离即需要充电头移动的位移量；
第二步，根据两者之间的距离，规划的充电头的加速度，速度和位移，其计算公式为：
a＝a0+∫jdt＝a0+jt
Figure FDA0002933725980000021
Figure FDA0002933725980000022
其中j表示充电头加加速度，a表示充电头加速度，v表示充电头速度；s表示充电头位移，a0表示充电头初始加速度，v0表示充电头初始速度，s0表示充电头初始位移，t表示采样周期；
第三步，规划充电头处于不同移动阶段的时间，即计算出加加速度时间段tj、匀加速时间段ta、匀速时间段tv；
在获得加加速度值和要完成的位移S的情况下，只要知道时间参数tj、ta、tv的值，其它未知量都可以用这三个时间参数表示；
第三步，根据上述公式计算结果，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
7.如权利要求6所述的一种电动汽车充电装置运动轨迹控制方法，其特征在于，充电头的运动过程分为七段，分别是匀加加速度段、匀加速度段、匀减加速度段、匀速度段、匀减加速度段、匀加速度段、匀加加速度段；
采用面积割补法，得到整个运动过程的计算公式：
Figure FDA0002933725980000031
其中：tj为匀加加速度时间，ta为匀加速度时间，tv为匀速度时间；
进而根据充电头移动过程中限制的最大加速度am，限制的最大速度vm，计算加加速度时间tj：
Figure FDA0002933725980000032
计算匀加速时间ta：
Figure FDA0002933725980000033
计算匀速时间tv：
Figure FDA0002933725980000034
通过上面的计算以后，三个关键参数tj、ta、tv全部被求出；
进而根据各个阶段的时间量，控制充电头移动到电动汽车充电口处。
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