CN112248835B - 一种充电机械臂控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电机械臂控制方法和系统。该控制方法和系统，根据采集得到的图像信息和车辆信息确定待充电汽车的充电口位置坐标后，再根据图像信息确定待充电汽车的位姿信息。然后，根据位姿信息确定待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标，进而能够得到待充电汽车的充电口的空间位置坐标；然后根据这一空间位置坐标将充电机械臂带动充电枪头移动至待充电汽车的充电口处。最后，根据充电口的图像信息更新空间位置坐标后，根据充电机械臂的结构参数和更新的空间位置坐标完成充电枪头与充电口的精确对接，以实现电动汽车的自动充电，进而能够充分挖掘充电装置的使用潜力，推进充电基础设施的合理布局，保障公共卫生安全。

Description

一种充电机械臂控制方法和系统

技术领域

本发明涉及机械臂控制领域，特别是涉及一种充电机械臂控制方法和系统。

背景技术

随着电动汽车的高速发展，充电桩的建设刻不容缓。而现有充电装置存在以下问题：目前充电装置普遍采用落地手动模式，需要依靠人工进行手动插拔充电枪，且仅能为临近的一辆或两辆电动汽车进行充电，使得充电设施利用率极低。

因此，提供一种能够充分挖掘充电装置的使用潜力，推进充电基础设施的合理布局，保障公共卫生安全，加快建设适度超前、布局合理、功能完善的自动化充电控制方法或系统是本领域亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够充分挖掘充电装置的使用潜力，推进充电基础设施的合理布局，保障公共卫生安全，加快建设适度超前、布局合理、功能完善的充电机械臂控制方法和系统，以实现电动汽车的自动充电。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种充电机械臂控制方法，包括：

获取车辆信息；所述车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与所述车型相对应的充电口位置坐标；所述轮廓数据包括车身的长、宽和高；

获取待充电汽车的图像信息；

根据所述图像信息和所述车辆信息确定所述待充电汽车的充电口位置坐标；

根据所述图像信息确定所述待充电汽车的位姿信息；所述位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度；

根据所述位姿信息确定所述待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标；

根据所述待充电汽车的充电口位置坐标和所述三极坐标确定所述待充电汽车的充电口相对于所述充电机械臂端部的空间位置坐标；

根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处；

获取所述待充电汽车的充电口的图像信息；

根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标；

获取充电机械臂的结构参数；所述结构参数包括：长度数据和转动角度数据；

根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接。

优选的，所述根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标，具体包括：

对所述充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图；

采用边缘检测算法提取所述灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图；

根据所述边缘二值图结合所述待充电汽车的充电口的形状确定所述充电口的中心坐标和图片中心坐标；

根据所述中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标；所述世界坐标即为新的空间位置坐标。

优选的，所述根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接，具体包括：

根据所述空间位置坐标和所述新的空间位置坐标确定坐标偏差值；

控制所述充电枪头根据所述坐标偏差值向所述充电口移动，使所述充电枪头正对所述充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时所述充电口的图像；

根据此时所述充电口的图像确定所述充电口的深度值；

根据所述深度值移动所述充电枪头以完成对接。

优选的，所述根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处，具体包括：

在所述充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像；

根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果；

若所述判断结果为存在障碍物，则获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与所述充电机械臂间的距离；

采用BP方法根据所述障碍物的轮廓尺寸以和所述障碍物与所述充电机械臂间的距离确定所述充电机械臂绕过所述障碍物的最短路径；

根据所述最短路径规划所述充电机械臂的运动路径；

若所述判断结果为不存在障碍物，则所述充电机械臂根据所述空间位置坐标所确定的运动路径运动。

对应于上述提供的充电机械臂控制方法，本发明还对应提供了两种充电机械臂控制系统。

其中一种充电机械臂控制系统，包括：

车辆信息获取模块，用于获取车辆信息；所述车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与所述车型相对应的充电口位置坐标；所述轮廓数据包括车身的长、宽和高；

第一图像信息获取模块，用于获取待充电汽车的图像信息；

充电口位置坐标确定模块，用于根据所述图像信息和所述车辆信息确定所述待充电汽车的充电口位置坐标；

位姿信息确定模块，用于根据所述图像信息确定所述待充电汽车的位姿信息；所述位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度；

三极坐标确定模块，用于根据所述位姿信息确定所述待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标；

第一空间位置坐标确定模块，用于根据所述待充电汽车的充电口位置坐标和所述三极坐标确定所述待充电汽车的充电口相对于所述充电机械臂端部的空间位置坐标；

运动路径规划模块，用于根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处；

第二图像信息获取模块，用于获取所述待充电汽车的充电口的图像信息；

第二空间位置坐标确定模块，用于根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标；

结构参数获取模块，用于获取充电机械臂的结构参数；所述结构参数包括：长度数据和转动角度数据；

对接模块，用于根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接。

优选的，所述第二空间位置坐标确定模块，具体包括：

灰度直方图确定单元，用于对所述充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图；

边缘二值图确定单元，用于采用边缘检测算法提取所述灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图；

中心坐标确定单元，用于根据所述边缘二值图结合所述待充电汽车的充电口的形状确定所述充电口的中心坐标和图片中心坐标；

空间位置坐标确定单元，用于根据所述中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标；所述世界坐标即为新的空间位置坐标。

优选的，所述对接模块，具体包括：

坐标偏差值确定单元，用于根据所述空间位置坐标和所述新的空间位置坐标确定坐标偏差值；

控制采集单元，用于控制所述充电枪头根据所述坐标偏差值向所述充电口移动，使所述充电枪头正对所述充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时所述充电口的图像；

深度值确定单元，用于根据此时所述充电口的图像确定所述充电口的深度值；

对接单元，用于根据所述深度值移动所述充电枪头以完成对接。

优选的，所述运动路径规划模块，具体包括：

图像采集单元，用于在所述充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像；

判断单元，用于根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果；

获取单元，用于当所述判断结果为存在障碍物时，获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与所述充电机械臂间的距离；

最短路径确定单元，用于采用BP方法根据所述障碍物的轮廓尺寸以和所述障碍物与所述充电机械臂间的距离确定所述充电机械臂绕过所述障碍物的最短路径；

第一运动路径规划单元，用于根据所述最短路径规划所述充电机械臂的运动路径；

第二运动路径规划单元，用于当所述判断结果为不存在障碍物时，根据所述空间位置坐标确定运动路径。

另一种充电机械臂控制系统，包括：摄像头、传感器、控制单元、电机驱动模块、充电机械臂驱动电机、充电机械臂、充电状态检测模块、控制箱体驱动电机和控制箱体；

所述摄像头的输出端、所述传感器的输出端和所述电机驱动模块的输出端均与所述控制单元的信号输入端连接；所述电机驱动模块的输入端与所述控制单元的输出端连接；所述电机驱动模块的输出端分别与所述充电机械臂驱动电机的输入端和所述控制箱体驱动电机的输入端连接；所述充电机械臂驱动电机的输出端与所述充电机械臂的输入端连接；所述充电机械臂与所述充电口对接充电；所述控制箱体驱动电机与所述控制箱体连接；

所述控制单元用于根据接收到的所述摄像头和所述传感器中的信息发送控制指令给所述电机驱动模块，所述电机驱动模块分别用于将控制指令发送给所述控制箱体驱动电机和所述控制箱体驱动模块；所述充电机械臂端部载有充电枪头，并通过所述充电枪头上的通讯接口将充电状态信息传输给所述充电状态检测模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的充电机械臂控制方法和系统，根据采集得到的图像信息和车辆信息确定待充电汽车的充电口位置坐标后，再根据图像信息确定待充电汽车的位姿信息。然后，根据位姿信息确定待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标，进而能够得到待充电汽车的充电口的空间位置坐标；然后根据这一空间位置坐标将充电机械臂带动充电枪头移动至待充电汽车的充电口处。最后，根据充电口的图像信息更新空间位置坐标后，根据充电机械臂的结构参数和更新的空间位置坐标完成充电枪头与充电口的精确对接，以实现电动汽车的自动充电，进而能够充分挖掘充电装置的使用潜力，推进充电基础设施的合理布局，保障公共卫生安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的充电机械臂控制方法的流程图；

图2为本发明提供的第一种充电机械臂控制系统的结构示意图；

图3为本发明提供的第二种充电机械臂控制系统的结构示意图；

图4为本发明实施例中所采用的自动充电装置的结构布置示意图；

图5为本发明实施例中所采用机械充电臂的结构示意图。

符号说明：

200-车辆信息获取模块，201-第一图像信息获取模块，202-充电口位置坐标确定模块，203-位姿信息确定模块，204-三极坐标确定模块，205-第一空间位置坐标确定模块，206-运动路径规划模块，207-第二图像信息获取模块，208-第二空间位置坐标确定模块，209-结构参数获取模块，210-对接模块，1-充电桩，2-充电线，3-桁架，4-支撑横臂，5-伺服电机②，6-控制箱，7-第一摄像头，8-伸缩式充电机械臂，9-待充电车辆，601-伺服电机③，8-伸缩式充电机械臂，801-充电线，802-电动推杆，803-第一中空旋转平台，804-旋转关节，805-伺服电机④，806-偏转关节，807-第二中空旋转平台，808-充电枪头，809-第二摄像头。

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做出创造性劳动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。

本发明的目的是提供一种能够充分挖掘充电装置的使用潜力，推进充电基础设施的合理布局，保障公共卫生安全，加快建设适度超前、布局合理、功能完善的充电机械臂控制方法和系统，以实现电动汽车的自动充电。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的充电机械臂控制方法的流程图，如图1所示，一种充电机械臂控制方法，包括：

步骤100：获取车辆信息。车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与车型相对应的充电口位置坐标。轮廓数据包括车身的长、宽和高。

步骤101：获取待充电汽车的图像信息。

步骤102：根据图像信息和车辆信息确定待充电汽车的充电口位置坐标。

步骤103：根据图像信息确定待充电汽车的位姿信息。位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度。

步骤104：位姿信息确定待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标。

步骤105：根据待充电汽车的充电口位置坐标和三极坐标确定待充电汽车的充电口相对于充电机械臂端部的空间位置坐标。

步骤106：根据空间位置坐标确定充电机械臂的运动路径，以使充电机械臂带动充电枪头移动至待充电汽车的充电口处。

该步骤具体包括：

在充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像。

根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果。

若判断结果为存在障碍物，则获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与充电机械臂间的距离。

采用BP方法根据障碍物的轮廓尺寸以和障碍物与充电机械臂间的距离确定充电机械臂绕过障碍物的最短路径。

根据最短路径规划充电机械臂的运动路径。

若判断结果为不存在障碍物，则充电机械臂根据空间位置坐标所确定的运动路径运动。

步骤107：获取待充电汽车的充电口的图像信息。

步骤108：根据充电口的图像信息更新空间位置坐标，得到新的空间位置坐标。该步骤具体包括：

对充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图。

采用边缘检测算法提取灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图。其中，边缘检测算法为基于梯度的边缘检测算法（包括Roberts算子、Sobel 算子、Prewitt 算子和canny算子等）、基于变换域的边缘检测算法（包括小波变换、多尺度几何分析、数学形态学变换和模糊理论等）以及基于智能计算的边缘检测算法（包括遗传算法、蚁群算法、人工鱼群、蜂群算法和神经网络等）中的任意一种。

根据边缘二值图结合待充电汽车的充电口的形状确定充电口的中心坐标和图片中心坐标。

根据中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标。世界坐标即为新的空间位置坐标。

步骤109：获取充电机械臂的结构参数。结构参数包括：长度数据和转动角度数据。

步骤110：根据结构参数和新的空间位置坐标完成充电枪头与待充电汽车的充电口的对接。

该步骤具体包括：

根据空间位置坐标和新的空间位置坐标确定坐标偏差值。

控制充电枪头根据坐标偏差值向充电口移动，使充电枪头正对充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时充电口的图像。

根据此时充电口的图像确定充电口的深度值。

根据深度值移动充电枪头以完成对接。

对应于上述提供的充电机械臂控制方法，本发明还对应提供了两种充电机械臂控制系统。

其中一种充电机械臂控制系统，如图2所示，包括：

车辆信息获取模块200，用于获取车辆信息。车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与车型相对应的充电口位置坐标。轮廓数据包括车身的长、宽和高。

第一图像信息获取模块201，用于获取待充电汽车的图像信息。

充电口位置坐标确定模块202，用于根据图像信息和车辆信息确定待充电汽车的充电口位置坐标。

位姿信息确定模块203，用于根据图像信息确定待充电汽车的位姿信息。位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度。

三极坐标确定模块204，用于根据位姿信息确定待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标。

第一空间位置坐标确定模块205，用于根据待充电汽车的充电口位置坐标和三极坐标确定待充电汽车的充电口相对于充电机械臂端部的空间位置坐标。

运动路径规划模块206，用于根据空间位置坐标确定充电机械臂的运动路径，以使充电机械臂带动充电枪头移动至待充电汽车的充电口处。

第二图像信息获取模块207，用于获取待充电汽车的充电口的图像信息。

第二空间位置坐标确定模块208，用于根据充电口的图像信息更新空间位置坐标，得到新的空间位置坐标。

结构参数获取模块209，用于获取充电机械臂的结构参数。结构参数包括：长度数据和转动角度数据。

对接模块210，用于根据结构参数和新的空间位置坐标完成充电枪头与待充电汽车的充电口的对接。

作为本发明的一优选实施例上述第二空间位置坐标确定模块208，具体包括：

灰度直方图确定单元，用于对充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图。

边缘二值图确定单元，用于采用边缘检测算法提取灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图。其中，边缘检测算法为基于梯度的边缘检测算法（包括Roberts算子、Sobel 算子、Prewitt 算子和canny算子等）、基于变换域的边缘检测算法（包括小波变换、多尺度几何分析、数学形态学变换和模糊理论等）以及基于智能计算的边缘检测算法（包括遗传算法、蚁群算法、人工鱼群、蜂群算法和神经网络等）中的任意一种。

中心坐标确定单元，用于根据边缘二值图结合待充电汽车的充电口的形状确定充电口的中心坐标和图片中心坐标。

空间位置坐标确定单元，用于根据中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标。世界坐标即为新的空间位置坐标。

作为本发明的另一优选实施例上述对接模块210，具体包括：

坐标偏差值确定单元，用于根据空间位置坐标和新的空间位置坐标确定坐标偏差值。

控制采集单元，用于控制充电枪头根据坐标偏差值向充电口移动，使充电枪头正对充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时充电口的图像。

深度值确定单元，用于根据此时充电口的图像确定充电口的深度值。

对接单元，用于根据深度值移动充电枪头以完成对接。

作为本发明的又一优选实施例上述运动路径规划模块206，具体包括：

图像采集单元，用于在充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像。

判断单元，用于根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果。

获取单元，用于当判断结果为存在障碍物时，获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与充电机械臂间的距离。

最短路径确定单元，用于采用BP方法根据障碍物的轮廓尺寸以和障碍物与充电机械臂间的距离确定充电机械臂绕过障碍物的最短路径。

第一运动路径规划单元，用于根据最短路径规划充电机械臂的运动路径。

第二运动路径规划单元，用于当判断结果为不存在障碍物时，根据空间位置坐标确定运动路径。

对应于上述控制方法的另一种充电机械臂控制系统，如图3所示，包括：摄像头、传感器、控制单元、电机驱动模块、充电机械臂驱动电机、充电机械臂、充电状态检测模块、控制箱体驱动电机和控制箱体。

摄像头的输出端、传感器的输出端和电机驱动模块的输出端均与控制单元的信号输入端连接。电机驱动模块的输入端与控制单元的输出端连接。电机驱动模块的输出端分别与充电机械臂驱动电机的输入端和控制箱体驱动电机的输入端连接。充电机械臂驱动电机的输出端与充电机械臂的输入端连接。充电机械臂与充电口对接充电。控制箱体驱动电机与控制箱体连接。

控制单元用于根据接收到的摄像头和传感器中的信息发送控制指令给电机驱动模块，电机驱动模块分别用于将控制指令发送给控制箱体驱动电机和控制箱体驱动模块。充电机械臂端部载有充电枪头，并通过充电枪头上的通讯接口将充电状态信息传输给充电状态检测模块。

其中，在本发明提供的上述方案中所采用的充电机械臂为柔性机械臂、刚性机械臂或刚柔耦合机械臂等具备伸缩特性的机械臂结构。所采用的摄像头可为单目、双目或RGB摄像头。

下面以图4和图5所示的充电装置和充电机械臂为例，对本发明上述提供的控制方法和控制系统的具体实施过程进行阐述，在具体应用时，本发明的方案也适用于其他充电装置和自动充电机械臂。

初始状态下，图4中的支撑横臂4位于X方向坐标最小处，控制箱6位于支撑横臂4的正中间位置，充电机械臂8的关节处于收缩状态，整个充电机械臂结构占用空间最小化，将此时充电机械臂端部与控制箱连接处平面的中心点定位整个装置的空间坐标原点（0，0，0），以此原点坐标对其他部件的空间位置进行表示。

其中，图5中的自动充电装置各部分结构的连接关系及作用如下：

充电桩1可根据环境条件安装在地面或者墙壁上等靠近桁架3的位置，内部布置有卷线装置，通过伺服电机①驱动实现充电线的缩放。表面的显示模块可显示充电情况等信息。

充电线2为常规的直流/交流充电线，一部分位于充电桩1内部，一部分沿桁架3及支撑横臂4布置，一部分位于伸缩式充电机械臂8内部，通过控制充电桩1内部的伺服电机①的工作使充电线适时缩放以匹配支撑横臂4、控制箱体6和伸缩式充电机械臂8的运动。

桁架3为立式桁架，主要用来实现支撑横臂4的运动。

支撑横臂4位于桁架3上，通过伺服电机5的驱动可在桁架上沿X方向运动，并布置有控制箱6。

伺服电机5位于支撑横臂4两侧与桁架3的结合处，用来实现支撑横臂4的运动。

控制箱6安装支撑横臂4上，可在支撑横臂上沿Y方向来回移动，箱体内部布置有：CPU处理器、RAM运行内存和SSD存储硬盘等一整套微型电脑设备（图5中未画出），用以存储信息并发送指令控制整个充电装置的运动。还可以布置有电路模块（电机驱动模块等，图5中未画出）、用以驱动控制箱6在支撑横臂上的移动的伺服电机601和电动推杆802。

第一摄像头7拟采用RGB-D摄像头，安装在控制箱体上，其具有视野范围广、具备图像识别技术等特点。

伸缩式充电机械臂8的端部与控制箱6固定连接，其内部中空，用于布置充电线和电动推杆等结构，头部安装有充电枪头，伸缩式充电机械臂8具体的结构形式如图5所示。其中，充电线801穿过控制箱6，沿机械臂的伸缩关节壁布置，并从最后一个关节穿出，绕过旋转关节从偏转关节处与充电枪头连接。

电动推杆802为市面已有产品，通过电机驱动与螺杆传动实现多节杆件的伸缩。电动推杆的端部固定在控制箱6内部，头部以及中间位置与机械臂伸缩关节连接，通过电动推杆的伸缩带动充电机械臂的关节实现伸缩。

第一中空旋转平台803为市面已有产品，由小型电机和减速机组成，可实现台面的转动，定子部分与机械臂伸缩关节连接，转子部分与旋转平台804连接。

旋转关节804与中空旋转平台804连接，可实现空间360°范围的旋转。

伺服电机805将旋转关节与偏转关节连接，定子部分固定在旋转关节内部，通过转子的转动带动偏转关节实现平面内的摆动。

偏转关节通过伺服电机805与旋转关节组合，通过摆动实现充电枪头的角度调整。

第二中空旋转平台807与803构造相同，定子部分连接偏转关节，转子部分连接充电枪头808。

充电枪头808采用标准的直流/交流充电接头，与第二中空旋转平台807的转子部分连接，可实现转动。

第二摄像头809安装在充电枪头前端位置，在运动过程中实时采集信息，用于充电口的准确定位和运动途中的障碍检测。

采用以上如图3所示的控制系统的控制架构实施本发明提供的控制方法的具体流程如下：

步骤1：待充电车辆停放在充电停车位。

步骤2：车辆充电口识别定位。

步骤3：充电机械臂与充电口自动对接。

步骤4：充电装置自检，开始充电。

具体地，步骤2中，车辆充电口识别定位的具体流程为：

步骤2.1、车辆充电口的初步定位：

步骤2.11、在控制单元的存储系统中预先录入市面上已有新能源汽车的信息，包括车型、车身的长宽高数据、相关图片、充电口（车辆的充电口包括快充、慢充，自动充电装置为快充或慢充其中一种，因此针对性输入快充/慢充充电口的数据）相对于车辆的三维坐标（u，v，w）（以车辆后轴中心为车辆坐标系原点，指向车头方向为U轴正向，指向左后轮方向为V轴正向，垂直地面向上为W轴正向）等，并实时更新该信息库，增加新上市车型的相关信息。

步骤2.12、当待充电车辆停放在停车位后，安装在控制箱体上的RGB-D摄像头拍摄车辆的图像信息，并将拍摄的图像与系统中存储的各车型车辆的图片进行特征对比，通过分类并提取重要特征，识别出车辆的型号，进而调取预存在步骤1中控制单元存储系统内的该车型车辆的信息，得到充电口的位置坐标（u，v，w）。

步骤2.13、根据步骤2.12中采集的图像，利用边缘检测算法如Canny算法获取图像的梯度图，得到车辆的位姿信息（车头车尾朝向、车身角度等），计算出车辆后轴中心相对于充电机械臂端部（定为空间坐标原点）的三极坐标（x1，y1，z1），结合步骤2.12中已知充电口相对于车辆坐标系的位置坐标（u，v，w）和车辆位姿，通过坐标转换，得到充电口相对于充电机械臂端部的空间位置坐标(x，y，z)。

步骤2.2、当充电机械臂带动充电枪头运动到靠近充电口位置时，机械臂停止运动，进行充电口的精确定位：

步骤2.21充电枪载摄像头采集充电口图像信息，并进行灰度化处理、直方图均衡等预处理过程，得到均衡化后的图像的灰度直方图。

步骤2.22、根据步骤2.21中的灰度直方图，利用边缘检测算法如canny算法对直方图进行轮廓提取，得到图像的边缘二值图。

根据步骤2.22中的边缘二值图，结合先验知识（充电口轮廓形状大致为圆形或方形），可确定图像中充电口的中心坐标（m，n）和图片中心坐标（m₀，n₀），并根据图像坐标系和世界坐标系的变换关系计算出充电口的新空间坐标和与原坐标偏差值。

根据步骤2.22中的偏差值，控制单元向驱动电机发送指令，充电枪头朝充电口移动并采集图像，获取图像中充电口平面的深度值，根据深度值的差异调整充电枪头的角度直至深度值一致，此时充电枪与充电口精确正对，机械臂继续运动，完成对接。

具体地，在步骤3中，机械臂的运动控制流程为：

控制单元根据步骤2中所得冲的充电口位置坐标信息（x，y，z）开始规划充电机械臂运动轨迹：

首先发送指令给电机驱动模块，控制箱6在伺服电机601的驱动下带动充电机械臂在支撑横臂4上沿Y方向移动（往Y正向或往Y负向取决于车辆充电口位于车辆的哪一侧，即坐标v的正负）。

支撑横臂4在伺服电机5的驱动下带动控制箱6和充电机械臂8沿X方向移动。

整个移动过程遵循先Y方向后X方向的顺序，并沿车位边界线移动（这一方案的目的是避免充电机械臂从车辆的上方通过，降低发生刮蹭的风险）。

当充电机械臂的X或Y坐标其中任意一个与充电口位置坐标（x，y，z）所对应的x或y坐标值相同，另一坐标值在200mm的偏差范围以内时停止运动，此时车辆充电口位置在充电枪头通过机械臂收放可到达的范围内。

充电机械臂从收缩状态开始伸长：

根据设计已知的伸缩式充电机械臂8、旋转关节804、偏转关节806和充电枪头808等结构的长度数据以及中第一空旋转平台803和第二空旋转平台807以及伺服电机805的转动角度，可以计算得到充电机械臂末端充电枪头808的初始位置坐标(x0，y0，z0)。

根据步骤2中得到的车辆充电口的位置坐标信息（x，y，z），控制单元发送信号控制电动推杆802工作，伸放长度为(z-150)mm，存在的偏差量通过旋转关节和偏转关节进行调整。

配合步骤2中充电口的定位过程，通过中第一空旋转平台803和第二空旋转平台807以及伺服电机805控制旋转关节804、偏转关节806以及充电枪头808的运动，可以调整充电枪头的角度与充电口匹配，在支撑横臂4、控制箱6和充电机械臂8在X、Y、Z三个方向自由度的运动配合下完成对接。

进一步，在步骤3中，充电机械臂的运动过程中可以实现避障，具体流程为：

充电枪头载有的摄像头在伸缩式充电机械臂8的运动过程中可实时采集运动路径前方的图像和距离信息。

若运动路径上存在障碍物，摄像头采集障碍物的图像信息，通过图像识别、边缘检测等方法，得到障碍物的轮廓尺寸数据。

根据所得障碍物的轮廓尺寸数据，计算机械臂轮廓与障碍物的距离，采用BP方法重新规划机械臂末端绕过障碍物到达充电口的最短路径（通过控制机械臂的X,Y,Z方向的移动实现）。

若无障碍物，则按预先规划的路径正常运动。

具体地，步骤4的具体流程为：

充电装置自检（充电枪头与充电口对接后电路接通，即可通讯检测、绝缘检测等充电必需步骤），若存在安全隐患，充电枪脱离并停止工作、反馈错误信息到控制中心，若无安全隐患，充电枪正常工作，开始为车辆充电，并通过CAN通讯实时传输充电状态到系统监控平台。

充电完成后，控制充电枪退出充电口，各结构回复到初始状态，完成本次充电工作。

综上，本发明提供的技术方案相对于现有技术还具有以下优点：

1、可以减少充电装置的占地面积：

悬吊式充电机械臂的设计，可减少的充电桩占地面积，提高充电装置的空间利用率。

2、可以提高资源利用率和充电效率：

自动化、智能化的充电机械臂的设计，可实现车辆的智能充电调度和自动充电，提高了充电枪的工作效率和资源利用率。

3、可以提高公共卫生安全：

自动化、智能化的充电机械臂减少了人体与公共充电装置的直接接触，提高了公共充电桩的安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种充电机械臂控制方法，其特征在于，包括：

获取车辆信息；所述车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与所述车型相对应的充电口位置坐标；所述轮廓数据包括车身的长、宽和高；

获取待充电汽车的图像信息；

根据所述图像信息和所述车辆信息确定所述待充电汽车的充电口位置坐标；

根据所述图像信息确定所述待充电汽车的位姿信息；所述位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度；

根据所述位姿信息确定所述待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标；

根据所述待充电汽车的充电口位置坐标和所述三极坐标确定所述待充电汽车的充电口相对于所述充电机械臂端部的空间位置坐标；

根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处；

获取所述待充电汽车的充电口的图像信息；

根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标；

获取充电机械臂的结构参数；所述结构参数包括：长度数据和转动角度数据；

根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接；

所述根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处，具体包括：

在所述充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像；

根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果；

若所述判断结果为存在障碍物，则获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与所述充电机械臂间的距离；

采用BP方法根据所述障碍物的轮廓尺寸以和所述障碍物与所述充电机械臂间的距离确定所述充电机械臂绕过所述障碍物的最短路径；

根据所述最短路径规划所述充电机械臂的运动路径；

若所述判断结果为不存在障碍物，则所述充电机械臂根据所述空间位置坐标所确定的运动路径运动。

2.根据权利要求1所述的充电机械臂控制方法，其特征在于，所述根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标，具体包括：

对所述充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图；

采用边缘检测算法提取所述灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图；

根据所述边缘二值图结合所述待充电汽车的充电口的形状确定所述充电口的中心坐标和图片中心坐标；

根据所述中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标；所述世界坐标即为新的空间位置坐标。

3.根据权利要求1所述的充电机械臂控制方法，其特征在于，所述根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接，具体包括：

根据所述空间位置坐标和所述新的空间位置坐标确定坐标偏差值；

控制所述充电枪头根据所述坐标偏差值向所述充电口移动，使所述充电枪头正对所述充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时所述充电口的图像；

根据此时所述充电口的图像确定所述充电口的深度值；

根据所述深度值移动所述充电枪头以完成对接。

4.一种充电机械臂控制系统，其特征在于，包括：

车辆信息获取模块，用于获取车辆信息；所述车辆信息包括新能源汽车的轮廓数据、车型以及与所述车型相对应的充电口位置坐标；所述轮廓数据包括车身的长、宽和高；

第一图像信息获取模块，用于获取待充电汽车的图像信息；

充电口位置坐标确定模块，用于根据所述图像信息和所述车辆信息确定所述待充电汽车的充电口位置坐标；

位姿信息确定模块，用于根据所述图像信息确定所述待充电汽车的位姿信息；所述位姿信息包括：车辆头尾朝向和车身角度；

三极坐标确定模块，用于根据所述位姿信息确定所述待充电汽车的后轴中心相对于充电机械臂端部的三极坐标；

第一空间位置坐标确定模块，用于根据所述待充电汽车的充电口位置坐标和所述三极坐标确定所述待充电汽车的充电口相对于所述充电机械臂端部的空间位置坐标；

运动路径规划模块，用于根据所述空间位置坐标确定所述充电机械臂的运动路径，以使所述充电机械臂带动充电枪头移动至所述待充电汽车的充电口处；

第二图像信息获取模块，用于获取所述待充电汽车的充电口的图像信息；

第二空间位置坐标确定模块，用于根据所述充电口的图像信息更新所述空间位置坐标，得到新的空间位置坐标；

结构参数获取模块，用于获取充电机械臂的结构参数；所述结构参数包括：长度数据和转动角度数据；

对接模块，用于根据所述结构参数和所述新的空间位置坐标完成所述充电枪头与所述待充电汽车的充电口的对接；

所述运动路径规划模块，具体包括：

图像采集单元，用于在所述充电机械臂的运动过程中通过摄像头实时采集图像；

判断单元，用于根据所采集的图像判断是否存在障碍物，得到判断结果；

获取单元，用于当所述判断结果为存在障碍物时，获取所采集图像中的障碍物的轮廓尺寸以及障碍物与所述充电机械臂间的距离；

最短路径确定单元，用于采用BP方法根据所述障碍物的轮廓尺寸以和所述障碍物与所述充电机械臂间的距离确定所述充电机械臂绕过所述障碍物的最短路径；

第一运动路径规划单元，用于根据所述最短路径规划所述充电机械臂的运动路径；

第二运动路径规划单元，用于当所述判断结果为不存在障碍物时，根据所述空间位置坐标确定运动路径。

5.根据权利要求4所述的充电机械臂控制系统，其特征在于，所述第二空间位置坐标确定模块，具体包括：

灰度直方图确定单元，用于对所述充电口的图像信息进行预处理，得到灰度直方图；

边缘二值图确定单元，用于采用边缘检测算法提取所述灰度直方图的轮廓，得到边缘二值图；

中心坐标确定单元，用于根据所述边缘二值图结合所述待充电汽车的充电口的形状确定所述充电口的中心坐标和图片中心坐标；

空间位置坐标确定单元，用于根据所述中心坐标和图片中心坐标确定充电口的世界坐标；所述世界坐标即为新的空间位置坐标。

6.根据权利要求4所述的充电机械臂控制系统，其特征在于，所述对接模块，具体包括：

坐标偏差值确定单元，用于根据所述空间位置坐标和所述新的空间位置坐标确定坐标偏差值；

控制采集单元，用于控制所述充电枪头根据所述坐标偏差值向所述充电口移动，使所述充电枪头正对所述充电口，并采用充电枪头上载有的摄像头采集此时所述充电口的图像；

深度值确定单元，用于根据此时所述充电口的图像确定所述充电口的深度值；

对接单元，用于根据所述深度值移动所述充电枪头以完成对接。

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