CN113511087B - 一种无人驾驶汽车自动化充电系统及充电对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶汽车自动化充电系统及充电对接方法，该系统分为汽车端充电接口姿态检测调整装置、充电桩端空间坐标获取装置和对接执行装置；车辆进入充电区域后，车充口通过陀螺仪和激光测距传感器来检测其自身姿态，而后通过三轴云台调整其姿态适配充电桩；车充口姿态调整过后，主动垂直发射一束激光到充电桩端的激光接收屏幕上，并再次启动激光测距测量与充电桩间的距离数据，通过近场通信传输给充电桩；至此，充电桩可成功得到车充口相对充电桩原点的准确三维空间坐标x、y、z的具体数值，而后通过充电桩端的对接执行装置根据所获三维空间坐标进行对接充电。本发明具有低成本和高环境适应性的优点，降低了自动化充电桩端的硬件成本。

Description

一种无人驾驶汽车自动化充电系统及充电对接方法

技术领域：

本发明涉及汽车充电技术领域，具体涉及一种无人驾驶汽车自动化充电系统及充电对接方法。

背景技术：

在各国政府的大力推进下，具有自动驾驶功能的电动汽车的商业化进程已经基本完成，各式各样的搭载自动驾驶系统的电动汽车已经大量出现在汽车市场中，并且其普及程度也正以非常快的速度提高。在电驱动与无人驾驶两项技术加持的汽车的使用场景下，汽车的公共配套设施也因为其无人驾驶的特性而提出了更高的要求。无人驾驶汽车的定义则是无需人为干预，因此电动汽车充电过程的无人化、自动化就成为了实现全自动化无人驾驶必须具备的前提条件。未来为实现电动汽车的快速充电，充电桩较高的功率、电压，极有可能对人体造成伤害，因此充电过程无人化则很大程度上避免了这样的安全问题。因此作为电动汽车基础设施建设的重中之重——充电桩，就在未来的无人的使用场景下需要拥有对汽车充电口进行定位，自动寻找车辆充电口并进行对接充电的功能。

充电口的位姿定位是自动充电过程中的关键环节，目前的自动充电系统依赖于视觉定位技术来实现位姿定位，如公布号为CN109910665A的发明专利就公开了一种新能源汽车的充电接口自动对接装置，该专利就是采用视觉定位技术。虽然视觉定位系统探测范围广、获得的信息完整并且定位精度高，但是其存在配置成本高、对处理器要求高、图像处理算法复杂以及在雨雾天气下易产生错误等弊端。因此，开发一种成本低、可靠性好且精度较高的位姿定位方式对促进电动汽车自动充电技术的发展具有重要意义。

因此，为解决上述技术问题，确有必要集中于未来可能存在的应用场景而设计出的一套面向无人驾驶汽车的低成本、高环境适应性的自动充电的解决方案，从而推进无人驾驶汽车的普及进程，本案由此而生。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种成本低廉、环境适应度高、系统可靠性高的无人驾驶电动汽车自动化充电系统，其利用纯物理量传感器和简单算法对自动化充电桩该基础设施进行设计，通过车桩共同协作的方式完成电动汽车的自动化充电对接操作。该种方案不光解决了车充口在一定范围内姿态难以确定的问题，同时在充电桩对车充口进行空间位姿确认的工作流程中让汽车端承担了更多的任务，使其进行主动姿态调整并通过激光信号和近场通信来提供自身空间位置信息。该种方案极大的减轻了自动化充电桩端在对接过程中的工作压力，降低了其硬件成本。

为了实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

一种无人驾驶汽车自动化充电系统，包括安装在汽车端的充电接口姿态检测调整装置、设置在充电桩端的空间坐标获取装置以及对接执行装置；所述充电接口姿态检测调整装置包括三轴云台、安装在三轴云台上的三个舵机、充电接口、蓝牙通信模块，充电接口上安装用于测量俯仰角和横滚角的陀螺仪，充电接口上安装用于测量充电接口至充电桩距离的激光测距传感器，充电接口中心设有激光发射器；所述空间坐标获取装置包括垂直于地面的激光接收矩阵屏幕、单片机以及蓝牙通信模块，激光接收矩阵屏幕包括若干对所在点位坐标进行编码的激光接收管，激光发射器向激光接收矩阵屏幕发射激光，被激光照射到的点位上激光接收管会向单片机反馈所处位置坐标，充电接口至充电桩的距离坐标由激光测距传感器测量获得并通过蓝牙通信模块传输至单片机；所述对接执行装置包括沿丝杆水平移动的步进电机滑台、安装在滑台上的六自由度机械臂、控制机械臂的舵机、安装在机械臂顶部的充电头，单片机根据获取的充电接口空间坐标控制对接装置中的充电头与充电接口对接。

进一步，所述充电接口空间坐标系的建立是以XOZ平面与地面水平、XOY平面与充电桩竖直面水平而构建。

进一步，所述充电接口的俯仰角和横滚角解算采用四元数法。

进一步，所述激光测距传感器设置两个，分别位于充电接口端面的两侧，计算两个激光测距传感器测量的距离差d1和d2，按下述公式计算出偏移角度进而利用舵机进行调整，L表示两个激光测距传感器激光测距点间的距离：

α_偏移＝tan^-1{(d1-d2)/L}。

进一步，所述充电接口的姿态调整需先调整XY、YZ方向，使得充电接口XOZ平面与地面水平，然后启动激光测距传感器进行XZ方向姿态调整，XY、YZ方向调整不分先后。

进一步，所述对接执行装置在执行对接时，机械臂先沿Y轴方向转动，然后滑台沿X轴方向调整到位，令机械臂顶部的充电头与汽车端充电接口的X、Y方向对准，最后控制充电头沿Z方向对插。

进一步，所述充电头沿Z方向对插分两步进行，第一步对插至离充电接口预留一段距离处停止，充电桩通过蓝牙通信模块向汽车端发送位置验证请求，汽车端充电接口中心的激光发射器发射激光，安装在机械臂顶部的充电头上的激光接收器接收到激光信号后反馈单片机，单片机再控制机械臂完成第二步对插至充电接口上。

进一步，所述充电头设计为楔形结构公头，充电接口端设计为楔形结构母头。

进一步，所述充电头与机械臂顶部之间通过十字滑块连接，充电头底部开设滑槽，机械臂顶部开设滑槽，十字滑块通过弹簧和轴安装在滑槽中。

进一步，所述舵机采用DS3115MG数字舵机。

进一步，所述激光测距传感器采用VL53L0X模块。

进一步，所述陀螺仪采用MPU6050模块。

进一步，所述蓝牙通信模块采用HC-05模块。

本发明还公开一种无人驾驶汽车自动充电对接方法，包括以下步骤：

步骤1：汽车端车充口姿态检测及调整，具体方法如下：

(1.1)车辆行驶至充电桩前停稳后，车充口通过陀螺仪检测自身对地姿态并通过云台上的舵机进行补偿调整；

(1.2)启动车充口上的激光测距传感器，测量车充口至充电桩的距离，根据测量结果进行补偿调整；

步骤2：充电桩端获取车充口的三维空间坐标，具体方法如下：

(2.1)车充口完成姿态调整后，车充口向充电桩端的激光接收矩阵屏幕发射激光，激光接收矩阵屏幕逐行扫描各激光接收点位的电平状态以获取车充口所处位置x、y方向坐标；

(2.2)车充口的激光测距模块再次启动测距，并将最后一次测得的距离数据发送给充电桩端，充电桩端接收所发来数据以获取车充口所处位置z方向坐标，并计算出一个充电对接验证位置z方向坐标z0，z0数值小于z；

步骤3：充电自动化对接：

(3.1)充电桩端的控制芯片通过计算将所获取的车充口x方向坐标转化为相应PWM脉冲信号，进而控制步进电机滑台到达x方向指定位置；

(3.2)充电桩端的控制芯片将所获取的车充口y方向坐标以及充电对接验证位置z方向坐标z0进行逆运动学解算以获得机械臂各关节舵机对应PWM脉冲信号，进而控制机械臂末端的充电头到达对接操作验证位置z0处停止；

(3.3)车充口内的激光发射器向充电桩方向再次垂直发射一束激光，若充电头内激光接收管接收到该束激光，则控制机械臂末端的充电头完全插入车充口内；若充电头内激光接收管未接收到该束激光，则结束该次对接任务重新获取车充口三维空间坐标以准备下一次对接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明通过车充口主动式调整方案利用1枚陀螺仪、两枚激光测距传感器和三轴云台解决了汽车任意角度停放时的车充口姿态确定问题，同时使汽车这一高端自动化产品在充电口自动对接任务中承担主要运算任务，减轻了作为基础设施的充电桩端的运算负担，降低了自动化充电桩建设成本。

2.本发明充电桩端通过自主设计的激光接收屏幕模块此纯物理量传感器硬件得到车充口的x、y方向坐标，通过近场通信接收汽车端发来的z方向坐标的方式，即可完全获取车充口的空间坐标位置，降低了充电桩端对控制芯片的性能要求和硬件成本。

3.本发明利用了十字滑块容错度楔形充电头来补偿空间坐标获取时的误差，该种方案可以一定程度上降低对对接执行机构的精度要求，降低成本，同时提高对接的成功率。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为本发明实施例中汽车端充电接口姿态检测调整装置结构示意图；

图2为图1另一角度的示意图；

图3为充电桩端的空间坐标获取装置以及对接执行装置正面结构示意图；

图4为图3另一角度的示意图；

图5为汽车端硬件结构的电路原理图；

图6为充电桩端激光接收矩阵屏幕信号接收板的电路原理图；

图7为充电桩端激光接收矩阵屏幕信号调理板的电路原理图；

图8为空间坐标获取装置及对接执行装置硬件结构电路图；

图9为汽车端软件流程图；

图10为充电桩端软件流程图。

具体实施方式：

本实施例公开一种无人驾驶汽车自动化充电系统，硬件结构由三大功能块组成，即安装在汽车端的充电接口姿态检测调整装置、设置在充电桩端的空间坐标获取装置以及对接执行装置。下面将结合图1至图4对上述三大功能块的具体结构进行详细介绍。

充电接口姿态检测调整装置的具体实施，是采用三台DS3115MG数字舵机1～3(PWM波控制占空比以控制角度)以及其匹配的舵机支架组成一个由三台舵机控制的三轴云台将车充口架起。整个装置通过汽车安装板8安装在汽车端侧面处。三个舵机1～3的旋转轴应当互相垂直并且交于同一点，并将车充口的几何中心与该交点重合。云台的三个方向(xy、xz、yz)调整有顺序要求，因此在云台的舵机布置时应当给予考虑。从三轴云台的底座向上数，第一级舵机1和第二级舵机2应当分别设置为调整车充口的俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)的方向(这两个方向xy、yz调整无先后顺序要求)。第三级舵机3设置为调整车充口的xz方向姿态调整，以使得车充口的xOy平面与充电桩面向汽车的端面平行的方向。陀螺仪6安装在充电口4的顶部，采用MPU6050传感器(IIC通信)，激光测距传感器5采用两个VL53L0X型号基于TOF原理的激光测距传感器(多设备IIC总线通信)水平对称设置在充电口4的左右两端。蓝牙通信模块7选择HC-05型号蓝牙通信模块，安装在充电口内中心处的激光发射器9选取普通的5V激光发射头，并通过单片机IO口控制继电器通断的方式间接进行控制(若在实际工况中需要避免环境光和其他光信号的干扰，可以对激光发射头发射的激光进行调制，并在充电头以及激光接受矩阵中相应的激光接收管也进行相应调制信号接收的设计)。汽车端的硬件结构电路接线见附图5。

因为车在驶入充电位置时难以保证其位置和姿态的确定性(大致方向确定但有一定偏差)，因此为完成后续空间坐标获取的准确性并且方便最终物理接口对接，车充口要实现三方向(xy、xz、yz)姿态的调整以对准充电桩。其中xy、yz方向为对地调整项，调整目的为使得车充口xOz平面与地面水平(充电桩建设时也与地面完全水平)，而xz方向为相对充电桩的调整项，调整目的为使得充电口xOy平面与充电桩竖直端面水平，这样就完成了车载充电接口的姿态调整过程。

其中xy、yz方向因为是对地调整项，因此这里采用了陀螺仪6测量车充口的俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)的具体角度并且通过云台中相应两舵机进行校正即可。俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)的具体角度的解算方法，这里采用四元数法，因为四元数法只求解四个未知量的线性微分方程组，计算量小，易于操作，是比较实用的工程方法，同时比较容易进行程序的编写。

而xz方向因为是相对充电桩的姿态调整，因此需要一个可以感知车充口与充电桩间的姿态的传感器，并且通过云台中相应方向的一舵机进行校正。因此本实施例利用激光测距来进行最后一步的姿态调整的方案，即：利用两个对称放置的激光测距传感器5测量其分别到充电桩竖直平面的距离为d1和d2，两激光测距传感器5之间激光测距点间的距离为L，利用下式计算出偏移角α_偏移：

α_偏移＝tan^-1{(d1-d2)/L}。

通过计算其距离差并且通过反三角函数来计算出偏移角度进而利用相应舵机进行调整。其中必须要强调的是，xy、xz、yz三个方向的调整的先后顺序非常重要，必须先调整xy、yz方向(这两个方向无先后顺序)，使得车充口xOz平面与地面水平，这时启动激光测距后经过计算的偏移角度才是正确的。

陀螺仪6负责xy、yz方向偏移角度测量，激光测距传感器5负责xz方向计算偏移角度所需的数据测量。通过这三枚传感器，xy、xz、yz三个方向的偏移角度都可以具体的得出，并可通过三个相应云台舵机按顺序补偿调整。因此无论汽车停放的角度如何，地面的倾斜角度如何，车充口都可以通过以上步骤调整以适应充电桩。

陀螺仪6输出角度后通过简单的数学运算即可得出对应舵机补偿操作比较值：

roll0＝roll*1900/180+1500

pitch0＝pitch*1900/180+1500

roll0、pitch0即为相应方向舵机应该调整角度的比较值。利用定时器函数通过将相应方向舵机比较值更新为roll0和pitch0即可实现车充口xy和yz方向的偏移补偿调整。通过简单的数学运算并且用flag作为方向标志位即可实现-90度到90度内任意角度的调整。

设置在充电桩端的空间坐标获取装置及对接执行装置：主要分为三部分，一是通过激光接收矩阵屏幕11完成车充口X、Y方向坐标的获取，二是与车辆间之间的通信和信息交互确认以获得车充口完整的三维空间坐标并且保证对接过程的安全可靠性，三是控制对接执行装置实现物理接口的对接。充电桩端整体结构示意图见附图3和图4所示。

为获取汽车端充电接口的空间坐标，需要一激光接收矩阵传感器来接收车充口的姿态调整完成之后竖直发射向充电桩的激光，以此来确定车充口相对充电机械臂原点的空间x，y方向坐标。但市场上并没有可以契合此功能的激光接收矩阵功能模块，因此，本发明自主设计了一块激光接受矩阵屏幕11，通过PCB设计其电路，通过逻辑芯片、激光接收管以及软件实现其功能。激光接受矩阵屏幕11通过在每个固定距离的单位点位安装一个激光接收管，并且对每个点位的激光接收管坐标进行编码(附属其x，y方向坐标，使每个点位带有自身坐标的信息)，被激光照射到的点位会向单片机返回其自身所处位置的x，y方向坐标信息，通过最直接简单可靠的方式对车充口进行x，y方向定位。Z方向坐标获取则需要车充口姿态调整后再次测量车充口到充电桩间的垂直距离，并且通过蓝牙通信模块7传输到充电桩端的单片机内。因此充电桩及车充口两终端则需要各一块蓝牙通信芯片，充电桩端的蓝牙通信模块12设置在激光接收矩阵屏幕11的竖直框架16上，激光接收矩阵屏幕11上方还设有人机交互屏幕10。

激光接收矩阵屏幕11是核心部分，整体的设计思路即通过激光接收管的矩阵式布置来实现激光的接收(被激光射中的激光接收管会发生电平的跳变)，通过软件对每个激光接收管赋予其所处的位置信息，而后通过单片机对所有激光接收管信号线上信号的获取而确定被射中的激光接收管的位置。基于现实考虑激光接收矩阵屏幕11中的激光接收管数量较多，若单独接收信号则非常浪费单片机资源，为节省IO口，单片机对激光接收管的信号获取方式采用逐行扫描的形式来实现。激光接收管这里选择了IS0103型号激光接收管，该型号接收管通过其内置的施密特放大电路将激光的光信号转变为可被控制芯片识别的电信号，其灵敏度高、电平转换速度快的特性符合该模块的硬件设计要求。采用74HC4051D八选一多路选择器芯片对各列激光接收管信号进行调理输出。多路选择器芯片的数字控制端(S0-S2)的供电引脚VCC和GND分别连接单片机5V和GND(若外接电源应将该电源与单片机共地)，因该硬件所设计皆为数字量，因此多路选择器芯片VEE引脚接地。将激光接收矩阵屏幕11每一列的激光接收管应用电路的信号输出端依次连接到该列所对应的74HC4051D八选一多路选择器芯片的信号输入端Y0-Y7，并通过单片机控制数字控制端的四个引脚(E^-、S2、S1、S0)的高低电平组合，来实现该模块输出口OUTPUT PORT行依次选通，从而通过软件实现逐行扫描。该种方式将各行信号线支路间完全隔离，从而实现可靠的位置坐标返回功能。在激光接收矩阵屏幕11前端加装了一个激光隔离网格以防止各点位间激光接收干扰，并在网格前端插入透明磨砂亚克力板以使得激光接收矩阵屏幕11表面平整。激光接收矩阵屏幕11信号接收板的电路原理图见附图6。激光接收矩阵屏幕11信号调理板的电路原理图见附图7。

上述对车充口进行空间位置获取，既没有用到复杂且环境适应性较弱的机器视觉，也没有复杂的算法以及高性能的控制芯片，甚至用更低成本的PLC也可完成全部的空间位置获取功能，仅仅用基础的物理传感器的适当组合即达到了稳定可靠且低成本的空间位置获取的目标。

对接执行装置主要由三部分组成，即：步进丝杆滑台、六自由度机械臂14及自主设计的容错式楔形充电头13。步进丝杆滑台主要包括步进电机15、丝杆19、滑块18，六自由度机械臂14安装在滑块18顶部，容错式楔形充电头13安装在六自由度机械臂14顶部，整个装置安装在矩形水平底座框架17上。其中，X方向调整部分由单片机作为控制板控制步进电机驱动板TB6600，从而驱动步进丝杆滑台实现X方向位置的调整。Y、Z方向位置调整则靠六自由度机械臂14实现，该机械臂通过一3D打印连接件固定在丝杆滑台的滑块18上，机械臂14的x轴与滑台的x轴平行且位于其正上方，该机械臂14由五个数字舵机组成，且由舵机驱动板控制。

由于位置获取硬件系统(激光接收矩阵屏幕、激光测距传感器)和对接执行硬件系统(滑台、机械臂)的精度限制，在执行机构执行对接任务的最后一步(充电头插入车充口)时并不能保证可以精确的使充电头和车充口的位置百分之百的匹配，可能会存在5mm以内的微小误差，此时楔形充电口的设计则可以完美的解决这一问题。楔形接口因前后端尺寸不相同，因此即使对接时车充口和充电头之间有一些偏差，只要偏差不大，充电口楔型接头的公头的前端还是可以进入车充口的。当楔型接头公头的前端开始进入车充口的楔型接头母头后，接口两端的任意一端若有一定的平移自由度，则可以实现最终完全匹配的完美对接，成功的补偿了位置获取硬件系统和对接执行硬件系统因精度受限所带来的微小误差。

不过楔形的角度设计时应该考虑误差的范围，为保证系统的合理性，楔形的长边L_长和短边L_短之间差的绝对值应大于最大位置误差X_误差max的两倍，即：L_长-L_短＞2X_误差max，这样才可以保证楔形接口的设计可以完全补偿位置误差。但是一般现有的充电接口并没有平移自由度，因此充电接口需要进行重新设计。充电接口的公头或者母头需要增加一个使得充电接口任意一端有一定容错度(平移自由度)的机械结构才可以完成对接时的位置误差补偿。这里发明人选择改造充电桩一端的公头。事实上，对接问题在机械传动设备中经常遇到，当两轴需要相连时，为补偿两轴同轴度的微小误差经常使用十字滑块联轴器来解决该问题。仿照十字滑块联轴器的原理，设计出一套十字滑块容错度接头，通过在两个方向上设置滑槽加上弹簧和轴，在接头和机械臂末端之间加入一个十字滑块20来使得充电口有一定的平移自由度，从而当楔形接头公头的前端进入充电接口母头后可以进行微小的位置调整，以使得公母头可以完全对接贴合。通过该十字滑块20在两垂直方向滑槽内，在弹簧光轴的限制下滑动，可实现楔形充电头前端在进入车充口后顺势在X、Y方向微小滑动以做调整的功能，在每个滑块的滑槽内两端对称放置两个弹力大小和形状尺寸完全相同的弹簧，则可以保证在对接完成后充电口可以自动恢复初始位置，以使得每次对接充电头都可以以同样的初始状态进行调整以保证对接成功。

为实现对接执行装置的对接功能，激光接收矩阵屏幕11返回坐标数据到单片机之后，单片机进行数据的简单处理过后，机械臂14和滑台将先对自身的初始位置进行检测以及限位检测，检测未发生错误后，机械臂14将沿充电桩y轴方向转动而做好对接的准备姿态(该步骤为保证滑台调整机械臂的x方向位置时，机械臂不会与充电桩其他构件发生碰撞)，而后丝杆滑台将进行x方向位置调整，最终机械臂执行机构将移动到预定的x坐标位置，至此x方向对接位置调整已完成。x方向对接位置调整完成后，机械臂“y转动”方向自由度锁定(为简化算法设计，简化逆运动学解算过程，提高对接精度)，此时单片机已经将激光接收矩阵屏幕11返回到单片机的y、z方向坐标数据，通过二维的逆运动学解算算法得到了机械臂各关节舵机或电机应该转动的角度，因此可以非常容易地控制机械臂执行到相应位置。当然，因为充电头和车充口的物理对接过程肯定不是一步到位的，并且在执行过程中应当有车充口和充电桩的相互位置确认过程，才可以保证对接的最后一步(充电头插入车充口)顺利安全的完成。因为对接的最后一步(插入步骤)是执行机构z方向的移动。因此机械臂在y、z方向的移动过程中，会先根据汽车车充口到充电桩的距离调整执行机构第一步执行时充电头所到达的z方向坐标，一般会使得充电口与车充头的x、y方向对准，但z方向仍有一段距离(单片机将保存该数值)。

此时汽车端会接收到充电桩通过蓝牙通信模块12发送过来的位置验证请求信号，并且控制车充口中心位置的激光发射器9射出一束激光。若充电头上的激光接收器接收到了汽车端发出的位置确认激光信号，则机械臂执行第二步(插入步骤)，将上一步单片机保存的z方向剩余距离通过机械臂进行执行并完成最终对接任务。

空间坐标获取装置及对接执行装置的硬件设计电路图如图8所示。软件部分为获取车充口X、Y方向坐标，激光接收矩阵屏幕11将执行扫描函数逐行扫描。单片机将其控制端的四个引脚(E^-、S2、S1、S0)根据激光接收模块逻辑功能表(表1)中的描述，从第一行检测到第八行。通过先根据激光接收模块逻辑功能表确定要扫描的行的E^-、S2、S1、S0四个引脚的值并进行置位操作，而后读取其信号输出端(OUTPUT PORT)18位对应单片机IO口的电平状态即可。在该系统中设置为1-8行顺序循环扫描，利用ROW变量在对应行的扫描中程序段中获取Y方向坐标，利用COLUMN变量在逐行扫描程序段中获取列方向坐标，其中为程序执行的高效性采用条件判断方式，若进行1-8行的顺序循环扫描中，任意行程序段中COLUMN变量不为0则证明任务完成，跳出循环并返回ROW变量给全局变量y，返回COLUMN给全局变量x，并存放在坐标数组Pos[]X、Y方向坐标对应位置。X、Y方向空间坐标得到，功能完成。Y、Z方向位置由六自由度机械臂14进行调整，其对接过程分为两步但其原理相同，只不过Z方向坐标在第一步操作时不会完全到达预定的最终位置，而是根据实际情况留出一定距离L1，因此第一步即为控制机械臂到达(X_final，Y_final，Z_final-L₁)，第二步则在激光接收管接收到电平跳变后执行，将充电头移动到达最终车充口空间坐标位置(X_final，Y_final，Z_final)。该两步的实现都是先根据每一步设定的Y、Z方向坐标通过逆运动学解算得到机械臂末3个舵机需要执行的角度，再通过数学运算得到对应角度的脉冲宽度，利用修改各舵机的函数中的脉冲宽度控制入口参数进行执行。

表1：激光接收模块逻辑功能表

H＝高电平

L＝低电平

X＝任意值

在执行充电对接功能的软件流程设计上，汽车端软件流程如图9所示，充电桩端软件流程如图10所示。

利用上述无人驾驶汽车自动化充电系统进行自动充电对接的方法，概括说明如下：

步骤1：汽车端车充口姿态检测及调整，具体方法如下：

(1.1)车辆行驶至充电桩前停稳后，车充口通过陀螺仪检测自身对地姿态并通过云台上的舵机进行补偿调整，车充口姿态对地调整结束；

(1.2)车充口姿态对地调整结束后，启动车充口上的激光测距传感器，并通过测得距离差进行简单计算后得到需补偿角度，由对应方向舵机进行补偿调整以适应充电桩，车充口姿态调整结束；

步骤2：充电桩端获取车充口的三维空间坐标，具体方法如下：

(2.1)车充口完成姿态调整后，车充口内的激光发射器向充电桩端的激光接收矩阵屏幕发射激光，激光接收矩阵屏幕逐行扫描各激光接收点位的电平状态以获取车充口所处位置x、y方向坐标；

(2.2)车充口的激光测距模块再次启动测距，并将最后一次测得的距离数据发送给充电桩端，充电桩端接收所发来数据以获取车充口所处位置z方向坐标，并根据充电桩的实际情况计算出一个充电对接验证位置z方向坐标z0，z0数值小于z；

步骤3：充电自动化对接：

(3.1)充电桩端的控制芯片通过计算将所获取的车充口x方向坐标转化为相应PWM脉冲信号，进而控制步进电机滑台到达x方向指定位置；

(3.2)充电桩端的控制芯片将所获取的车充口y方向坐标以及充电对接验证位置z方向坐标z0进行逆运动学解算以获得机械臂各关节舵机对应PWM脉冲信号，进而控制机械臂末端的充电头到达对接操作验证位置z0处停止；

(3.3)车充口内的激光发射器向充电桩方向再次垂直发射一束激光，若充电头内激光接收管接收到该束激光，则控制机械臂末端的充电头完全插入车充口内；若充电头内激光接收管未接收到该束激光，则结束该次对接任务重新获取车充口三维空间坐标以准备下一次对接。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：包括安装在汽车端的充电接口姿态检测调整装置、设置在充电桩端的空间坐标获取装置以及对接执行装置；所述充电接口姿态检测调整装置包括三轴云台、安装在三轴云台上的三个舵机、充电接口、蓝牙通信模块，充电接口上安装用于测量俯仰角和横滚角的陀螺仪，充电接口上安装用于测量充电接口至充电桩距离的激光测距传感器，充电接口中心设有激光发射器；所述空间坐标获取装置包括垂直于地面的激光接收矩阵屏幕、单片机以及蓝牙通信模块，激光接收矩阵屏幕包括若干对所在点位坐标进行编码的激光接收管，激光发射器向激光接收矩阵屏幕发射激光，被激光照射到的点位上激光接收管会向单片机反馈所处位置坐标，充电接口至充电桩的距离坐标由激光测距传感器测量获得并通过蓝牙通信模块传输至单片机；所述对接执行装置包括沿丝杆水平移动的步进电机滑台、安装在滑台上的六自由度机械臂、控制机械臂的舵机、安装在机械臂顶部的充电头，单片机根据获取的充电接口空间坐标控制对接装置中的充电头与充电接口对接；

所述激光测距传感器设置两个，分别位于充电接口端面的两侧，计算两个激光测距传感器测量的距离差d1和d2，按下述公式计算出偏移角度进而利用舵机进行调整，L表示两个激光测距传感器激光测距点间的距离：

α_偏移＝tan^-1{(d1-d2)/L}。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口空间坐标系的建立是以XOZ平面与地面水平、XOY平面与充电桩竖直面水平而构建。

3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口的俯仰角和横滚角解算采用四元数法。

4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口的姿态调整需先调整XY、YZ方向，使得充电接口XOZ平面与地面水平，然后启动激光测距传感器进行XZ方向姿态调整，XY、YZ方向调整不分先后。

5.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述对接执行装置在执行对接时，机械臂先沿Y轴方向转动，然后滑台沿X轴方向调整到位，令机械臂顶部的充电头与汽车端充电接口的X、Y方向对准，最后控制充电头沿Z方向对插。

6.根据权利要求5所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头沿Z方向对插分两步进行，第一步对插至离充电接口预留一段距离处停止，充电桩通过蓝牙通信模块向汽车端发送位置验证请求，汽车端充电接口中心的激光发射器发射激光，安装在机械臂顶部的充电头上的激光接收器接收到激光信号后反馈单片机，单片机再控制机械臂完成第二步对插至充电接口上。

7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头设计为楔形结构公头，充电接口端设计为楔形结构母头。

8.根据权利要求7所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头与机械臂顶部之间通过十字滑块连接，充电头底部开设滑槽，机械臂顶部开设滑槽，十字滑块通过弹簧和轴安装在滑槽中。

9.一种无人驾驶汽车自动充电对接方法，包括以下步骤：

步骤1：汽车端车充口姿态检测及调整，具体方法如下：

(1.1)车辆行驶至充电桩前停稳后，车充口通过陀螺仪检测自身对地姿态并通过云台上的舵机进行补偿调整；

(1.2)启动车充口上的激光测距传感器，测量车充口至充电桩的距离，根据测量结果进行补偿调整；

步骤2：充电桩端获取车充口的三维空间坐标，具体方法如下：

(2.1)车充口完成姿态调整后，车充口向充电桩端的激光接收矩阵屏幕发射激光，激光接收矩阵屏幕逐行扫描各激光接收点位的电平状态以获取车充口所处位置x、y方向坐标；

(2.2)车充口的激光测距模块再次启动测距，并将最后一次测得的距离数据发送给充电桩端，充电桩端接收所发来数据以获取车充口所处位置z方向坐标，并计算出一个充电对接验证位置z方向坐标z0，z0数值小于z；

步骤3：充电自动化对接：

(3.1)充电桩端的控制芯片通过计算将所获取的车充口x方向坐标转化为相应PWM脉冲信号，进而控制步进电机滑台到达x方向指定位置；

(3.2)充电桩端的控制芯片将所获取的车充口y方向坐标以及充电对接验证位置z方向坐标z0进行逆运动学解算以获得机械臂各关节舵机对应PWM脉冲信号，进而控制机械臂末端的充电头到达对接操作验证位置z0处停止；

(3.3)车充口内的激光发射器向充电桩方向再次垂直发射一束激光，若充电头内激光接收管接收到该束激光，则控制机械臂末端的充电头完全插入车充口内；若充电头内激光接收管未接收到该束激光，则结束该次对接任务重新获取车充口三维空间坐标以准备下一次对接。

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