CN113787924A - 电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知方法及系统 - Google Patents
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Abstract
电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知方法及系统，采集泊车过程中车辆磁耦合机构的电磁特征参量和视觉特征参量，对所采集的参量进行归一化处理，通过视觉特征参量输出电动汽车磁耦合机构的实时位置感知，通过电磁特征参量识别车辆相对磁耦合机构主线圈距离信息以及偏航角信息。本发明能够有效地引导用户车辆精准地驶入有效充电区域，令电动汽车高效地进入稳定充电过程，并一定程度地提高充电效率。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车无线充电领域，具体涉及电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法。
背景技术
由于化石能源消耗的加剧，大气环境污染日益严重，国内外清洁节能的电动汽车代替传统的燃油汽车提上日程；现有的电动汽车充能方式主要采用的是有线式充电桩传能方式，该方式充电桩体积过大，充电过程缓慢，维修成本高，智能化程度低，并存在电火花，防水防尘一系列问题。随着无线充电技术的发展与成熟，其优良的安全性，空间利用率以及在各种环境下的普适性可以更好的满足电动汽车充能的需求，有利于未来新能源电动汽车的普及与推广。但在无线充电的过程中，为了保证高效的电能转化，无线充电系统的磁耦合机构即其原副线圈，在水平方向上必须始终保持对准，因而需要对磁耦合机构的位置进行高精度感知，以辅助引导电动汽车驶入有效充电区域，使磁耦合的机构对准。
现有的电动汽车无线充电线圈对准技术主要有图像信号定位技术和电磁信号定位技术等，这些技术的定位精度较高，并大都包含以下特征：位于原线圈侧的信号发射端固定，而位于副线圈侧的信号接收端移动，即驾驶员根据识别到的信号接收端位置，通过驾驶车辆移动或者利用自主泊车系统移动车辆，实时地调控接收端位置，以达到原副线圈对准的效果。然而，基于视觉图像的定位技术容易在离原线圈的较近距离范围内，出现图像标识残缺或者环境光线暗的问题；而基于电磁强度的定位技术容易在离原线圈的较远距离范围内，出现金属或磁性材料干扰的问题。现有的电动汽车无线充电线圈对准技术导致电动汽车无线充电线圈的位置检测可靠度降低，对准过程比较缓慢。并且对于车辆无自动泊车系统的用户而言，基于现有技术实现磁耦合机构对准对用户的驾驶要求极高，使得用户车辆难以高效地进入有效充电区域来执行平稳充电。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种耦合机构高精度位置感知方法，基于磁耦合机构与位置相关特征参量的分类提取，可以自主地切换位置感知技术，解决用户车辆从中远向中近距离行进时，对电动汽车无线充电的全程高精度对位引导辅助需求。
本发明采用如下的技术方案：
电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知方法包括以下步骤：
步骤1，在电动汽车开始泊车并进入无线充电车位过程中，采集待感知电动汽车无线充电系统磁耦合机构的特征参量，所述特征参量包括电磁特征参量以及视觉特征参量；
步骤2，对步骤1所采集的特征参量进行归一化处理；
步骤3，当步骤2计算得到的待感测车辆的车尾界线与充电车位后向车道界线夹角的归一化值不大于设定的视觉特征参量夹角阈值，并且计算得到的充电车位后向车道界线的左右车道直角点的像素距离的归一化值不大于设定的像素距离阈值时，重复步骤1至3，否则进入步骤4；
步骤4，当步骤2待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值小于耦合系数阈值且待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值小于等效阻抗阈值时，则进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5，采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离，根据几何中心的距离判定汽车是否进入磁耦合机构的原边线圈范围内；
如此时汽车进入磁耦合机构的原边线圈范围内并且磁耦合机构的电磁特征参数不满足前述步骤4的阈值条件，则进入步骤6；
如果此时汽车没有进入磁耦合机构的原边线圈范围内或者磁耦合机构的电磁特征参数满足前述步骤4的阈值条件，则判断此时视觉特征参量的是否满足前述步骤3的阈值条件，如果满足，则返回步骤1；如果不满足则重复本步骤；
步骤6，利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息进行定位，如果此时磁耦合系数以及等效阻抗归一化处理后的结果不小于对应的磁耦合系数阈值或等效阻抗阈值，则重复本步骤直至车辆进入可充电区域并完成泊车；否则，返回步骤1。
在步骤1中，以磁耦合机构的副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置的两个车载信标，车载信标为PCB线圈；原线圈一侧设置金属异物检测系统。
在步骤1中，电磁特征参量包括待感测车辆磁耦合机构的车载端信标在不同的泊车位置下，车载信标相对金属异物检测系统的线圈阵列的互感系数、耦合系数，以及车载端信标由金属异物检测系统的线圈阵列感知到的等效阻抗。所述视觉特征参量包括待感测车辆的车身后向特征边缘、充电车位后向车道线的特征边缘、标识角点，通过车辆与环境的全景图进行提取。
车辆与环境的全景图的生成方法包括以下步骤：
步骤101，将拍摄得到的多个局部实景图像作为输入；
其中，多个局部实景图像指包含后视、前视、侧视三类视角的至少4张局部实景图像；
步骤102，对步骤101输入的图像进行投影运算；
所述图像投影是指将多个车载摄像头拍摄的系列图像统一投影到同一坐标系上，保证不同对象间的视觉一致性，使之适合拼接；
步骤103，结合步骤102的投影运算对图像进行拼接运算。
步骤103包括以下内容：
步骤103.1，提取图像序列特征点；
步骤103.2，采用基于特征点的图像配准方法，确定待拼接图像间的重叠区域以及重叠位置，最后，将待融合图像映射到一幅新的空白图像中形成拼接图；
步骤103.3，利用加权平滑算法对图像拼接缝合线进行处理，实现重叠区域的平滑拼接。
在步骤103.1中，提取图像序列特征点的方法为：
对于图像上的第i个像素，求取它的像素特征矩阵Mi，计算方法为：
其中，xi表示第i个像素的x轴坐标值，yi表示第i个像素的y轴坐标值，σ表示当前图像中所有像素的标准差；
之后求取该像素特征矩阵的行列式，即为该图像中第i个像素的特征值；当像素的特征值大于直接包围其左上、正上、右上、正左、左下、正下、右下、正右八个方向上的八个像素的特征值时，该像素就被认为是特征点。
在步骤2中，归一化处理包括以下步骤：
计算视觉特征参量夹角归一化值；
视觉特征参量夹角指视觉特征参量中待感测车辆的车身后向特征边缘与充电车位后向车道线的特征边缘的夹角，再除以90度后用1减去；
计算视觉特征参量的像素距离的归一化值；
视觉特征参量的像素距离指视觉特征参量中充电车位后向车道线的左右标识角点的像素距离，其归一化方法是指将该像素距离除以图像像宽；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值；
将电磁特征参量中待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数，除以该磁耦合机构标称的最大耦合系数值，此处磁耦合机构标称的最大耦合系数值是指待感测车辆磁耦合机构的车载端在不同泊车位置下对地面端的最大耦合系数值；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值；
将待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗除以车载信标的标称最大等效阻抗值；其中，车载端信标由地面侧测量到的等效阻抗和耦合系数，分别由地面端信标测量线圈的电压、电流和互感系数计算得到。
在步骤3中，对于视觉特征参量夹角的归一化处理结果，视觉特征参量夹角阈值设为
其中，
是待感测车辆磁耦合机构充电效率对车辆的偏航角要求，一般选为15°，λ为加权系数，根据实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.3～1。
对于视觉特征参量的像素距离的归一化处理结果，视觉特征参量像素距离阈值设为
其中，L是图像的像素对角线长度，W为图像像宽，η为加权系数，由实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.4～0.6。
在步骤4中，对于待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数与等效阻抗的归一化处理结果，耦合系数阈值设为
等效阻抗阈值设为
其中，μ、ρ分别是待感测车辆磁耦合机构车载信标在可充电区域内的耦合系数最小占比、等效阻抗最小占比，ζ、ξ为加权系数，分别由实际场景下的统计测试计算给定。
μ一般取0.222，ρ一般取0.025，ζ的取值范围为0.477～0.5，ξ的取值范围为0.533～0.8。
步骤5包括以下内容：
图像靶标由3个以上形状与尺寸一致、颜色各异的待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像组成；
步骤501，对输入靶标图像进行降噪处理；
步骤502，对步骤501降噪处理后的图像进行边界运算；
步骤503，对步骤502中的靶标边界进行边界角点提取；
步骤504，进行测距计算并输出汽车相对于磁耦合机构地面端的坐标。
在步骤6中，进入可充电区域的标准为：以可充电区域以磁耦合机构地面端的几何中心为原点，当车辆相对该几何中心X轴距离小于等于75mm且Y轴距离小于等于100mm时。
步骤6包括以下内容：
步骤601，使用金属异物检测系统的信标测量线圈的恒定强度激励电流产生一个低功耗激励磁场；
低功率激励磁场指功率小于3.6W的激励磁场；
步骤602，通过车载端的信标线圈感应步骤601激励磁场的激励电压与电流信号，实时改变地面端的信标测量电路的输出电压；
步骤603，根据步骤602的激励电压、电流以及输出电压信号，依次计算两个车载端信标的等效阻抗和互感系数、耦合系数，并根据这些采集的电磁特征参量，通过识别两个车载信标下方与每一信标最邻近的信标测量线圈相对整个信标测量线圈阵列中心的位置，估计车辆相对磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息。
本发明还公开了一个基于电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知系统包括：
金属异物检测系统、两个PCB线圈、特征参量采集模块、特征参量归一化模块、视觉特征参数判断模块、电磁特征参量判断模块、车辆坐标计算模块以及计算模式切换模块；
金属异物检测系统设置在原线圈一侧；
PCB线圈以电动汽车无线充电系统磁耦合机构副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置；
特征参量采集模块通过金属异物检测系统的线圈阵列实时测量车载信标以获取电磁特征参量；通过车辆与环境的全景图采集视觉特征参数；
特征参量归一化模块对视觉特征参数以及电磁特征参量进行归一化处理；
视觉特征参数判断模块用于判定视觉特征参数是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
电磁特征参量判断模块用于判定电磁特征参量是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
车辆坐标计算模块采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，并将图像中靶标边界的标识角点，通过基于小孔成像原理的P4P测距计算，转化为车载相机相对磁耦合机构地面端中心的三维坐标，再结合车载相机与磁耦合机构车载端的相对位置关系，通过坐标平移转换，输出电动汽车磁耦合机构的实时位置感知，即车辆坐标，并将车辆坐标输入至计算模式切换模块；车辆坐标计算模块还可以利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息，并将汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息输入至计算模式切换模块；
计算模式切换模块根据所输入的判定结果以及车辆坐标选择需要使用的模块，并根据汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息判定是否车辆进入可充电区域。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、本发明将待充电电动汽车的视觉特征参量与电磁特征参量相结合判定，能够精准地引导用户车辆驶入有效充电区域，令电动汽车高效地进入稳定充电过程，并一定程度地提高充电效率。当无线充电的车载设备行至距离地面设备1.5～5米的中远范围内时,其位置感知的精度可以达到10％，同时当无线充电的车载设备行至距离地面设备不超过1.5米的中近范围内时,其位置感知的精度可以达到10％，并在有效充电区域内的终末位置检测误差低于±1cm，终末偏航角检测误差低于3°。
2、本发明可以实现可充电区域内的高精度终末位置检测，本发明在磁耦合机构引入两个以磁耦合机构的副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置的车载信标，通过无线充电系统搭载于地面端的金属异物检测系统进行检测，因此几乎不需要增加额外的成本。
3、在对图像进行拼接时，本发明的特征点提取算法考虑到了局部实景图像的数量以及计算效率的要求，通过所公开的算法直接求取像素特征矩阵以确定每个图像的特征点，而像素特征矩阵中的特征考虑到了图像整体的像素标准差，因此在与现有技术中效率相同的特征点提取方法相比，更加准确。
附图说明
图1为本发明电动汽车无线充电系统位置感知方法流程示意图；
图2为本发明电动汽车磁耦合机构位置感知的全景视图的计算原理；
图3为本发明电动汽车磁耦合机构基于视觉定位位置感知计算原理；
图4为本发明电动汽车磁耦合机构基于车载信标定位位置感知的计算原理。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
图1为本发明的流程图，本发明公开的电动汽车无线充电系统位置感知方法具体包括以下步骤：
步骤1，在电动汽车开始泊车并进入无线充电车位过程中，采集待感知电动汽车无线充电系统磁耦合机构的特征参量，包括视觉特征参量、电磁特征参量。
在本发明的优选实施例中，磁耦合机构电磁特征参量的测量通过以下方式实现：
以磁耦合机构的副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置的两个车载信标，车载信标可以为PCB线圈；车载信标的形状、尺寸结构可根据车载端副线圈的轮廓对应设计，可以采用如下的实施案例：两个PCB信标线圈的形状分别采用圆形，匝数均为n≥2，半径均为a<0.25×c，到车载端的副线圈中心的距离均为b<0.25×c，其中c为车载端副线圈沿车尾至车头方向的长度；
原线圈一侧设置有金属异物检测系统；通过金属异物检测系统的线圈阵列实时测量车载信标以获取电磁特征参量；通过干扰车载信标的工作频率，控制车载信标线圈的通断，用以区分车载信标与车底其他金属，实现对车载信标的识别；
电磁特征参量包括待感测车辆磁耦合机构的车载端信标在不同的泊车位置下，车载信标相对金属异物检测系统的线圈阵列的互感系数、耦合系数，以及车载端信标由金属异物检测系统的线圈阵列感知到的等效阻抗；
视觉特征参量包括待感测车辆的车尾界线、充电车位后向车道界线、车道直角点，通过车辆与环境的全景图进行提取；
车辆与环境的全景图生成方法如图2所示，包括以下步骤：
步骤101，将拍摄得到的多个局部实景图像作为输入；
其中，多个局部实景图像指包含后视、前视、侧视三类视角的至少4张局部实景图像；所使用的摄像头可为行车辅助摄像头或环视摄像头；为了拍摄出上述三种视角的局部实景图像，优选地，可以将拍摄后视图的摄像头设置在车尾，使摄像头面对汽车的正后方；拍摄前视的摄像头设置在车内后视镜上方，使摄像头面对汽车正前方；侧视分为侧前视与侧后视，可将拍摄侧前视图的摄像头安装于前车门外侧手把上，拍摄侧前视图的摄像头安装于后车门外侧手把上；
步骤102，对步骤101输入的图像进行投影运算；
所述图像投影是指将多个车载摄像头拍摄的系列图像统一投影到同一坐标系上，保证不同对象间的视觉一致性，使之适合拼接。本方案采用目前业内研究最为成熟的柱形全景投影技术，主要原因是数据采集简单，圆柱面全景图可展成矩形平面图像，从而可利用其在计算机内的图像格式进行存取。
步骤103，结合步骤102的投影运算对图像进行拼接运算；
所述图像拼接是指将至少两幅不同视角方向具有一定重叠度的图像，在投影到统一坐标系后，进行拼接和融合，从而合成为一幅图像。
步骤103.1，本方案首先提取投影后的系列图像的图像序列特征点：
本领域的技术人员应知道，本发明公开的方法仅为一最优实施例，是比现有技术更优的提取方式，本领域的技术人员可根据实际情况选择最适合的方案进行图像序列特征点的提取；
在本发明中，图像序列特征点的提取方法如下：
对于图像上的第i个像素，求取它的像素特征矩阵Mi，计算方法为：
其中，xi表示第i个像素的x轴坐标值，yi表示第i个像素的y轴坐标值，σ表示当前图像中所有像素的标准差；
之后求取该像素特征矩阵的行列式，即为该图像中第i个像素的特征值；当像素的特征值大于直接包围其左上、正上、右上、正左、左下、正下、右下、正右八个方向上的八个像素的特征值时，该像素就被认为是特征点；
步骤103.2，采用基于特征点的图像配准方法，确定待拼接图像间的重叠区域以及重叠位置，最后，将待融合图像映射到一幅新的空白图像中形成拼接图。
步骤103.3，同时为解决融合过程中拼接缝的问题，利用加权平滑算法对图像拼接缝合线进行处理，实现重叠区域的平滑拼接。
步骤2，对步骤1所采集的特征参量进行归一化处理。
本领域的技术人员可以根据所采集的特征参量进行归一化处理，在本发明中，所述归一化处理包括以下内容：
计算视觉特征参量夹角归一化值；
视觉特征参量夹角指视觉特征参量中待感测车辆的车尾界线与充电车位后向车道界线的夹角，再除以90度后用1减去；
计算视觉特征参量的像素距离的归一化值；
视觉特征参量的像素距离指视觉特征参量中充电车位后向车道界线的左右车道直角点的像素距离，其归一化方法是指将该像素距离除以图像像宽；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值；
将电磁特征参量中待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数，除以该磁耦合机构标称的最大耦合系数值，此处磁耦合机构标称的最大耦合系数值是指待感测车辆磁耦合机构的车载端在不同泊车位置下对地面端的最大耦合系数值；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值；
将待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗除以车载信标的标称最大等效阻抗值。其中，车载端信标由地面侧测量到的等效阻抗和耦合系数，分别由地面端信标测量线圈的电压、电流和互感系数计算得到。
步骤3，当步骤2计算得到的待感测车辆的车尾界线与充电车位后向车道界线夹角的归一化值不大于设定的视觉特征参量夹角阈值，并且计算得到的充电车位后向车道界线的左右车道直角点的像素距离的归一化值不大于设定的像素距离阈值时，重复步骤1至3，否则进入步骤4。
对于视觉特征参量夹角的归一化处理结果，视觉特征参量夹角阈值设为
其中，
是待感测车辆磁耦合机构充电效率对车辆的偏航角要求，一般选为15°，λ为加权系数，根据实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.3～1。
对于视觉特征参量的像素距离的归一化处理结果，视觉特征参量像素距离阈值设为
其中，L是图像的像素对角线长度，W为图像像宽，η为加权系数，由实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.4～0.6。
步骤4，如步骤2待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值小于耦合系数阈值且待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值小于等效阻抗阈值时，则进入步骤5，否则进入步骤6。
对于待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数与等效阻抗的归一化处理结果，耦合系数阈值设为
等效阻抗阈值设为
其中，μ、ρ分别是待感测车辆磁耦合机构车载信标在可充电区域内的耦合系数最小占比、等效阻抗最小占比，一般选为0.222、0.025，ζ、ξ为加权系数，分别由实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.477～0.5、0.533～0.8。
步骤5，采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离，根据几何中心的距离判定汽车是否进入磁耦合机构的原边线圈范围内；
如此时汽车进入磁耦合机构的原边线圈范围内并且磁耦合机构的电磁特征参数不满足前述步骤4的阈值条件，则进入步骤6；
如果此时汽车没有进入磁耦合机构的原边线圈范围内或者磁耦合机构的电磁特征参数满足前述步骤4的阈值条件，则判断此时视觉特征参量的是否满足前述步骤3的阈值条件，如果满足，则返回步骤1；如果不满足则重复本步骤；其计算流程如图3所示。
所述图像靶标由3个以上形状与尺寸一致、颜色各异的待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像组成；
步骤501，对输入靶标图像进行降噪处理；
所述降噪处理是指将靶标图像进行中值滤波，目的是在降低图像噪声的同时，较好地保持图像的边缘细节信息。
步骤502，对步骤501降噪处理后的图像进行边界运算；
所述边界运算是指将滤波后的靶标图像进行先腐蚀后膨胀的开运算，再进行先膨胀后腐蚀的闭运算，目的是先消除图像中的小对象物、在纤细点分离物体，平滑较大物体的边界，然后再填充图像中物体内部的小孔洞。
步骤503，对步骤502中的靶标边界进行边界角点提取；
所述边界角点提取是指首先，将图像中靶标边界通过Graham扫描法，进行凸包检测，其次，对提取的凸包曲线通过道格拉斯-普克算法，进行多边形拟合迭代直至拟合出与图像靶标的边数一致的多边形，然后，提取拟合多边形的角点作为图像中靶标的边界标识角点。
步骤504，进行测距计算并输出汽车相对于磁耦合机构地面端的坐标；
所述测距计算是指将图像中靶标边界的标识角点，通过基于小孔成像原理的P4P测距计算，转化为车载相机相对磁耦合机构地面端中心的三维坐标，再结合车载相机与磁耦合机构车载端的相对位置关系，通过坐标平移转换，输出电动汽车磁耦合机构的实时位置感知，即车辆坐标。
步骤6，利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息进行定位，如果此时磁耦合系数以及等效阻抗归一化处理后的结果不小于对应的磁耦合系数阈值或等效阻抗阈值，则重复本步骤直至车辆进入可充电区域并完成泊车；否则，返回步骤1；
进入可充电区域的标准为：以可充电区域以磁耦合机构地面端的几何中心为原点，当车辆相对该几何中心X轴距离小于等于75mm且Y轴距离小于等于100mm时；
汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息的计算流程如图4所示。
步骤601，使用地面端金属异物检测系统的信标测量线圈的恒定强度激励电流产生一个低功耗激励磁场；
低功率激励磁场指功率小于3.6W的激励磁场；
步骤602，通过车载端的信标线圈感应步骤601激励磁场的激励电压与电流信号，实时改变地面端的信标测量电路的输出电压；
步骤603，根据步骤602的激励电压、电流以及输出电压信号，依次计算两个车载端信标的等效阻抗和互感系数、耦合系数，并根据这些采集的电磁特征参量，通过识别两个车载信标下方与每一信标最邻近的信标测量线圈相对整个信标测量线圈阵列中心的位置，估计车辆相对磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息。
本发明还公开了一个基于电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知方法的电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知系统，包括金属异物检测系统、两个PCB线圈、特征参量采集模块、特征参量归一化模块、视觉特征参数判断模块、电磁特征参量判断模块、车辆坐标计算模块以及计算模式切换模块；
金属异物检测系统设置在原线圈一侧；
两个PCB线圈以电动汽车无线充电系统磁耦合机构副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置；
特征参量采集模块通过金属异物检测系统的线圈阵列实时测量车载信标以获取电磁特征参量；通过车辆与环境的全景图采集视觉特征参数；
特征参量归一化模块对视觉特征参数以及电磁特征参量进行归一化处理；
视觉特征参数判断模块用于判定视觉特征参数是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
电磁特征参量判断模块用于判定电磁特征参量是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
车辆坐标计算模块采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，并将图像中靶标边界的标识角点，通过基于小孔成像原理的P4P测距计算，转化为车载相机相对磁耦合机构地面端中心的三维坐标，再结合车载相机与磁耦合机构车载端的相对位置关系，通过坐标平移转换，输出电动汽车磁耦合机构的实时位置感知，即车辆坐标，并将车辆坐标输入至计算模式切换模块；车辆坐标计算模块还可以利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息，并将汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息输入至计算模式切换模块；
计算模式切换模块根据所输入的判定结果以及车辆坐标选择需要使用的模块，并根据汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息判定是否车辆进入可充电区域。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，利用全景感知的定位方法在进行磁耦合机构的高精度位置感知时，可直接向用户提供直观的大视场、全信息的车位视觉图像，提高驾驶员对行车系统的可操作性。当无线充电的车载设备行至距离地面设备1.5～5米的中远范围内时,其位置感知的精度可以达到10％。当无线充电的车载设备行至距离地面设备1.5米的中近范围内时,基于视觉定位位置感知和基于车载信标位置感知的方法可以使其位置感知的精度可以达到10％，并在有效充电区域内的终末位置检测误差低于±1cm，终末偏航角检测误差低于3°。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.电动汽车无线充电系统磁耦合机构位置感知方法，其特征在于，所述位置感知方法包括以下步骤：
步骤1，在电动汽车开始泊车并进入无线充电车位过程中，采集待感知电动汽车无线充电系统磁耦合机构的特征参量，所述特征参量包括电磁特征参量以及视觉特征参量；
步骤2，对步骤1所采集的特征参量进行归一化处理；
步骤3，当步骤2计算得到的待感测车辆的车尾界线与充电车位后向车道界线夹角的归一化值不大于设定的视觉特征参量夹角阈值，并且计算得到的充电车位后向车道界线的左右车道直角点的像素距离的归一化值不大于设定的像素距离阈值时，重复步骤1至3，否则进入步骤4；
步骤4，当步骤2待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值小于耦合系数阈值且待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值小于等效阻抗阈值时，则进入步骤5，否则进入步骤6；
步骤5，采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离，根据几何中心的距离判定汽车是否进入磁耦合机构的原边线圈范围内；
如此时汽车进入磁耦合机构的原边线圈范围内并且磁耦合机构的电磁特征参数不满足前述步骤4的阈值条件，则进入步骤6；
如果此时汽车没有进入磁耦合机构的原边线圈范围内或者磁耦合机构的电磁特征参数满足前述步骤4的阈值条件，则判断此时视觉特征参量的是否满足前述步骤3的阈值条件，如果满足，则返回步骤1；如果不满足则重复本步骤；
步骤6，利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息进行定位，如果此时磁耦合系数以及等效阻抗归一化处理后的结果不小于对应的磁耦合系数阈值或等效阻抗阈值，则重复本步骤直至车辆进入可充电区域并完成泊车；否则，返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤1中，以磁耦合机构的副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置的两个车载信标，车载信标为PCB线圈；原线圈一侧设置金属异物检测系统。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤1中，所述电磁特征参量包括待感测车辆磁耦合机构的车载端信标在不同的泊车位置下，车载信标相对金属异物检测系统的线圈阵列的互感系数、耦合系数，以及车载端信标由金属异物检测系统的线圈阵列感知到的等效阻抗。所述视觉特征参量包括待感测车辆的车身后向特征边缘、充电车位后向车道线的特征边缘、标识角点，通过车辆与环境的全景图进行提取。
4.根据权利要求3所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
所述车辆与环境的全景图的生成方法包括以下步骤：
步骤101，将拍摄得到的多个局部实景图像作为输入；
其中，多个局部实景图像指包含后视、前视、侧视三类视角的至少4张局部实景图像；
步骤102，对步骤101输入的图像进行投影运算；
所述图像投影是指将多个车载摄像头拍摄的系列图像统一投影到同一坐标系上，保证不同对象间的视觉一致性，使之适合拼接；
步骤103，结合步骤102的投影运算对图像进行拼接运算。
5.根据权利要求4所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
所述步骤103包括以下内容：
步骤103.1，提取图像序列特征点；
步骤103.2，采用基于特征点的图像配准方法，确定待拼接图像间的重叠区域以及重叠位置，最后，将待融合图像映射到一幅新的空白图像中形成拼接图；
步骤103.3，利用加权平滑算法对图像拼接缝合线进行处理，实现重叠区域的平滑拼接。
6.根据权利要求5所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤103.1中，提取图像序列特征点的方法为：
对于图像上的第i个像素，求取它的像素特征矩阵Mi，计算方法为：
其中，xi表示第i个像素的x轴坐标值，yi表示第i个像素的y轴坐标值，σ表示当前图像中所有像素的标准差；
之后求取该像素特征矩阵的行列式，即为该图像中第i个像素的特征值；当像素的特征值大于直接包围其左上、正上、右上、正左、左下、正下、右下、正右八个方向上的八个像素的特征值时，该像素就被认为是特征点。
7.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤2中，所述归一化处理包括以下步骤：
计算视觉特征参量夹角归一化值；
视觉特征参量夹角指视觉特征参量中待感测车辆的车身后向特征边缘与充电车位后向车道线的特征边缘的夹角，再除以90度后用1减去；
计算视觉特征参量的像素距离的归一化值；
视觉特征参量的像素距离指视觉特征参量中充电车位后向车道线的左右标识角点的像素距离，其归一化方法是指将该像素距离除以图像像宽；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数的归一化值；
将电磁特征参量中待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数，除以该磁耦合机构标称的最大耦合系数值，此处磁耦合机构标称的最大耦合系数值是指待感测车辆磁耦合机构的车载端在不同泊车位置下对地面端的最大耦合系数值；
计算待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗的归一化值；
将待感测车辆磁耦合机构车载信标的等效阻抗除以车载信标的标称最大等效阻抗值；其中，车载端信标由地面侧测量到的等效阻抗和耦合系数，分别由地面端信标测量线圈的电压、电流和互感系数计算得到。
8.根据权利要求7所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤3中，对于视觉特征参量夹角的归一化处理结果，视觉特征参量夹角阈值设为
其中，
是待感测车辆磁耦合机构充电效率对车辆的偏航角要求，一般选为15°，λ为加权系数，根据实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.3～1。
对于视觉特征参量的像素距离的归一化处理结果，视觉特征参量像素距离阈值设为
其中，L是图像的像素对角线长度，W为图像像宽，η为加权系数，由实际场景下的统计测试计算给定，一般选为0.4～0.6。
9.根据权利要求7所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤4中，对于待感测车辆磁耦合机构车载信标的耦合系数与等效阻抗的归一化处理结果，耦合系数阈值设为
等效阻抗阈值设为
其中，μ、ρ分别是待感测车辆磁耦合机构车载信标在可充电区域内的耦合系数最小占比、等效阻抗最小占比，ζ、ξ为加权系数，分别由实际场景下的统计测试计算给定。
10.根据权利要求9所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
μ一般取0.222，ρ一般取0.025，ζ的取值范围为0.477～0.5，ξ的取值范围为0.533～0.8。
11.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
所述步骤5包括以下内容：
所述图像靶标由3个以上形状与尺寸一致、颜色各异的待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像组成；
步骤501，对输入靶标图像进行降噪处理；
步骤502，对步骤501降噪处理后的图像进行边界运算；
步骤503，对步骤502中的靶标边界进行边界角点提取；
步骤504，进行测距计算并输出汽车相对于磁耦合机构地面端的坐标。
12.根据权利要求1所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
在所述步骤6中，进入可充电区域的标准为：以可充电区域以磁耦合机构地面端的几何中心为原点，当车辆相对该几何中心X轴距离小于等于75mm且Y轴距离小于等于100mm时。
13.根据权利要求1或11所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法，其特征在于：
所述步骤6包括以下内容：
步骤601，使用金属异物检测系统的信标测量线圈的恒定强度激励电流产生一个低功耗激励磁场；
低功率激励磁场指功率小于3.6W的激励磁场；
步骤602，通过车载端的信标线圈感应步骤601激励磁场的激励电压与电流信号，实时改变地面端的信标测量电路的输出电压；
步骤603，根据步骤602的激励电压、电流以及输出电压信号，依次计算两个车载端信标的等效阻抗和互感系数、耦合系数，并根据这些采集的电磁特征参量，通过识别两个车载信标下方与每一信标最邻近的信标测量线圈相对整个信标测量线圈阵列中心的位置，估计车辆相对磁耦合机构地面端几何中心的距离信息以及偏航角信息。
14.基于权利要求1-13任意一项所述的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知方法的电动汽车无线充电系统磁耦合机构高精度位置感知系统，其特征在于，所述磁耦合机构高精度位置感知系统包括：
金属异物检测系统、两个PCB线圈、特征参量采集模块、特征参量归一化模块、视觉特征参数判断模块、电磁特征参量判断模块、车辆坐标计算模块以及计算模式切换模块；
所述金属异物检测系统设置在原线圈一侧；
所述PCB线圈以电动汽车无线充电系统磁耦合机构副线圈中心为中点并沿车尾至车头方向对称放置；
特征参量采集模块通过金属异物检测系统的线圈阵列实时测量车载信标以获取电磁特征参量；通过车辆与环境的全景图采集视觉特征参数；
特征参量归一化模块对视觉特征参数以及电磁特征参量进行归一化处理；
视觉特征参数判断模块用于判定视觉特征参数是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
电磁特征参量判断模块用于判定电磁特征参量是否满足对应的阈值要求，并将判定结果输入至计算模式切换模块；
车辆坐标计算模块采集待感测车辆磁耦合机构的地面端前后的图像标靶，并将图像中靶标边界的标识角点，通过基于小孔成像原理的P4P测距计算，转化为车载相机相对磁耦合机构地面端中心的三维坐标，再结合车载相机与磁耦合机构车载端的相对位置关系，通过坐标平移转换，输出电动汽车磁耦合机构的实时位置感知，即车辆坐标，并将车辆坐标输入至计算模式切换模块；车辆坐标计算模块还可以利用车载信标位置感知进行距离计算以得到汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息，并将汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息输入至计算模式切换模块；
计算模式切换模块根据所输入的判定结果以及车辆坐标选择需要使用的模块，并根据汽车相对于磁耦合机构地面端几何中心的距离信息判定是否车辆进入可充电区域。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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