CN114866592A - 一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法，该管理系统包括移动设备端、云端服务器及边缘计算控制器，每台边缘计算控制器对应一块共享充电区域，每块共享充电区域包括若干分区，每个分区由多个停车位组成，且分区内设有横跨在所有停车位上方的导轨以及沿导轨行走的充电机器人；充电机器人通过边缘计算控制器与云端服务器进行数据交互，云端服务器通过无线通信的方式与移动设备端进行数据交互。本发明用于实现导轨式移动共享充电机器人的自动化调度管理，充分满足“临近车位共享”、“一桩多车”及“充电车位分时共享”等充电需求，有效解决老旧小区电动汽车的充电难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法，属于新能源汽车充电技术领域。
背景技术
随着新能源汽车产业的发展，充电桩的建设也在大力推进。一般而言，充电桩都是安装位置固定且不可移动的，这就产生了两种现象：一是在一些停车场安装了大量的充电桩，而电动汽车却寥寥无几，导致充电桩利用率低，形成资源浪费；二是在一些老旧小区，由于种种原因无法安装适量的充电桩，导致电动汽车充电困难。因此，本发明提出一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法，以解决上述问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法，用于实现导轨式移动共享充电机器人的自动化调度管理，充分满足“临近车位共享”、“一桩多车”及“充电车位分时共享”等充电需求，有效解决老旧小区电动汽车的充电难题。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，包括移动设备端、云端服务器及边缘计算控制器，每台边缘计算控制器对应一块共享充电区域，每块共享充电区域包括若干分区，每个分区由多个停车位组成，且分区内设有横跨在所有停车位上方的导轨以及沿导轨行走的充电机器人；
所述充电机器人上搭载有旋转收放式机械臂，且机械臂的末端插接有充电枪，所述充电机器人通过无线通信的方式与边缘计算控制器进行数据交互，用于接收控制指令并反馈状态信息和充电信息，所述边缘计算控制器用于周期性接收所属共享充电区域内所有充电机器人发送的信息数据，并通过有线或无线的通信方式与云端服务器进行数据交互，所述云端服务器通过无线通信的方式与移动设备端进行数据交互。
进一步的，所述管理系统还包括调度中心，所述调度中心通过有线或无线的通信方式与边缘计算控制器进行数据交互，以实现有序充电和柔性充电管理。
进一步的，所述导轨上方安装有与每个停车位相对应的配电箱，用于提供可靠的充电电源，且充电机器人上搭载有用于对接配电箱的升降式充电接头，整个充电过程无需进行蓄放电转换，有效提高充电效率和电能利用率。
进一步的，所述充电机器人包括控制模块、通信模块、行走模块、升降模块、旋转模块、充电模块、定位模块及电能计量模块，其中控制模块通过通信模块与边缘计算控制器实现数据交互，且分别通过行走模块和定位模块实现充电机器人的行走驱动和行走定位，所述控制模块通过升降模块实现充电接头的升降驱动，进而实现充电机器人与配电箱的充电对接，所述控制模块通过旋转模块实现机械臂的旋转驱动，且分别通过电能计量模块及充电模块实现充电检测和充电控制。
进一步的，所述充电机器人还包括位置检测模块，且导轨上布置有与每个停车位对应的车位标签，所述控制模块通过位置检测模块对车位标签的感应识别实现车位编号检测，以确保充电机器人的定位准确性，避免定位出错影响充电进程。
此外，本发明还提供了一种基于上述管理系统的管理方法，包括以下步骤：
S1：准备充电时，用户通过移动设备端将所在的共享充电区域信息及停车位编号发送到云端服务器；
S2：云端服务器根据接收的共享充电区域信息，把停车位编号发送到对应的边缘计算控制器；
S3：边缘计算控制器根据存储的充电机器人编号和停车位编号匹配表，发送控制指令到相应的充电机器人；
S4：充电机器人接收到控制指令后，沿导轨行走到指定停车位的上方，并旋转释放机械臂和充电枪；
S5：当充电机器人检测到充电枪已插入汽车充电口并满足充电条件时，发送标志位到边缘计算控制器；
S6：边缘计算控制器通过云端服务器向移动设备端发送就绪指令；
S7：云端服务器接收到移动设备端发送的开始充电指令后，将指令下发到边缘计算控制器控制相应的充电机器人开始充电；
S8：充电机器人周期性地将自身状态信息和充电信息发送给边缘计算控制器；
S9：边缘计算控制器将所属共享充电区域内所有充电机器人的状态信息和充电信息发送给云端服务器；
S10：云端服务器将对应充电机器人的充电信息发送到移动设备端；
S11：充电完成后，云端服务器发送结束充电指令到边缘计算控制器控制相应的充电机器人停止充电；
S12：当充电机器人检测到充电枪插入到旋转臂上后，充电机器人回收旋转臂。
进一步的，所述步骤S9还包括：边缘计算控制器将所属共享充电区域的充电总量信息发送给调度中心，并根据调度中心发送的充电电量上限对所属共享充电区域内的充电机器人进行充电控制，从而有效控制区域用电峰值。
进一步的，所述边缘计算控制器可采用以下充电控制策略：
1）统计正在充电的充电机器人数量，根据接收到的充电电量上限，计算出平均每一台充电机器人的输出功率，并把该功率值下发到正在充电的机器人，充电机器人根据接收到的功率值调节CP信号线的PWM占空比，从而降低输出功率；
2）根据已用充电时间对正在进行充电的机器人进行排序，已用充电时间最长者，使其输出功率最小，已用充电时间最短者，使其输出功率最大，同时确保总功率不超过上限，将该功率值下发到对应的充电机器人，充电机器人根据接收到的功率值调节CP信号线的PWM占空比，从而改变输出功率；
3）根据已充电电量对正在进行充电的机器人进行排序，已充电电量最多者，使其输出功率最小，已充电电量最少者，使其输出功率最大，同时确保总功率不超过上限，将该功率值下发到对应的充电机器人，充电机器人根据接收到的功率值调节CP信号线的PWM占空比，从而改变输出功率。
进一步的，所述步骤S11中云端服务器根据用户设定的金额或充电量判断充电是否完成。此外，用户还可以通过移动设备端发送终止充电指令到云端服务器，云端服务器将指令下发到边缘计算控制器控制相应的充电机器人停止充电。
有益效果：本发明提供的一种导轨式移动共享充电机器人管理系统及管理方法，用于实现导轨式移动共享充电机器人的自动化调度管理，充分满足了“临近车位共享”、“一桩多车”及“充电车位分时共享”等充电需求，基于边缘计算的有序充电、柔性充电管理措施，可以有效控制区域用电峰值，保障居民用电安全，有效解决了老旧小区电动汽车的充电难题。
附图说明
图1为本发明实施例中充电机器人的应用场景图；
图2为本发明实施例中充电机器人的使用状态图；
图3为本发明实施例中充电机器人的内部结构图；
图4为本发明实施例中充电机器人的组成结构框图；
图5为本发明实施例中配电箱的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
图1展示了导轨式移动共享充电机器人的应用场景：图中1-9分别是同一个共享充电区域（即停车场）内的9个分区，10是对应的边缘计算控制器，11是云端服务器，12是移动设备端；109-114是分区1内的6个相邻停车位，108是横跨于停车位109-114上方的导轨，101-106分别是与停车位109-114对应的配电箱，107是行走于导轨108上的充电机器人；209-214是分区2内的6个相邻停车位，208是横跨于停车位209-214上方的导轨，201-206分别是与停车位209-214对应的配电箱，207是行走于导轨208上的充电机器人；以此类推，909-914是分区9内的6个相邻停车位，908是横跨于停车位909-914上方的导轨，901-906分别是与停车位909-914对应的配电箱，907是行走于导轨908上的充电机器人。
其中，各充电机器人通过无线方式与边缘计算控制器10进行数据交互，边缘计算控制器10周期性地接收所属停车场内所有充电机器人发送的数据，并把这些数据整理好通过有线或无线的方式与云端服务器11进行数据交互，云端服务器11通过无线方式与移动设备端12进行数据交互。此外，边缘计算控制器10还把停车场内电量信息通过无线或有线方式与调度中心进行数据交互，以实现有序充电和柔性充电管理。
如图2所示，充电机器人通过两侧行走轮130实现沿导轨的行走，且充电机器人的顶部设有升降式充电接头131，用于实现充电机器人与配电箱的充电对接；充电机器人的底部设有容纳机械臂132的凹槽，且机械臂132的末端插接有充电枪133。
如图4所示，充电机器人包括CPU模块125、通信模块129、行走模块121、升降模块123、旋转模块122、充电模块124、定位模块128、位置检测模块127及电能计量模块126，其中CPU模块125通过通信模块129与边缘计算控制器10实现数据交互，且分别通过行走模块121和定位模块128实现充电机器人的行走驱动和行走定位，CPU模块125通过升降模块123实现充电接头131的升降驱动，进而实现充电机器人与配电箱的充电对接，CPU模块125通过旋转模块122实现机械臂132的旋转驱动，且分别通过电能计量模块126及充电模块124实现充电检测和充电控制。
如图3所示，行走模块121包括行走电机134，CPU模块125通过行走电机134实现行走轮130的驱动控制；升降模块123包括升降电机135，CPU模块125通过升降电机135实现充电接头131的升降驱动控制；旋转模块122包括旋转电机136，旋转电机136通过转动轴137与机械臂132驱动连接，CPU模块125通过旋转电机136实现机械臂132的旋转驱动控制。
进一步的，充电模块124包括继电器电路和CP信号处理电路，CP信号处理电路用于实时获取充电枪133的CP信号状态，继电器电路用于实现充电开关控制。电能计量模块126包括充电检测电路及电能计量电路，充电检测电路用于获取充电状态信息，电能计量电路用于获取充电输出参数。
进一步的，导轨一侧布置有与各个停车位对应的定位组件，定位组件包括定位挡片及定位孔，定位模块128包括定位传感器138及电磁锁139，CPU模块125通过定位传感器138对定位挡片的感应识别实现充电机器人的行走定位，并通过电磁锁139与定位孔的配合实现充电机器人的行走锁定，以确保充电接头与配电箱的准确对接。
定位挡片以组为单位进行布置，每组定位挡片对应一个停车位，每组定位挡片包括两侧的宽挡片和中间的窄挡片，宽挡片用于实现粗定位（产生减速信号），窄挡片用于实现精定位（产生停止信号），由此保证定位精度。
进一步的，导轨同侧还布置有与各个停车位对应的车位标签，CPU模块通过位置检测模块127（即5个位置传感器140）对车位标签的感应识别实现车位编号的实时检测。
如图5所示，配电箱上设有弹性对接头141，刚性的充电接头131在升降电机135的驱动下与弹性对接头141实现压紧对接；配电箱上还设有弹性顶针142，且充电接头131上设有对应的检测电路，通过检测电路与弹性顶针142的接通实现充电接头131与弹性对接头141的对接检测，以确保接头对接的准确性。
上述导轨式移动共享充电机器人的管理方法具体如下：
如图1所示，车主把电动汽车停在停车位113后，在移动设备端12上根据地图定位或下拉列表框选择所在的停车场信息，同时输入车位号113，点击“确认”后，将停车场位置信息和车位号一同发送到云端服务器11，云端服务器11根据停车场位置信息把车位号113发送到边缘计算控制器10，边缘计算控制器10根据车位号113查找存储区中的车位号-充电机器人映射匹配表，把车位号113发送给充电机器人107，充电机器人107根据当前车位编号和目标车位编号判断是否在目标车位上，如果不在目标车位，进一步确认行走方向和行走距离，通过行走模块和定位模块实现充电机器人的行走驱动和行走定位，并通过位置检测模块确认是否到达目标车位。
充电机器人107到达停车位113后，通过升降模块驱动充电接头上升连接配电箱105，如果检测到交流220V电源有电，则释放机械臂和充电枪。车主把充电枪从机械臂上拔出并插到电动汽车充电口，当检测到充电枪已插入到充电口中时，充电机器人107把有关状态信息反馈到边缘计算控制器10，边缘计算控制器10经过计算处理后，向云端服务器11反馈充电条件已满足的信号，云端服务器11把这一信息反馈到移动设备端12，车主即可在移动设备端12上选择充电模式：按金额充电或按电量充电，并输入相应的数值，点击“开始充电”，将数据发送到云端服务器11，云端服务器11将该数据发送到边缘计算控制器10，边缘计算控制器10把该命令发送到充电机器人107，充电机器人107执行该命令后周期性地把充电参数信息发送到边缘计算控制器10，边缘计算控制器10通过云端服务器11把充电参数信息发送到移动设备端12，这样车主就可以实时获取充电电压、充电电流、充电功率、充电电量和已用金额等充电信息。
云端服务器11根据接收到的充电参数，计算已充电电量和已充电金额，当已充电电量或已充电金额达到车主设置的数值时，云端服务器11即发送结束充电命令给边缘计算控制器10，边缘计算控制器10把该命令下发到移动充电机器人107，移动充电机器人107执行完该命令后返回状态信息经边缘计算控制器10到云端服务器11，云端服务器11把充电完成信息、金额等以服务通知的方式发送到移动设备端12。待车主把充电枪插回到机械臂后，充电机器人即收回旋转臂，进入待机状态。
在某次充电过程中，整个停车场内共有7辆电动汽车正在充电，边缘计算控制器10根据这7个充电机器人反馈的电量信息，计算出该停车场内总的实时充电功率是49kW，并把该信息发送给调度中心。调度中心根据该区域的供电容量和用电容量，发现用电容量已经接近上限，则发命令给该边缘计算控制器10，限制实时充电功率不超过30kW，边缘计算控制器10收到该功率限值后，发命令给7个正在充电的充电机器人调整输出功率为4kW，7个充电机器人分别调整CP信号线的PWM占空比，改变输出功率。
在降低总充电功率后，有一辆电动汽车完成充电，则该停车场的实时充电功率为24kW，于是边缘计算控制器10重新发命令给正在充电的6个充电机器人，调整输出功率为5kW，6个充电机器人分别调整CP信号线的PWM占空比，改变输出功率。这样，根据调度中心发出的功率限值命令，动态调整每辆电动汽车充电功率的大小，既满足了居民用电的安全性又提高了电动汽车充电效率。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。
Claims (9)
1.一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，其特征在于，包括移动设备端、云端服务器及边缘计算控制器，每台边缘计算控制器对应一块共享充电区域，每块共享充电区域包括若干分区，每个分区由多个停车位组成，且分区内设有横跨在所有停车位上方的导轨以及沿导轨行走的充电机器人；
所述充电机器人上搭载有旋转收放式机械臂，且机械臂的末端插接有充电枪，所述充电机器人通过无线通信的方式与边缘计算控制器进行数据交互，用于接收控制指令并反馈状态信息和充电信息，所述边缘计算控制器用于周期性接收所属共享充电区域内所有充电机器人发送的信息数据，并通过有线或无线的通信方式与云端服务器进行数据交互，所述云端服务器通过无线通信的方式与移动设备端进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，其特征在于，所述管理系统还包括调度中心，所述调度中心通过有线或无线的通信方式与边缘计算控制器进行数据交互。
3.根据权利要求1所述的一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，其特征在于，所述导轨上方安装有与每个停车位相对应的配电箱，且充电机器人上搭载有用于对接配电箱的升降式充电接头。
4.根据权利要求3所述的一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，其特征在于，所述充电机器人包括控制模块、通信模块、行走模块、升降模块、旋转模块、充电模块、定位模块及电能计量模块，其中控制模块通过通信模块与边缘计算控制器实现数据交互，且分别通过行走模块和定位模块实现充电机器人的行走驱动和行走定位，所述控制模块通过升降模块实现充电接头的升降驱动，进而实现充电机器人与配电箱的充电对接，所述控制模块通过旋转模块实现机械臂的旋转驱动，且分别通过电能计量模块及充电模块实现充电检测和充电控制。
5.根据权利要求4所述的一种导轨式移动共享充电机器人管理系统，其特征在于，所述充电机器人还包括位置检测模块，且导轨上布置有与每个停车位对应的车位标签，所述控制模块通过位置检测模块对车位标签的感应识别实现车位编号检测。
6.一种基于权利要求1所述导轨式移动共享充电机器人管理系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：准备充电时，用户通过移动设备端将所在的共享充电区域信息及停车位编号发送到云端服务器；
S2：云端服务器根据接收的共享充电区域信息，把停车位编号发送到对应的边缘计算控制器；
S3：边缘计算控制器根据存储的充电机器人编号和停车位编号匹配表，发送控制指令到相应的充电机器人；
S4：充电机器人接收到控制指令后，沿导轨行走到指定停车位的上方，并旋转释放机械臂和充电枪；
S5：当充电机器人检测到充电枪已插入汽车充电口并满足充电条件时，发送标志位到边缘计算控制器；
S6：边缘计算控制器通过云端服务器向移动设备端发送就绪指令；
S7：云端服务器接收到移动设备端发送的开始充电指令后，将指令下发到边缘计算控制器控制相应的充电机器人开始充电；
S8：充电机器人周期性地将自身状态信息和充电信息发送给边缘计算控制器；
S9：边缘计算控制器将所属共享充电区域内所有充电机器人的状态信息和充电信息发送给云端服务器；
S10：云端服务器将对应充电机器人的充电信息发送到移动设备端；
S11：充电完成后，云端服务器发送结束充电指令到边缘计算控制器控制相应的充电机器人停止充电；
S12：当充电机器人检测到充电枪插入到旋转臂上后，充电机器人回收旋转臂。
7.根据权利要求6所述的管理方法，其特征在于，所述步骤S9还包括：边缘计算控制器将所属共享充电区域的充电总量信息发送给调度中心，并根据调度中心发送的充电电量上限对所属共享充电区域内的充电机器人进行充电控制。
8.根据权利要求7所述的管理方法，其特征在于，所述边缘计算控制器的充电控制策略包括：统计所属共享充电区域内正在充电的充电机器人数量，根据接收到的充电电量上限，计算出平均每一台充电机器人的输出功率，并把该功率值下发到正在充电的充电机器人，充电机器人根据接收到的功率值调节PWM占空比。
9.根据权利要求6所述的管理方法，其特征在于，所述步骤S11中云端服务器根据用户设定的金额或充电量判断充电是否完成。
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