CN115503517A - 车辆无线充电空间引导定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了车辆无线充电空间引导定位方法,在待充电车辆向充电车位移动过程中,胎压传感器发送信号;地端的第一接收器接收信号,获取N个时刻第一接收器与胎压传感器的距离LAN;地端的第二接收器接收信号,获取N个时刻第二接收器与胎压传感器的距离LBN;将同一时刻内的第一接收器与胎压传感器的距离LAN、第二接收器与胎压传感器的距离LBN,以及位移信息形成数据组,选取至少三个不同时刻的数据组,得到第一接收器和第二接收器的位置信息。基于车辆上已有的胎压传感器,与地端通过电信号交互,通过多组计算,能够获取地端的精确位置信息,从而用于引导定位。不用额外添加新的部件,就可以实现,从而降低了车端的成本。
Description
技术领域
本发明涉及无线充电领域,尤其涉及车辆无线充电空间引导定位方法。
背景技术
大功率无线充电作为电动汽车一种理想的供电方式,以其安全方便和自动化程度高等优势在近年来得到了快速的发展和广泛的应用。在无线充电时发射线圈与接收线圈需要尽量对准以获得最大的耦合系数,实现最大的能量传输效率。因此在电动汽车一般会配置对准检测系统为车辆的驾驶员或自动驾驶系统提供线圈对准引导,现有技术对准一般采用发射功率和接收功率的差来判断是否对齐,这种方式误差较大,受环境影响也比较大,且新增加的线圈提高了成本。也有一些方案中,安装摄像头来进行对齐的辅助,但是这种方式中,摄像头的工作环境不易保证,且成本高。
发明内容
本发明提供一种车辆无线充电空间引导定位方法,可以沿用已有的胎压传感器,实现引导定位,即降低了成本,又能减少工作环境对引导过程的影响。
车辆无线充电空间引导定位方法,包括:在待充电车辆向充电车位移动过程中,通过胎压传感器发送信号;地端的第一接收器接收所述信号,获取 N个时刻所述第一接收器与所述胎压传感器的距离LAN;地端的第二接收器接收所述信号,获取 N个时刻所述第二接收器与所述胎压传感器的距离LBN;将同一时刻内的所述第一接收器与所述胎压传感器的距离LAN、所述第二接收器与所述胎压传感器的距离LBN,以及位移信息形成数据组,选取至少三个不同时刻的所述数据组,计算得到所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
优选的以发出信号的胎压传感器所在的轮胎中心处为原点建立空间坐标系,向车头方向为X轴,沿车轴方向为Y轴,竖直方向为Z轴;所述位移信息至少包括:轮胎中心在空间坐标系中,X轴和Y轴上的移动距离;
或者,所述位移信息至少包括:轮胎中心相对于上一时刻在X轴和Y轴上的移动距离;空间坐标系的原点,为胎压传感器发出信号时所在的轮胎中心处,不随车辆位移改变位置。
优选的,所述位移信息还包括:轮胎的转动角度和/或轮胎的转向角度。
优选的,所述位移信息还包括:胎压传感器旋转角度、轮胎转向角度。
优选的,以发出信号的胎压传感器所在的轮胎中心处为原点建立空间坐标系,向车头方向为X轴,向车轴方向为Y轴,竖直方向为Z轴,在该空间坐标系中,所述第一接收器坐标为(A1,B1,C1),所述第二接收器坐标为(A2,B2,C2);在第N时刻有:
其中,R为轮胎半径,r胎压传感器与轮胎中心的距离;θN为在第N时刻胎压传感器与Z轴正方向的夹角值;XN为第N时刻胎压传感器在X轴的距离值;YN为第N时刻胎压传感器在Y轴的距离值;αN为第N时刻轮胎转向角度。
优选的,当N大于等于2时:θN=θN-1+ΔθN-1;
ΔθN-1是相比上一时刻的夹角值的变化值;当N等于1时θ1是初始角度。
优选的,在待充电车辆向充电车位移动过程中,形成三个所述数据组,使用这三个所述数据组计算所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
优选的,在待充电车辆向充电车位移动过程中,持续形成所述数据组,并持续选取最近的三个数据组,以优化计算所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
优选的,所述胎压传感器发送的信号中包括用于校验的校验码。
本申请的车辆无线充电空间引导定位方法,基于车辆上已有的胎压传感器,与地端通过电信号交互,通过多组计算,能够获取地端的精确位置信息,从而用于引导定位。该方法不用额外添加新的部件,就可以实现,从而降低了车端的成本。同时,该方法计算了多个时刻的数据,保证了准确性。
附图说明
图1为本发明车辆无线充电空间引导定位方法待充电车辆和充电车位的示意图;
图2为本发明车辆无线充电空间引导定位方法中充电车位的示意图;
图3为第一时刻第一接收器和第二接收器可能存在位置的示意图;
图4为第二时刻第一接收器和第二接收器可能存在位置的示意图;
图5为第三时刻第一接收器和第二接收器可能存在位置的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
本发明公开一种车辆无线充电空间引导定位方法,该方法主要通过轮胎上的胎压传感器,以空间坐标的形式,确定车辆和充电车位之间的位置关系。关于胎压传感器,自2020年1月1日起,国家工信部通过的强制性国家标准《乘用车轮胎气压监测系统的性能要求和实验方法》中明确规定,所有量产乘用车必须强制安装胎压侦测系统(TPMS,TirePressure Monitor System),胎压传感器就是胎压侦测系统的一部分。
结合图1,在待充电车辆向充电车位移动过程中,通过胎压传感器向地端发送信号。地端是指设置在充电车位上的无线充电发射装置,也称发射端。其包括功率发射线圈C、工作电路等,在本实施例中,地端应具有两个接收器——第一接收器A和第二接收器B,这两个接收器至少能够用来接收上述胎压传感器发送的信号。
第一接收器A接收该信号,并能够通过该信号计算得到第一接收器A和发出信号的胎压传感器之间的距离LA,胎压传感器的信号不止发送一次,因此能够获取N个时刻第一接收器A和发出信号的胎压传感器之间的距离,以LAN表示。同理,第二接收器B接收该信号,并能够通过该信号计算得到第二接收器B和发出信号的胎压传感器之间的距离LB,胎压传感器的信号不止发送一次,因此能够获取N个时刻第二接收器B和发出信号的胎压传感器之间的距离,以LBN表示。这里N至少为3。
需要注意,胎压传感器发送信号是在待充电车辆移动过程中发送多次,不能是车辆停止状态,发送多次信号。
在运行过程中,将同一时刻内的所述第一接收器A与所述胎压传感器的距离LAN、所述第二接收器B与所述胎压传感器的距离LBN,以及胎压传感器的位移信息形成数据组。例如胎压传感器第一次发送信号时(第一时刻),得到该时刻内的LA1、LB1,该时刻内的位移可以作为初始位置。第二次发送信号时(第二时刻),得到该时刻内的LA2、LB2,以及第二时刻的位移信息,该位移信息是相对第一时刻车辆的位移信息。同理,第三次发送信号时得到LA3、LB3,以及第三时刻的位移信息,第三时刻的位移信息可以是相对第二时刻车辆的位移信息,也可以是相对第一时刻的,只要能够确定相对位置即可。
上述胎压传感器的位移信息是易于获取的,通过车辆行驶状态即可获取,例如前进、后退、转向等操作都是可以被记录的,因此位移是可以知晓并记录的。
在上述的数据组中,选取至少三个,计算得到所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
为了方便对具体的计算方式进行说明,以发出信号的胎压传感器所在的轮胎中心处为原点建立空间坐标系,向车头方向为X轴,沿车轴方向为Y轴,竖直方向为Z轴;上述车辆位移信息,就可以到该空间坐标系中。空间坐标系的原点确定后,不会随车辆的移动改变,一般是在首次发出信号的胎压传感器所在的轮胎中心处。
一般的,以第一次发出信息,也就是第一时刻轮胎的位置(也可以叫起始位置)为基础,建立空间坐标系。也就是说,第一时刻的车辆的位移信息可以在三个轴上都是0。需要注意,具体的数值表达本申请不做限定,其目的是为了能够在空间坐标系上形成对应的位置。后续时刻的车辆的位移信息,是相对于第一时刻(起始位置)在X轴、Y轴和Z轴上的移动距离,也可以是相对上一时刻在X轴、Y轴和Z轴上的移动距离。无论哪种记录方式,均能够得到确定的位置。胎压传感器旋转角度、轮胎转向角度同样可以属于位移信息,胎压传感器旋转角度随轮胎的转动变化,例如可以通过转速传感器获取到该数据,轮胎转向角度一般是是指前轮的转向角度,方向盘角度传感器可以获取。
在上述空间坐标系中,第一接收器坐标为(A1,B1,C1),第二接收器坐标为(A2,B2,C2)。
在第N时刻:
其中,R为轮胎半径,r胎压传感器与轮胎中心的距离;θN为在第N时刻胎压传感器与Z轴正方向的夹角值;XN为第N时刻车辆(轮胎中心)在X轴的距离值;YN为第N时刻车辆(轮胎中心)在Y轴的距离值;αN为第N时刻轮胎转向角度。需要注意,选用后轮胎压传感器,其转向角度为0,即后轮不会转向;如果选用前轮的胎压传感器,就需要根据转向的实际角度计算,转向的实际角度,车辆是可以获取的,例如通过方向盘角度传感器。在选用后轮胎压传感器时,也就是α=0时,上述公式1和公式2可以分别简化如下:
N=1时,也就是第一时刻,X1、Y1和θ1是可以为0的。当N≥2时,XN=XN-1+△XN-1,YN=YN-1+△YN-1,θN=θn-1+△θN-1。△XN-1、△YN-1和△θN-1是相对上一时刻的变化值。例如X2=X1+△X1,Y2=Y1+△Y1,θ2=θ1+△θ1;X3=X2+△X2,Y3=Y2+△Y2,θ3=θ2+△θ2,这里,△X2、△Y2、△θ2,是第三时刻相对第二时刻的变化值。
如果想采用后续时刻,均相对第一时刻的表达,可以相应的调整上述表达式,例如X2=X1+△X1’;X3=X1+△X2’,依次类推,这里△X1’和△X2’都是相对第一时刻在X轴上的位移变化。
需要注意,X1和Y1是可以知晓的,第一时刻作为起始位置(或者叫初始位置),他们都是0,但是θ1是未知的,因为即使在起始时刻,胎压传感器与Z轴正方向的夹角值不一定为0,但是这不影响后续△θN-1的获取,因为变化值是可以根据轮胎的移动获取的。即该参数初始坐标不明确,但不影响此推演计算。
本示例中,胎压传感器安装在轮毂上,且在上述空间坐标系的XOZ平面上,N时刻胎压传感器与Z轴正方向的夹角为θN,那么此时胎压传感器的坐标为(r·sinθN·cosαN+XN,r·sinαN+YN,r·cosθN),因为这里X1和Y1可以是0,则第一时刻胎压传感器的坐标为(r·sinθ1,r·sinαN,r·cosθ1)。
上述公式1中,包括的未知数有A1、B1、C1、θ1,从而需要获取至少4个数据组),来获取唯一的解。在一些实施例中,考虑到充电车位一般是在平面上设置(也就是将地面全部视为平面的情况),而非设置在倾斜位置,或者设置在有较大高度差的位置,一般Z轴方向的变化可以忽略,因此两个接收器Z轴坐标可以是-R,也就是轮胎半径,即C1=-R;C2=-R,上述数据组,可以减少到三组。同理,公式2中包括的未知数有A2、B2、C2、θ2,从而需要获取至少4个数据组,来获取唯一的解,在将地面视为平面时,也存在至少需要3个数组的情况。
综上需要3个或4个方程组(包括公式1和公式2的方程组)就可以求解第一接收器A和第二接收器B在空间坐标系中的位置。
上述公式中,涉及到平方根,因此可能会得到正负两组解,但是通过车辆位移的整体方向,可以知道,车辆是向靠近车位的方向移动的,计算得到的正负两组解,就可以排除与车辆运动方向相异的一组解。
需要注意,上述公式中,我们默认车辆在Z轴上移动为0,或者趋近于0。一般认为车辆要停入车位时,车位及附近的地面为平面。
另外,因为在获取数据组时,每组数据的时间间隔可以很短,即使在有倾斜的地面上停车,在短时间内Z轴上的移动近距离,也相比X轴和Y轴更小,因此也可以忽略不计。如果是地面倾斜极大,车辆在向车位移动过程中,在Z轴有极大的落差,这种情况需要在上述公式1和公式2中加入Z轴的参数,公式1加入该参数后为:
公式2加入该参数后为:
不过在具有这种极大落差的地面上,一般也不符合无线充电的工作环境要求,因此不对该特殊情况展开说明。
另外,在充电车位上,第一接收器A、第二接收器B、地端的功率发射线圈C、以及车位四角,它们之间的位置关系是固定的,因此,在空间坐标系中,随着第一接收器A和第二接收器B的坐标位置确定,车位的位置以及功率发射线圈C的位置就在空间坐标系中可知,从而对于待充电车辆而言,就可以形成对应的停车导航,无论是引导驾驶员停车还是自动泊车,都可以基于上述空间坐标系中的坐标实现。
参见2图,将充电车位视为平面,在其上建立平面坐标系,在该平面坐标系中,包括了第一接收器A、第二接收器B、功率发射线圈C,以及充电车位的四角,这四个角以从左上角开始,以顺时针的顺序,依次以D、E、F、G示出。连接第一接收器A和第二接收器B所在点,以此作为平面坐标系的X’轴,由第一接收器A指向第二接收器B,平面坐标系的Y’轴与平面坐标系的X’轴垂直,Z’轴在X’轴和Y’轴交点处,垂直地面。这里使用X’、Y’、Z’是为了同空间坐标系区分。一般的,第一接收器A和第二接收器B的排布方式,使平面坐标系的X’轴不与充电车位的边框平行,即不与图中车位线DF、DE、EG、FG平行。车位线即指充电车位的边框,可以是充电车位实际的画线,也可以是没有实际的画线,人为规定的一个区域。相比于使用视觉方案的引导定位,对于没有画线的停车位,该方案更具优势。
假设该充电车位宽为2.5米(DE和FG长度),长5米(DF和EG长度),第一接收器A在靠近D点处,距离DF和DE分别为0.5米,第一接收器B距离DF和DE分别为1米,功率发射线圈C距离DF为1米,距离DE为4米。在平面坐标系中,各点坐标为:
结合上述的空间坐标系计算得到的第一接收器A和第二接收器B的坐标,可以推算出平面坐标系中C、D、E、F、G各点在空间坐标系中的坐标,从而知晓各个位置。上述C点的坐标,一般是功率发射线圈C的中心位置,第一接收器A和第二接收器B一般也是指中心位置。
我们这里的平面坐标系默认车位是平面的,如果车位处于倾斜地面,那么就需要在车位所在处建立新的空间坐标系,后续的计算配合不赘述。
下面以一个示例,描述完整的过程。当待充电车辆准备停泊到某充电车位进行无线充电时,主要经历以下阶段:地端与车端建立通讯→交换充电信息并进行兼容性检查→待充电车辆停泊在地端正上方的一定范围内→完成进一步的兼容性检查→开始充电。对于兼容性检查,本申请仅对如何实现进行基础的说明。对如何引导待充电车辆实现“停泊在地端正上方的一定范围内”,也就是如何实现引导定位,进行详细说明。
当待充电车辆的车端无线充电设备与充电车位上地端的设备建立起稳定通讯后:
1.双方交换充电信息并进行兼容性检查,确认相互匹配。
2.车端将在此通信中明确胎压传感器即将发送信息内容的校验是什么,用于当多个待充电车辆同时停靠在多个相邻车位时,地端在收到多个信号时可以明确哪个信号是所匹配的待充电车辆,例如,车端可以告诉地端,车辆胎压传感器发送的信息中前8位为唯一的校验码“********”。
3.地端的设备将在此通讯中明确其第一接收器A和第二接收器B(可以在地端任意位置,优选的该天线接收端可以放置在离车辆进入车位侧更近的地方)、车位线、功率发射线圈C在地面的相对位置,根据此相对位置,可以描绘出整个车位的地面设备的布置状态。
4.双方完成上述匹配后,便开始进一步的测距与定位,如图1所示,左侧为待充电车辆,其左后轮的星代表胎压传感器,右侧为充电车位。
5.待充电车辆的胎压传感器在第一时刻发送信号。
6.地端的第一接收器A和第二接收器B根据接收到的信号强度(RSSI)计算得到了两个距离LAN和LBN,并可以在此时,将此距离传递给车辆控制器。
具体如下:
6.1建立空间坐标系,以左后轮(本实施例中默认使用左后轮的胎压传感器)中心为原点,建立上述空间坐标系,轮胎的半径为R(已知),胎压传感器与轮胎中心的距离r(已知);
6.2在此空间坐标系下,第一接收器A坐标为(A1,B1,C1),第二接收器B坐标为(A2,B2,C2);这两个坐标具体数据未知,是要结算的内容。
6.3由于胎压传感器安装位置有较多种可能,但只改变了胎压传感器自身的初始坐标,均不影响此推演计算,本示例中胎压传感器安装在轮毂上且轮胎没有转向,即在上述坐标系的XOZ平面上(本示例认为车位附近平整,即认为车辆移动过程中没有Z方向的移动)。第一时刻,假设初始状态(T1)胎压传感器与Z轴正方向的夹角为θ1(未知),为(r·sinθ1·cosα1,r·sinα1,r·cosθ1),上文已说明如何获取。本示例胎压传感器安装在后轮上,车轮始终与车头方向平齐,α1=0,同样的αN始终也为0。
7.结合上文的公式1和公式2,在第一时刻可得到以下公式:
为了更直观的理解,可以结合图3,以胎压传感器为球心(图中以I示出),第一接收器A在以LA1为半径的球面上,第二接收器B在LB1为半径的球面上。需要注意,这里图3是为了更直观的理解,而非对上述计算过程的限制和说明。
8.待充电车辆进一步移动,胎压传感器在第二时刻发送信号,此时车轮转动到了θ2(车辆控制系统,可以获知转动角度△θ1,也就是在第一时刻到第二时刻之间,转动的角度的变化值,可正可负,从而θ2=θ1+△θ1),车辆在X轴正方向移动到了X2,在Y轴正方向移动到了Y2,此时的车轮转向角度为α2。
结合上述公式1和公式2,在第二时刻可得到以下公式:
上述θ2可以由θ1+△θ1转换为用“θ1”表述,也就是公式1.2和公式2.2中关于角度的未知数,仍为“θ1”。
在图4的基础上,以新的胎压传感器位置为球心(以II示出);此时第一接收器A可能存在的位置是以LA1为半径的球面与以LA2为半径的球面的重叠处,第二接收器B可能存在的位置是以LB1为半径的球面与以LB2为半径的球面的重叠处。重叠处不止一处,图5中以A’和B’示出了另一处可能存在的位置。
9.类似于上述,待充电车辆进一步移动,胎压传感器在第三时刻发送信号,结合上述的说明,在第三时刻可得到以下公式:
在图5的以新的胎压传感器位置为球心(以III示出);此时第一接收器A可能存在的位置是以LA1为半径的球面、以LA2为半径的球面、以LA3为半径的球面的三个球面的重叠处;第二接收器B可能存在的位置是以LB1为半径的球面、以LB2为半径的球面、以LB3为半径的球面的三个球面的重叠处。
并且,我们知晓以胎压传感器为球心时,第一接收器A和第二接收器B不可能在Z轴上比胎压传感器更高,更确切的说,他们安装在地上,应该在Z=-R的平面上,因此从图上可以确定其位置。也就是A’和B’所在的位置不符合要求,从而确定以A和B示出的位置为第一接收器和第二接收器的位置。
除了从图中看出,从公式1.1、公式1.2和公式1.3中,其包括的未知数有X1、Y1和θ1,通过这三个公式可以计算得出,同理从公式2.1、公式2.2和公式2.3中可以得出X2、Y2和θ2。这样就能得到第一接收器A和第二接收器B在空间坐标系中的坐标。
公式3.1、公式4.1、公式3.2、公式4.2、公式3.13、公式4.3,他们都是-R,不影响第一接收器A和第二接收器B的位置计算。
当然,可以在上述“8”、“9”两步的基础上,继续获取数据,并结合公式1和公式2,从而更精确的获取位置信息。同时,也可以将其他车轮上的胎压传感器,都接入该计算中,因为个轮胎之间的位置固定,因此可以进一步精确位置的计算。
另外,需要注意,胎压监测系统本身也在接收各胎压传感器的信号,根据其接收的信号强度(RSSI)也可以得到胎压传感器的运动轨迹,可以与上述的计算用到的胎压传感器在车轮上的运动轨迹做对比、验证、修正。
上述以胎压传感器也可以换成其他天线,例如车门把手中的天线,也可以新增专门用于上述计算的天线。
上述算法仍适用于UWB(超宽带无线通信技术),优选的其安装位置可集成在胎压传感器上或也安装在车辆车轮上,同样适用于上述算法的框架,此时上述算法中用于得到距离的“收到的信号强度(RSSI)”将不适用,取而代之的是双向飞行时间法( TW-TOF, twoway-time of flight),算法的整体架构仍适用。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果,以上所述仅为本发明的较佳实施例,但本发明不以图面所示限定实施范围,凡是依照本发明的构想所作的改变,或修改为等同变化的等效实施例,仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时,均应在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,包括:
在待充电车辆向充电车位移动过程中,通过胎压传感器发送信号;
地端的第一接收器接收所述信号,获取 N个时刻所述第一接收器与所述胎压传感器的距离LAN;
地端的第二接收器接收所述信号,获取 N个时刻所述第二接收器与所述胎压传感器的距离LBN;
将同一时刻内的所述第一接收器与所述胎压传感器的距离LAN、所述第二接收器与所述胎压传感器的距离LBN,以及位移信息形成数据组,选取至少三个不同时刻的所述数据组,计算得到所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
2.根据权利要求1所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
以发出信号的胎压传感器所在的轮胎中心处为原点建立空间坐标系,向车头方向为X轴,沿车轴方向为Y轴,竖直方向为Z轴;
所述位移信息至少包括:轮胎中心在空间坐标系中,X轴和Y轴上的移动距离;
或者,所述位移信息至少包括:轮胎中心相对于上一时刻在X轴和Y轴上的移动距离;
空间坐标系的原点,为胎压传感器发出信号时所在的轮胎中心处,不随车辆位移改变位置。
3.根据权利要求2所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
所述位移信息还包括:胎压传感器旋转角度、轮胎转向角度。
5.根据权利要求4所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
当N大于等于2时:θN=θN-1+ΔθN-1
其中,ΔθN-1是相比上一时刻的夹角值的变化值;
当N等于1时θ1是初始角度。
6.根据权利要求4或5所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
当N大于等于2时:XN=XN-1+△XN-1;YN=YN-1+△YN-1
△XN-1是相对上一时刻在X轴上的变化值;△YN-1是相对上一时刻在Y轴上的变化值;
当N等于1时X1和Y1是初始位置,且可以为0。
7.根据权利要求1所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
在待充电车辆向充电车位移动过程中,形成三个所述数据组,使用这三个所述数据组计算所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
8.根据权利要求1所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
在待充电车辆向充电车位移动过程中,持续形成所述数据组,并持续选取最近的三个数据组,以优化计算所述第一接收器和所述第二接收器的位置信息。
9.根据权利要求1所述的车辆无线充电空间引导定位方法,其特征在于,
所述胎压传感器发送的信号中包括用于校验的校验码。
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