CN115610250A - 一种自动充电设备控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种自动充电设备控制方法及系统，具体涉及电动汽车技术领域。机器人移动至充电桩，并与充电插头连接，通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口位置并追踪，对电动汽车充电端口位置空间定位，提取充电端口三维位置坐标，根据充电端口三维位置坐标规划充电插头的移动路径，依据移动路径控制机器人到达目标位置，将充电插头插接至充电端口。本发明能够实现对电动汽车充电的自动控制，无需人工对充电口进行操作，大大提升了电动汽车的充电效率。

Description

一种自动充电设备控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体为一种自动充电设备控制方法及系统。
背景技术
电动汽车因具有清洁、无污染和可再生的优点，使得当下家用电动汽车蓬勃发展，市场需求量不断上升，得到了快速的发展。
由于现有电池技术水平的限制，电动汽车一次充电数小时仅能行驶有限的路程。现用户使用完电动汽车储备电量后，需要为车辆手动充电，然而，电动汽车快充具有充电枪线重、不易弯折、插拔力大以及充电电流大的特点，因此不利于人工插接。
所以，如何提高电动汽车自动充电技术，更实用便利的实现电动汽车全自动充电，减少人力资源的投入，是当前电动汽车发展的必然趋势。
发明内容
本发明为了克服人工插拔充电枪的困难，提高电动汽车自动化程度，特此提供一种自动充电设备控制方法，方法包括：
S101、机器人移动至充电桩，并与充电插头连接；
S102、通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口位置并追踪；
S103、对电动汽车充电端口位置空间定位，提取充电端口三维位置坐标；
S104、根据充电端口三维位置坐标规划充电插头的移动路径；
S105、依据移动路径控制机器人到达目标位置，将充电插头插接至充电端口。
优选地，步骤S101包括：
场站预埋用于引导机器人行走的轨迹磁条；
通过订阅摄像头移动监测事件进行抓图，获取车辆驶入路径；
当车辆驶入充电区域时，从恒温仓内调出机器人，并基于充电区域和机器人的初始位置，生成机器人行驶路线。
优选地，步骤S104包括：
利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配；
基于立体图像匹配计算出充电插头与充电端口的相对几何位置关系；
根据充电插头与充电端口的相对几何位置关系控制机器人运动的轨迹段。
优选地，步骤S105中将充电插头插接至充电端口包括：
插接首先定位充电端口中的大孔口；
其次，基于接触深度、孔径、间隙依次对准小孔口、插针。
优选地，步骤S105中将充电插头插接至充电端口还包括：
依据充电插头插与充电端口接触时接触力的方向和大小对充电插头的位姿进行调整。
优选地，S101还包括
通过模拟场站充电桩与机器人导轨平面地图，标识当前机器人位置，建立机器人位置拓扑图。
本发明还提供一种自动充电设备控制系统，系统包括：充电桩、机器人和工控机；
机器人包括机械臂和双目摄像头；
充电桩包括充电插头，充电插头与机械臂连接；
工控机与机器人连接，控制机器人移动；
工控机通过双目摄像头定位电动汽车的充电端口位置，并控制双目摄像头追踪充电端口；
工控机内设有边缘识别模块、定位模块和路径规划模块；
边缘识别模块，用于通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口；
定位模块，用于对电动汽车充电端口位置空间定位，提取充电端口三维位置坐标；
路径规划模块，用于根据充电端口三维位置坐标规划充电插头的移动路径。
优选地，还包括场站和恒温仓；
场站内预埋有用于引导机器人行走的轨迹磁条，并在场站内划定充电区域；
场站内设有道路交通摄像头，工控机与道路交通摄像头连接；
工控机通过道路交通摄像头订阅摄像头移动监测事件进行抓图，获取车辆驶入路径；
恒温仓用于存放机器人，工控机与恒温仓连接，通过恒温仓控制机器人启动。
优选地，工控机内设有视觉识别模块和位置计算模块；
视觉识别模块，用于利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配；
位置计算模块，用于基于立体图像匹配计算出充电插头与充电端口的相对几何位置关系。
优选地，工控机设有力控制模块；
机器人还设有力传感器；
工控机通过力传感器获取了机器人末端的力信息；
力控制模块，用于依据充电插头与充电端口接触时接触力的方向和大小对充电插头的位姿进行调整。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明建立以工控机为控制中心的控制体系，通过工控机连接机器人，控制机器人移动，并基于立体图像匹配、力控制算法使得机械臂能够精准控制充电插头插入充电端口。本发明通过摄像头获取车辆进入充电区域时，从恒温仓内激活调取机器人，本发明建立模拟场站充电桩与机器人导轨平面地图，并依据车辆位置和车辆就近的充电桩位置，规划机器人移动路线，提高机器人移动的准确性和稳定性。本发明控制机器人移动至充电桩对待充电车辆实施自动充电，无需人工对充电口进行操作，大大提升了电动汽车的充电效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为自动充电设备控制方法流程图。
图2为自动充电设备控制系统示意图。
图3为充电插头示意图。
图4为充电端口示意图。
图5为自动定位插接过程的三个阶段示意图。
图6插头插座配合A-A截图。
图7插头插座配合B-B截图。
图8插头插座配合C-C截图。
图中：1-工控机、10-边缘识别模块、11-定位模块、12-路径规划模块、13-视觉识别模块、14-位置计算模块、15-力控制模块、2-机器人、20-机械臂、21-双目摄像头、22-力传感器、3-充电桩、30-充电插头、31-充电端口、4-恒温仓、5-道路交通摄像头。
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。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中如U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，包括若干指令用以使得一台计算机终端(可以是个人计算机，服务器，或者第二终端、网络终端等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，系统或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
除非另有定义，本申请实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本申请实施例中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
对本申请实施例进行进一步详细说明之前，对本申请实施例中涉及的名词和术语进行说明，本申请实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
边缘特征提取法：边缘是图像最基本的特征之一，边缘检测的效果将直接影响到图像的分析、识别和理解。边缘提取有两种操作方式:一是直接在空间域中进行提取，另一种方式是先对图像做一变换,在其变换域中提取边缘。自适应边缘提取就是在处理和分析过程图像边缘中，根据处理数据的数据特征自动调整处理方法、处理顺序、处理参数、边界条件或约束条件，使其与所处理数据的统计分布、特征结构特征相适应，以取得最佳的提取效果。
双目视觉系统又称双目立体视觉系统，包括双目摄像头21和视觉传感器，双目立体视觉融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，这个差别，称作视差(Disparity)图像。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。对运动物体(包括动物和人体形体)测量中，由于图像获取是在瞬间完成的，因此立体视觉方法是一种更有效的测量方法。双目立体视觉系统是计算机视觉的关键技术之一，获取空间三维场景的距离信息也是计算机视觉研究中最基础的内容。
角点检测：角点检测算法可归纳为3类：基于灰度图像的角点检测、基于二值图像的角点检测、基于轮廓曲线的角点检测。基于灰度图像的角点检测又可分为基于梯度、基于模板和基于模板梯度组合3类方法，其中基于模板的方法主要考虑像素领域点的灰度变化，即图像亮度的变化，将与邻点亮度对比足够大的点定义为角点。
本发明在场站内设置配电箱、充电桩3、监控摄像头、机器人2及配套设施，并在场站内预埋有用于引导机器人2行走的轨迹磁条。本发明在场站内划定充电区域，场站内设有道路交通摄像头5，道路交通摄像头5采用海康摄像头SDK，通过订阅摄像头移动监测事件进行抓图，将图片通过车牌识别算法模块读取车牌号，基于车牌号对车辆进行定位，并获取车辆驶入路径。
具体为，本发明通过海康摄像头SDK进行定时拍照，将照片通过API接口传至工控机1，当时识别到车牌信息时，保存识别到的车辆及原始照片路径，同时通知调度模块有车辆驶入。
工控机1设置车牌识别算法，使用python语言基于opencv的模板识别来识别车牌识别功能，步骤为:定位车牌，矫正车牌，识别颜色，分割字符，识别字符。本发明采用Tensorflow、yolo、pytorch、CNN等软件，通过一定数量的系统训练提高识别字符的准确性，使车牌识别算法的识别效率为97％。
本发明为了延长机器人2使用寿命，节省不必要的消耗，机器人2在待机期间在恒温仓4内处于休眠状态，主电源断开，仅保持辅助电源给电源通讯模块供电。当检测车辆是否驶入充电区域，停靠到位，或根据车辆行驶路径进行预判车辆是否为待充电车辆，工控机1发送工作命令时打开主电源并启动机器人2，启动完成后外出恒温仓4进行工作，完成工作后返回恒温仓4，30分钟后再次进入休眠状态。
本发明对机器人2通讯进行解析，通讯方式采用wifi中继方式，工控机1通过通信装置与机器人2建立连接，当机器人2连接完成后，首先发送登录信息，登录完成后，定时发送状态信息及位置信息数据；工控机1主动发送动作命令到机器人2，通知机器人2执行相应动作。
本发明对机器人2的调度采用先进先出原则，即按扫码和充电完成先后顺序创建消息队列，工控机1通过消息队列下发任务，完成一条任务，在队列中删除该任务信息，当任务队列为空时，通知机器人2回到恒温仓4。
本发明的工控机1建立网络拓扑图显示用来展示当前充电桩3状态、机器人2位置、机器人2历史故障信息以及机器人2状态的展示，是将机器人2当前位置及工作状态信息通过工控机1进行展示，工控机1显示当前充电桩3、机器人2状态，统计当日充电记录电量及次数。当出现故障或异常信息时，提示相关异常消息，场站人员可根据消息进行下一步操作。
工控机1建立机器人2位置拓扑图，模拟场站充电桩3与机器人2导轨平面地图，标识当前机器人2状态位置及摄像头识别的车辆信息，地图信息每秒刷新。本发明通过工控机1管理场站内所有机器人2信息，包括机器人2ID、名称、型号、绑定桩编号数组、车牌及车型、车辆充电盖蓝牙编号信息等基础信息、查询导出、添加更改。
本发明将充电桩3、机器人2和工控机1通过通信接口和控制电路建立连接。，如图2所示，机器人2为执行机构，也是基础平台，机器人2包括机械臂20和双目摄像头21或视觉传感器，双目摄像头21对充电插座进行识别与定位。本发明建立以工控机1为控制中心，通过工控机1协调控制机器人2和双目摄像头21以及控制电路，实现电动汽车的自动充电。
本发明的整个系统的各个组成部分之间通过电路及通信接口建立连接。其中双目摄像头21实现对电动汽车充电插座位置识别与空间定位，并将坐标位置数据传输到工控机1，工控机1再将此信息进行处理转换后变为机器人2指令发送给机器人2，控制机器人2执行，并到达目标位置，完成充电任务，根据设定的时间充电完毕后，机器人2回到恒温仓4，等待下次指令。
充电桩3包括充电插头30，充电插头30与机械臂20连接，机械末端设有力传感器22。工控机1与机器人2连接，工控机1通过力传感器22采集了机器人2末端的力信息，并控制机器人2移动。工控机1通过双目摄像头21定位电动汽车的充电端口31位置，并控制双目摄像头21追踪充电端口31，工控机1内设有边缘识别模块10、力控制模块15、视觉识别模块13、位置计算模块14、定位模块11和路径规划模块12。边缘识别模块10，用于通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口31。定位模块11，用于对电动汽车充电端口31位置空间定位，提取充电端口31三维位置坐标。路径规划模块12，用于根据充电端口31三维位置坐标规划充电插头30的移动路径。视觉识别模块13用于利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配。位置计算模块14用于基于立体图像匹配计算出充电插头30与充电端口31的相对几何位置关系。力控制模块15，用于依据充电插头30与充电端口31接触时接触力的方向和大小对充电插头30的位姿进行调整。
工控机1通过USB通信线采集视觉传感器经过图像处理之后的十六进制数据，并对串口数据进行提取与校验，校验符合要求则对其进行转化，串口数据不符合要求则故障指示灯亮。用户按下遥控开关时同时初始化机器人2并自动连接机器人2，并将经过解析转化后的充电插座的空间位置信息指令发送给机器人2，机器人2执行指令并到达目标位置后，工控机1对此时获取的机器人2传送来的力信息进行判断与处理，根据相应的控制算法发送位姿调整指令给机器人2，机器人2不断执行这些指令直到调整完毕。判断自动插接完成便开始对电动汽车充电，并控制充电指示灯亮。机器人2在充电完毕之后则回到原位等待下次应答运动控制指令。
基于上述自动充电设备控制系统，本发明还提供一种自动充电设备控制方法，如图1所示，具体步骤S101、场站预埋用于引导机器人2行走的轨迹磁条，通过订阅摄像头移动监测事件进行抓图，获取车辆驶入路径，当车辆驶入充电区域时，从恒温仓4内调出机器人2，工控机1通过模拟场站充电桩3与机器人2导轨平面地图，标识当前机器人2位置，建立机器人2位置拓扑图，并基于充电区域与机器人2的初始位置预先生成机器人2行驶路线，启动机器人2携带充电枪以使机器人2基于自动引导装置按照所述行驶路线行驶，工控机1接收机器人2雷达扫描装置返回的扫描结果，若扫描结果为行驶路线上没有异物，则向电动汽车端发送打开充电口的报文，在机器人2移动至所述行驶路线的终点后，接收机器人2摄像头采集的实时图像，从所述实时图像中识别出充电口，并基于充电口在实时图像中的位置为机器人2的机械臂20规划运动路线以使所述机械臂20将充电插头30或充电枪插入充电端口31。
S102、通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口31位置并追踪。
工控机1通过系统各个装置的安装精度及图像处理系统本身的精度来提高插接精度，满足机器人2自动充电的自动插接过程对充电插座准确定位的要求。本发明通过边缘特征提取定位，能够防止因极小的错位而导致插接接触力过大，从而避免插接件之间的卡滞、楔紧、擦伤，损坏插头或插座甚至造成机器人2的损坏等事故的发生。
S103、对电动汽车充电端口31位置空间定位，提取充电端口31三维位置坐标。
S104、根据充电端口31三维位置坐标规划充电插头30的移动路径。
具体为利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配，基于立体图像匹配计算出充电插头30与充电端口31的相对几何位置关系，根据充电插头30与充电端口31的相对几何位置关系控制机器人2运动的轨迹段。
S105、依据移动路径控制机器人2到达目标位置，将充电插头30插接至充电端口31。插接首先定位充电端口31中的大孔口，其次，基于接触深度、孔径、间隙依次对准小孔口、插针。本发明依据充电插头30插与充电端口31接触时接触力的方向和大小对充电插头30的位姿进行调整。
本发明通过一个具体实施方式对充电插头30与插座进行插接过程进行一个具体说明，插接首先需要对准大的孔口，然后进行7个小孔口与4个插针的对准。二者配合后的各截面剖视图如图6-8所示。本插接过程使用了其中的四个孔口。插头与插座接触深度约为32mm，A-A、B-B、C-C剖面插针外充电插头30小的内圆与充电插座小的外圆的接触深度为25mm，A-A剖面插针与插口接触深度20mm，B-B剖面为8mm。充电插头30与充电插座配合的外圆，直径分别为：51mm和51.5mm，间隙为0.5mm。充电插头30插针与充电插座配合的外圆，A-A剖面和C-C剖面直径分别为：14.5mm14mm，间隙为0.5mm；B-B剖面直径分别为：10mm和9.5mm，间隙为0.5mm。A-A剖面插针直径为6mm，B-B剖面为3mm，他们之间是没有间隙的。通过分析，发现插接时的间隙是为0.5mm，在插接时会在插头与插座空间内形成一个较封闭的空间。
本发明为了防止在视觉定位等存在误差定位情况下发生卡阻，提高插接精度，本发明对充电插座孔心的定位精确度、充电插头30与充电插座的插接间隙、接触时接触力的方向和大小、充电插头30与充电插座相对运动的调整趋势等在插接过程中影响到能否插接成功的关键因素进行进一步的深入分析和研究。
具体为根据充电插头30与充电插座的相对几何位置关系，在自动充电过程当中，将机器人2的运动分为三段，如图5所示：视觉定位运动阶段、反馈力调整阶段、调整完毕继续运动直到插接完成阶段。在第一段运动轨迹当中，机器人2的运动是为了到达视觉系统定位的目标点，第二段运动轨迹则是需要进行接触调整的轨迹段，第三段是接触调整完毕完成插接进行阶段。
进一步详细说明的是，第一运动阶段是为整个插接过程做准备，此阶段通过视觉传感器定位得到充电插座的位置信息，让机器人2运动到此位置。当检测到充电插头30与充电插座产生接触则进入第二阶段，这个阶段的决定了整个插接过程的成功与失败。在这一阶段中，工控机1通过采集到视觉传感器的数据进行判断，并相应的解析提取以及转换处理，进而调整机械臂20的运动的轨迹段，并尽可能减小插接误差，以达到充电位置。在此过程中充电插头30与充电插座极易发生卡阻。机器人2可以通过力控策略以及相关算法完成对机器人2的位姿调整，直到调整完成，机器人2末端继续运动达到要求的充电位置以及插接深度，完成整个插接过程，则电动汽车开始充电。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种自动充电设备控制方法，其特征在于，方法包括：
S101、机器人移动至充电桩，并与充电插头连接；
S102、通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口位置并追踪；
S103、对电动汽车充电端口位置空间定位，提取充电端口三维位置坐标；
S104、根据充电端口三维位置坐标规划充电插头的移动路径；
S105、依据移动路径控制机器人到达目标位置，将充电插头插接至充电端口。
2.根据权利要求1所述的自动充电设备控制方法，其特征在于，步骤S101包括：
场站预埋用于引导机器人行走的轨迹磁条；
通过订阅摄像头移动监测事件进行抓图，获取车辆驶入路径；
当车辆驶入充电区域时，从恒温仓内调出机器人，并基于充电区域和机器人的初始位置，生成机器人行驶路线。
3.根据权利要求1所述的自动充电设备控制方法，其特征在于，步骤S104包括：
利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配；
基于立体图像匹配计算出充电插头与充电端口的相对几何位置关系；
根据充电插头与充电端口的相对几何位置关系控制机器人运动的轨迹段。
4.根据权利要求1所述的自动充电设备控制方法，其特征在于，步骤S105中将充电插头插接至充电端口包括：
插接首先定位充电端口中的大孔口；
其次，基于接触深度、孔径、间隙依次对准小孔口、插针。
5.根据权利要求1所述的自动充电设备控制方法，其特征在于，步骤S105中将充电插头插接至充电端口还包括：
依据充电插头插与充电端口接触时接触力的方向和大小对充电插头的位姿进行调整。
6.根据权利要求1所述的自动充电设备控制方法，其特征在于，S101还包括
通过模拟场站充电桩与机器人导轨平面地图，标识当前机器人位置，建立机器人位置拓扑图。
7.一种自动充电设备控制系统，其特征在于，系统包括：充电桩、机器人和工控机；
机器人包括机械臂和双目摄像头；
充电桩包括充电插头，充电插头与机械臂连接；
工控机与机器人连接，控制机器人移动；
工控机通过双目摄像头定位电动汽车的充电端口位置，并控制双目摄像头追踪充电端口；
工控机内设有边缘识别模块、定位模块和路径规划模块；
边缘识别模块，用于通过边缘特征提取法识别电动汽车充电端口；
定位模块，用于对电动汽车充电端口位置空间定位，提取充电端口三维位置坐标；
路径规划模块，用于根据充电端口三维位置坐标规划充电插头的移动路径。
8.根据权利要求7所述的自动充电设备控制系统，其特征在于，还包括场站和恒温仓；
场站内预埋有用于引导机器人行走的轨迹磁条，并在场站内划定充电区域；
场站内设有道路交通摄像头，工控机与道路交通摄像头连接；
工控机通过道路交通摄像头订阅摄像头移动监测事件进行抓图，获取车辆驶入路径；
恒温仓用于存放机器人，工控机与恒温仓连接，通过恒温仓控制机器人启动。
9.根据权利要求7所述的自动充电设备控制系统，其特征在于，
工控机内设有视觉识别模块和位置计算模块；
视觉识别模块，用于利用角点检测提取图像特征信息，进行立体图像匹配；
位置计算模块，用于基于立体图像匹配计算出充电插头与充电端口的相对几何位置关系。
10.根据权利要求7所述的自动充电设备控制系统，其特征在于，
工控机设有力控制模块；
机器人还设有力传感器；
工控机通过力传感器获取了机器人末端的力信息；
力控制模块，用于依据充电插头与充电端口接触时接触力的方向和大小对充电插头的位姿进行调整。
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