CN210617895U - 一种高精度自动充电车辆引导定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高精度自动充电车辆引导定位系统，包括定位接收端和定位发射端，定位发射端包括定位发射端控制器、同步信号发射模块、连接用超声波发射器和若干引导用超声波发射器，同步信号发射模块、连接用超声波发射器和若干引导用超声波发射器均连接至定位发射端控制器，定位接收端包括定位接收端控制器、同步信号接收模块和若干个超声波接收器，同步信号接收模块和若干超声波接收器连接至定位接收端控制器上，定位发射端控制器和定位接收端控制器上均安装有无线通信模块；本实用新型通过超声波以时钟同步方式实现对电动汽车充电时的准确连接，解决了电动汽车在充电时因空间和位置的距离误差使充电连接不准确，从而造成安全隐患。

Description

一种高精度自动充电车辆引导定位系统

技术领域

本实用新型属于电动汽车充电桩技术领域，具体涉及一种高精度自动充电车辆引导定位系统。

背景技术

在现有的自动充电系统中，主要包括车载单元和外部充电设备（可以是充电弓，底盘充电地面单元，侧方充电的机械臂等）两部分组成。在电动汽车需要进行充电时，由驾驶员将车辆上的车载单元停靠到外部充电设备的可充电区域内，然后完成自动充电连接器的准确连接，进行充电。但是由于驾驶员驾驶技术的问题，以及充电系统的车载单元和外部充电设备都在驾驶员的视觉盲区内，导致驾驶员很难将车载单元停靠到外部充电设备的可充电区域内，而且不同车型的电动汽车，其车载单元的安装位置也是不一样的，如果不能停靠到可充电区域内，会影响后续自动充电连接器的连接。同时，当车载单元停靠到外部充电设备的可充电区域内后，进行自动充电连接器的连接时，也需要提供连接器的精确空间定位，从而控制自动充电连接器与受电端完成对接，如果只靠自动充电连接器连接后是否能完成电气连接来确认，这里有不小的隐患。

所以自动充电系统需要能够进行车辆的车载单元和外部充电设备的相对定位，来引导驾驶员将车辆停靠到外部充电设备的可充电区域内。同时在自动连接器连接时，要能够提供自动连接器的精确空间定位，控制自动连接器运动到车载单元的受电端处，完成精确连接。本实用新型主要解决可充电区域停靠引导及充电连接定位问题。

应用场景需要定位系统满足以下主要条件：

1、在车辆上的车载单元距离外部充电设备一定距离（<5m），一般为要进入停车位时，需要能够在车辆上显示车载单元和外部充电设备可充电区域的相对位置，辅助驾驶员将车辆停靠到指定的位置。

2、在车辆停靠完成后，进行自动充电连接器的连接时，外部充电设备需要获取自动充电连接器的空间位置（精度在±1cm内），从而控制自动充电连接器与车载单元受电端的准确连接，提高对接可靠性，减少意外和系统损耗。

3、这样的定位装置，在一个场站区域内（一般小于一万平方米）可能会有数十套，在定位的时候，会有串扰问题，需要进行同步处理，避免串扰引起定位错误。

现有技术中，GPS、蓝牙、WIFI、ZIgBee、超宽带定位精度都不满足需求（>10cm），GPS伪卫星技术精度勉强，但是无法做到无串扰，同时接收装置位于车底面时，其信号无法保证。激光定位问题有：工作模式不匹配（需要相对定位），最小测距盲区过大（一般>20cm），成本过高（满足需求的至少数千）。

实用新型内容

本实用新型要解决电动汽车在充电时因空间和人为停靠位置的距离误差使充电连接不准确，从而造成安全隐患的问题，为此提供了一种高精度自动充电车辆引导定位系统。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：

一种高精度自动充电车辆引导定位系统，包括定位接收端和定位发射端，所述定位发射端通过超声波信号连接至定位接收端，所述定位发射端包括定位发射端控制器、同步信号发射模块、连接用超声波发射器和若干引导用超声波发射器，所述同步信号发射模块、连接用超声波发射器和若干引导用超声波发射器均连接至定位发射端控制器，所述定位接收端包括定位接收端控制器、同步信号接收模块和若干个超声波接收器，所述同步信号接收模块和若干超声波接收器连接至定位接收端控制器上，所述定位发射端控制器和定位接收端控制器上均安装有无线通信模块。

进一步的，所述同步信号发射模块上安装有时钟同步模块，所述时钟同步模块控制同步信号发射模块实现信号的时钟同步。

进一步的，所述定位发射端控制器内安装有环境检测单元，所述定位接收端控制器通过环境检测单元计算超声波信号在环境中的传播速度。

所述环境检测单元包括温度传感器、湿度传感器和大气压传感器。

进一步的，所述超声波接收器的数量至少设置3个。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1、系统组成结构简单，通过定位发射端和定位接收端以超声波信号接收阵列就能感知所在范围内的发射端空间坐标；

2、只需构建定位系统相关元器件，无需建设外部结构，相比其他测量方式，成本极低；

3、通过超声波信号的时钟同步进行定位，达到高精度，在近距离范围内精度可以达到毫米级，远距离达到厘米级；

4、超声波测距技术是现有的成熟技术，其较高的可靠性已经得到了广泛的验证；

5、耐污染性，超声波不比红外、视觉等测距方式，其收发器上有污染并不影响测距系统的工作；

6、低相互干扰，根据应用场景，一片50m*50m的小区域中，可能存在数十套相对定位系统，超声波的有限测距距离可以使相互干扰问题降到最低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2为本实用新型实施例空间三维坐标构建图；

图3为本实用新型实施例场景实例一的示意图；

图4为本实用新型实施例场景实例二的示意图；

图5为本实用新型实施例场景实例三的示意图；

本实用新型实施例最主要的元件符号如下：

定位发射端-1、定位发射端控制器-2、环境检测单元-201、温度传感器-202、湿度传感器-203、大气压传感器-204、同步信号发射模块-3、时钟同步模块-301、连接用超声波发射器-4、引导用超声波发射器-5、无线通信模块-6、定位接收端-7、定位接收端控制器-8、同步信号接收模块-9、超声波接收器-10、受电区域-11、可充电区域-12、车载单元-13、充电弓-14、侧方充电机械臂-15。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例一

如图1，一种高精度自动充电车辆引导定位系统，包括定位接收端7和定位发射端1，所述定位发射端1通过超声波信号连接至定位接收端7，所述定位发射端1包括定位发射端控制器2、同步信号发射模块3、连接用超声波发射器4和若干引导用超声波发射器5，所述同步信号发射模块3、连接用超声波发射器4和若干引导用超声波发射器5均连接至定位发射端控制器2，所述定位接收端7包括定位接收端控制器8、同步信号接收模块9和若干个超声波接收器10，所述同步信号接收模块9和若干超声波接收器10连接至定位接收端控制器8上，所述定位发射端控制器2和定位接收端控制器8上均安装有无线通信模块6。

所述同步信号发射模块3上安装有时钟同步模块301，所述时钟同步模块301控制同步信号发射模块3实现信号的时钟同步。

所述定位发射端控制器2内安装有环境检测单元201，所述定位接收端控制器8通过环境检测单元201计算超声波信号在环境中的传播速度。

所述环境检测单元201包括温度传感器202、湿度传感器203和大气压传感器204。

所述超声波接收器10的数量至少设置3个，超声波接收器10的数量不少于3个，如大于3个可通过最小二乘法和泰勒级数展开求解定位方程组，得到超声波发射器的空间坐标，而且使用冗余的方法能够提高超声波发射器空间定位的精度。

一种高精度自动充电车辆引导定位系统在于以下方法：定位系统使用TDOA方法进行时钟同步定位，包括以下步骤：

1）当车辆驶入设置自动充电设备的区域后，即将完成停靠时，定位发射端1按照场站系统端分配的时间，控制引导用超声波发射器5发射超声波，同时控制时钟同步信号发射模块3发射同步信号；

2）所述定位接收端7的时钟同步信号接收模块9接收到同步信号后，通知定位接收端控制器8打开定时功能，在定位接收端7的各超声波接收器10接收到超声波信号后，定位接收端控制器8依次记录下定时功能的时间，最后一个接收器接收完后关闭定时功能；

3）定位接收端控制器8记录下的各超声波接收器10接收到超声波信号的时间乘以环境中超声波的传播速度，可以计算出超声波发射器到各接收器的距离,由于超声波接收器10在三维空间坐标系内的坐标是已知的，利用多边定位法可以计算出发射器在三维空间坐标系里的坐标；

4）重复上述步骤1）至3）得到各引导用超声波发射器5的坐标，由于引导用超声波发射器5相对于可充电区域的位置是确定的，所以定位接收端控制器8利用各引导用超声波发射器5的坐标，可以得到定位接收端7的受电区域和定位发射端1的可充电区域的相对位置并反馈给驾驶员，辅助驾驶员方便精确的将车辆停靠在可充电区域中，重复上述步骤1）至4），直到驾驶员将受电区域停靠到可充电区域的范围内；

5）当自动充电连接器开始运动对接时，定位发射端控制器2控制自动充电连接器上的连接用超声波发射器4发射超声波，同时控制时钟同步信号发射模块3发射同步信号，利用上述步骤2）和3）相同的原理，计算出连接用超声波发射器4在三维空间坐标系里的坐标；

6）定位接收端7通过无线通信将连接用超声波发射器4的空间坐标发送给定位发射端1，定位发射端控制器2根据连接用超声波发射器4的空间坐标，控制自动充电连接器往定位接收端7的受电口移动，最终使连接器精确可靠的进行连接。

实施例二

系统时钟同步法：由于本系统是工作在场站中，占地面积较小，且空旷无遮挡，而且所有外部充电设备在一个系统的调度下工作，所以在系统端设置一个无线电信号发生器，在每个定位发射端1和定位接收端7设置一个无线通信模块6。系统端的无线电信号发生器每间隔固定时间发出无线电信号，所有定位发射端1和定位接收端7收到信号的时候，清除内部时钟计时器，从而完成时钟同步工作。

新加入的定位接收端7通过无线通信模块6接收同步信号，完成时间同步。为了防止多个定位发射端1同时发射信号时相互干扰，系统端根据定位发射端1发出的超声波信号的范围，结合定位发射端1的分布，使定位发射端1分批分时发射。对于同一定位发射端1上的超声波发射器，也按照一定的时序轮流发射超声波信号。同时对每一个定位发射端1的超声波信号进行编码，用于标识超声波信号是由哪个定位发射端1发射的。

使用上述系统时钟同步的方法时，场站系统端根据定位发射端1发射的超声波信号的范围，结合定位发射端1的分布，使定位发射端1分批分时发射。同时每个定位发射端1上的超声波发射器按照一定的时序轮流发射。同时对每一个定位发射端1的超声波信号进行编码，用于标识超声波信号是由哪个定位发射端1发射的。当定位接收端7和定位发射端1通过无线通信模块6匹配后，只会处理匹配的定位发射端1对应编码的超声波信号，防止不同定位发射端1发出的超声波信号相互干扰。

如图2所示，上述实施例一和实施例二所构建的空间三维坐标系,超声波接收器10分布在定位接收端7的同一平面上，分布在受电区域的周围，将超声波接收探头所在的平面设置为基础坐标平面，构建三维坐标系。超声波接收器10的坐标根据安装位置已知，实际应用中，为了计算方便，也可以将超声波接收器10安装在坐标原点及坐标轴上。定位接收端7安装在车载单元上，所以构建的空间三维坐标系是移动的。而定位发射端1安装在外部充电设备上，除了用于自动连接器连接的超声波发射器，其他超声波发射模块都是固定的。所以在车载单元受电区域与外部充电设备可充电区域的相对定位过程中，是定位发射端1的超声波发射器在可移动的三维空间坐标系里的定位。

场景实例一

如图3所示，用于当车辆行驶到带有充电弓的停车位时，辅助驾驶员将车辆停靠到充电弓的可充电区域内，在充电弓下降进行充电连接时，反馈给充电弓需要下降的高度。

系统设置：定位接收端7位于车辆的顶部，包含多个超声波接收器10至少3个，实例中以6个为例，构成接收阵列。定位发射端1位于充电弓上，引导用超声波发射器5分布在充电弓可充电区域周围，最少一个引导用超声波发射器5，超过1个时，主要是为了解决超声波方向性、死区和能量集中问题。连接用超声波发射器4位于充电弓的弓头连接器上图中只显示连接用超声波发射器4。定位发射端1和定位接收端7可以通过系统时钟同步法或者TDOA到达时间差法完成时间同步进行超声波测距。定位发射端1和定位接收端7通过无线通信模块6进行信息交互。

1、超声波接收器10分布在车载单元的上端面，超声波接收探头所在平面设置为基础坐标平面，构建三维坐标系，超声波接收器10的坐标根据安装位置已知；

2、在引导阶段，通过超声波接收阵列，获取各引导用超声波发射器5到接收阵列各接收器的距离，利用三点定位法得到各引导用超声波发射器5的空间坐标。配置已知数据可以得到可充电区域的相对位置。根据可充电区域的相对位置，选择定位精度最高的接收器组合进行定位；

3、通过对比受电区域和可充电区域位置，得到车辆是否在可充电区域以及两者相对关系的数据，并持续检测两者相对位置；

4、将相对位置信息反馈给驾驶员，辅助驾驶员将车载单元的受电区域停靠到充电弓的可充电区域内；

5、当充电弓进行充电连接时，通过超声波接收阵列，获取连接用超声波发射器4的空间坐标，得到受电区域和充电弓连接器的垂直距离，并将信息反馈给弓控制器，辅助弓控制器完成充电连接。

场景实例二

如图4所示，当车辆行驶到带有底盘充电的车位时，辅助驾驶员将车辆停靠到底盘充电地面单元的可充电区域内，在底盘充电的自动充电连接器进行充电连接时，反馈给地面单元控制器自动连接器的空间坐标，辅助地面单元控制自动充电连接器完成精确的充电连接。

系统设置：定位接收端7位于车辆的底部，包含多个超声波接收器10至少3个，实例中以6个为例，构成接收阵列。定位发射端1位于底盘充电的地面单元上，引导用超声波发射器5分布在地面单元的可充电区域周围，最少一个引导用超声波发射器5，超过1个时，主要是为了解决超声波方向性、死区和能量集中问题。连接用超声波发射器4位于底盘自动充电连接器上图中只显示连接用超声波发射器4。定位发射端1和定位接收端7可以通过系统时钟同步法或者TDOA到达时间差法完成时间同步进行超声波测距。定位发射端1和定位接收端7通过无线通信模块6进行信息交互。

1、超声波接收器10分布在车载单元的下端面，超声波接收探头所在平面设置为基础坐标平面，构建三维坐标系，超声波接收器10的坐标根据安装位置已知；

2、在引导阶段，通过超声波接收阵列，获取各引导用超声波发射器5到接收阵列各接收器的距离，利用三点定位法得到各引导用超声波发射器5的空间坐标。配置已知数据可以得到可充电区域的相对位置。根据可充电区域的相对位置，选择定位精度最高的接收器组合进行定位；

3、通过对比受电口和可充电区域位置，得到车辆是否在可充电区域以及两者相对关系的数据，并持续检测两者相对位置；

4、将相对位置信息反馈给驾驶员，辅助驾驶员将车载单元的受电口停靠到充电弓的可充电区域内；

5、当地面单元自动充电连接器进行充电连接时，通过超声波接收阵列，获取连接用超声波发射器4的空间坐标，得到自动充电连接器与车载单元受电口的相对位置，并将信息反馈给地面单元控制器，辅助地面单元控制自动充电连接器完成精确的充电连接。

场景实例三

如图5所示，当车辆行驶到带有侧方充电的车位时，辅助驾驶员将车辆停靠到侧方充电机械臂可移动到的可充电区域内，在侧方充电机械臂进行充电连接时，反馈给机械臂控制器机械臂顶端连接器的空间坐标，辅助机械臂控制器控制机械臂的运动，实现准确的充电连接。

系统设置：定位接收端7位于车辆的侧面，包含多个超声波接收器10至少3个，构成接收阵列。定位发射端1位于侧方充电机械臂上，引导用超声波发射器5分布在地面单元的可充电区域周围，最少一个引导用超声波发射器5，超过1个时，主要是为了解决超声波方向性、死区和能量集中问题。连接用超声波发射器4位于侧方充电机械臂的顶部。定位发射端1和定位接收端7可以通过系统时钟同步法或者TDOA到达时间差法完成时间同步进行超声波测距。定位发射端1和定位接收端7通过无线通信模块6进行信息交互。

1、超声波接收器10分布在车载单元的侧平面，超声波接收探头所在平面设置为基础坐标平面，构建三维坐标系，超声波接收器10的坐标根据安装位置已知；

2、在引导阶段，通过超声波接收阵列，获取各引导用超声波发射器5到接收阵列各接收器的距离，利用三点定位法得到各引导用超声波发射器5的空间坐标。配置已知数据可以得到可充电区域的相对位置。根据可充电区域的相对位置，选择定位精度最高的接收器组合进行定位；

3、通过对比受电口和可充电区域位置，得到车辆是否在可充电区域以及两者相对关系的数据，并持续检测两者相对位置；

4、将相对位置信息反馈给驾驶员，辅助驾驶员将车载单元的受电口停靠到侧方充电机械臂的可充电区域内；

5、当侧方充电机械臂进行充电连接时，通过超声波接收阵列，获取连接用超声波发射器4的空间坐标，得到侧方充电机械臂顶部连接器与车载单元受电口的相对位置，并将信息反馈给机械臂控制器，辅助机械臂控制器控制机械臂移动到指定的空间位置，完成精确的充电连接。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种高精度自动充电车辆引导定位系统，包括定位接收端（7）和定位发射端（1），所述定位发射端（1）通过超声波信号连接至定位接收端（7），其特征在于：所述定位发射端（1）包括定位发射端控制器（2）、同步信号发射模块（3）、连接用超声波发射器（4）和若干引导用超声波发射器（5），所述同步信号发射模块（3）、连接用超声波发射器（4）和若干引导用超声波发射器（5）均连接至定位发射端控制器（2），所述定位接收端（7）包括定位接收端控制器（8）、同步信号接收模块（9）和若干个超声波接收器（10），所述同步信号接收模块（9）和若干超声波接收器（10）连接至定位接收端控制器（8）上，所述定位发射端控制器（2）和定位接收端控制器（8）上均安装有无线通信模块（6）。

2.根据权利要求1所述的一种高精度自动充电车辆引导定位系统，其特征在于：所述同步信号发射模块（3）上安装有时钟同步模块（301），所述时钟同步模块（301）控制同步信号发射模块（3）实现信号的时钟同步。

3.根据权利要求2所述的一种高精度自动充电车辆引导定位系统，其特征在于：所述定位发射端控制器（2）内安装有环境检测单元（201），所述定位接收端控制器（8）通过环境检测单元（201）计算超声波信号在环境中的传播速度。

4.根据权利要求3所述的一种高精度自动充电车辆引导定位系统，其特征在于：所述环境检测单元（201）包括温度传感器（202）、湿度传感器（203）和大气压传感器（204）。

5.根据权利要求4所述的一种高精度自动充电车辆引导定位系统，其特征在于：所述超声波接收器（10）的数量至少设置3个。

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