一种电动汽车全自动充电系统及其工作方法与流程

本发明涉及电动汽车充电插接的技术领域，尤其涉及一种电动汽车全自动充电系统。

背景技术：

低碳经济核心是新能源技术与节能减排技术的应用，电动汽车(electricvehicle，ev)能有效地缓解能源危机，减少环境污染，以其高效、节能、低噪声、零排放等优点越来越受到各国政府和企业的重视，汽车的电气化是未来发展的必然趋势，是我国战略性新兴产业。作为电动汽车大规模推广应用的重要前提和基础，电动汽车充换电设施建设引起了各方广泛关注。新能源产业的发展，尤其纯电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高的要求。

传统的充电方式需要人工去插拔完成充电，充电过程较为复杂。这大大降低了用户的使用体验。而充电线缆粗长导致移动不方便，充电线容易被车胎挤压，用户对设备的违规操作，造成充电枪头锈蚀、充电枪线绝缘皮磨损、充电桩屏幕反映不林敏等问题，致使新能源汽车无法正常充电甚至面临严重的安全问题。并且，如果没有及时拔掉充电线会造成增量充电，增加电量消耗。目前持续提升充电设施安全性、便利性是行业急需突破的难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电动汽车全自动充电系统及其工作方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种电动汽车全自动充电系统，其中，包括：

充电插头和末端执行器，所述充电插头设于所述末端执行器上，所述末端执行器包括驱动关节和末端柔顺机构，其中，所述驱动关节用于主动地调整所述充电插头的俯仰角和偏转角，所述末端柔顺机构用于被动地调整所述充电插头的位姿偏差；

滑台移动模块，所述驱动关节的一端固定在所述滑台移动模块上，所述滑台移动模块驱动所述末端执行器在竖直方向、水平方向和/或前后方向位移；

充电接口视觉识别模块，所述充电接口视觉识别模块用于识别车辆的充电接口；

充电装置，所述充电装置通过充电线缆与所述充电插头电连接，所述充电装置在所述充电插头插入所述充电接口时为所述车辆供电。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，还包括：控制器模块，所述控制器模块控制所述充电插头、所述末端执行器、所述滑台移动模块、所述充电接口视觉识别模块、以及所述充电装置。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述末端柔顺机构包括：

静平台，所述静平台与所述驱动关节的另一端固定连接；

动平台，所述动平台与所述静平台之间通过若干弹簧杆相连接，所述动平台上设有插头接口，所述充电插头设于所述插头接口上。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述动平台与所述静平台之间还设有拉簧。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述动平台上还设有浮动导向装置，所述浮动导向装置包括：

导向机构，所述导向机构的一端具有导向面；

弹簧，所述弹簧的一端与所述导向机构的另一端固定连接，所述弹簧的另一端与所述动平台固定连接。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述导向机构的另一端设有导向杆，所述导向杆可操作地贯穿所述动平台并与所述动平台可滑动连接，所述弹簧套设于所述导向杆外。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述滑台移动模块包括：三自由度滑台以及直线推杆。

上述的电动汽车全自动充电系统，其中，所述充电接口视觉识别模块包括：粗定位相机、精定位相机以及光源。

一种电动汽车全自动充电系统的工作方法，其中，包括上述的电动汽车全自动充电系统，所述工作方法包括：

步骤s1：捕获所述车辆的位置，所述电动汽车全自动充电系统使能；

步骤s2：所述滑台移动模块和所述末端执行器运动至准备插接位置；

步骤s3：所述充电接口视觉识别模块识别所述充电接口，并捕获所述充电接口的位姿；

步骤s4：执行插接运动；

步骤s5：所述末端柔顺机构反馈插接运动的完成信号；

步骤s6：关闭所述电动汽车全自动充电系统的使能。

上述的电动汽车全自动充电系统的工作方法，其中，所述插接运动包括：

步骤s4.1：所述末端执行器的所述驱动关节将所述充电插头调整到充电接口的法线的平行方向；

步骤s4.2：所述末端执行器高速运动到插接起始位置；

步骤s4.3：所述充电插头与所述充电接口接触；

步骤s4.4：所述末端柔顺机构被动地产生侧向偏移和轴向角度偏移；

步骤s4.5：所述末端柔顺机构被压缩至到位位置，并反馈插接运动的完成信号。

本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：

(1)本发明能够替代人工完成自动充电的整个过程，使整个过程为无人化操作，提高用户的操作性和安全性，并且能够解决分时租赁行业的用车还车难题，同时针对无人驾驶技术，全自动充电系统能够提供更好地服务。

附图说明

图1是本发明的电动汽车全自动充电系统及其工作方法的结构示意图。

图2是本发明的电动汽车全自动充电系统及其工作方法的末端执行器和充电接口视觉识别模块的结构示意图。

附图中：1、充电插头；2、末端执行器；21、驱动关节；22、末端柔顺机构；221、静平台；222、动平台；223、弹簧杆；224、插头接口；225、拉簧；226、导向机构；227、弹簧；3、滑台移动模块；4、充电接口视觉识别模块；41、粗定位相机；42、精定位相机；5、充电装置；6、控制器模块；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

图1是本发明的电动汽车全自动充电系统及其工作方法的结构示意图，图2是本发明的电动汽车全自动充电系统及其工作方法的末端执行器和充电接口视觉识别模块的结构示意图，请参见图1至图2所示，示出了一种较佳实施例的电动汽车全自动充电系统，包括：充电插头1和末端执行器2，充电插头1设于末端执行器2上，末端执行器2包括驱动关节21和末端柔顺机构22，其中，驱动关节21用于主动地调整充电插头1的俯仰角和偏转角，末端柔顺机构22用于被动地调整充电插头1的位姿偏差。

具体地，末端执行器2使充电插头1在一定位置和姿态误差下，仍能顺利执行插拔动作。末端柔顺机构22具备六个自由度。为了实现具有六个自由度的末端度柔顺机构22的小型化和紧凑化，末端柔顺机构22采用基于弹性元件的stewart并联机构构型。stewart并联机构是6-sps型并联机构，每一个支链两端为球副，中间为移动副，其末端运动特征为6个自由度，包括三轴方向上的平移和三轴方向上的旋转。

此外，作为一种较佳的实施例，电动汽车全自动充电系统还包括：滑台移动模块3，驱动关节21的一端固定在滑台移动模块3上，滑台移动模块3驱动末端执行器2在竖直方向、水平方向和/或前后方向位移。

另外，作为一种较佳的实施例，电动汽车全自动充电系统还包括：充电接口视觉识别模块4，充电接口视觉识别模块4用于识别车辆的充电接口。

进一步，作为一种较佳的实施例，电动汽车全自动充电系统还包括：充电装置5，充电装置5通过充电线缆与充电插头1电连接，充电装置5在充电插头1插入充电接口时为车辆供电。

更进一步，作为一种较佳的实施例，电动汽车全自动充电系统还包括：控制器模块6，控制器模块6控制充电插头1、末端执行器2、滑台移动模块3、充电接口视觉识别模块4、以及充电装置5。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。

本发明在上述基础上还具有如下实施方式：

本发明的进一步实施例中，请继续参见图1、图2所示，末端柔顺机构22包括：静平台221，静平台221与驱动关节21的另一端固定连接。

本发明的进一步实施例中，末端柔顺机构22包括：动平台222，动平台222与静平台221之间通过若干弹簧杆223相连接，动平台222上设有插头接口224，充电插头1设于插头接口224上。

本发明的进一步实施例中，动平台222与静平台221之间还设有拉簧225。

本发明的进一步实施例中，动平台222上还设有浮动导向装置，浮动导向装置包括：导向机构226，导向机构226的一端具有导向面。

本发明的进一步实施例中，浮动导向装置包括：弹簧227，弹簧227的一端与导向机构226的另一端固定连接，弹簧227的另一端与动平台222固定连接。

本发明的进一步实施例中，导向机构226的另一端设有导向杆，导向杆可操作地贯穿动平台222并与动平台222可滑动连接，弹簧227套设于导向杆外。

具体地，末端柔顺机构22通过弹簧杆223的轴向变形模拟stewart并联机构各运动杆的直线运动，实现末端柔顺机构22中动平台222的六维运动。此外，利用弹簧杆223的切向变形可增强末端柔顺机构22的切向柔顺能力。

更具体地，由于设置了若干拉簧225，可以实现复位后初始位置在±0.5°锥角内。

本发明的进一步实施例中，滑台移动模块3包括：三自由度滑台以及直线推杆。

本发明的进一步实施例中，充电接口视觉识别模块4包括：粗定位相机41、精定位相机42以及光源。粗定位相机41用于检测充电接口在空间中的大致位置，精定位相机42用于识别车辆的充电接口的精确空间位置姿态。

具体地，由于充电接口的形状过小、结构特殊，同时充电接口在空间中的位置及姿态各异，因此采用粗定位加精定位的方式识别充电接口，并输出充电接口的空间位置及姿态坐标。粗定位采用焦距较小、视野较广的粗定位相机41，意在用于获取充电接口中心处在空间中的大致位置。在粗定位过程中主要采用的方法有图像的阈值分割、自适应动态阈值分割、区域特征提取、图像形态学处理、基于canny算子的亚像素精度边界识别、圆拟合或椭圆拟合，但不局限于上述方法。当获取了充电接口的中心处的位置坐标后，即可利用中心处的位置坐标引导滑台移动模块3和驱动关节21携带充电插头1及精定位相机42运动至距充电接口一定距离的正前方，然后采用精定位相机42拍摄充电接口的照片，获取更精确的充电接口的位置及姿态坐标。

进一步，精定位相机42是采用焦距较长、视野较窄的灰度相机，意在用于获取充电接口在空间中的精确的位置及姿态坐标。通过精定位相机42拍摄照片，照片经过图像处理及测量，利用处理后照片中充电接口特征圆圆心中的空间位置，结合算法计算并输出充电接口的空间姿态坐标，并再次计算充电接口更为精确的空间位置坐标，引导滑台移动模块3和驱动关节21带动充电插头完成自动充电的过程。

本发明的进一步实施例中，电动汽车全自动充电系统能够实现充电接口空间识别和定位的装置，并能够输出电动汽车的充电接口在空间上的坐标位置(x，y，z，rx，ry，rz)，且输出精度需要满足插接需求。同时电动汽车全自动充电系统能够实现自动插接，并且其运动精度达到需求，能够完成将充电插头1插接到充电接口的操作。充电接口视觉识别模块4与滑台移动模块3和驱动关节21之间协调运动实现插接。通过控制器模块6实现上述的合理协调工作。

下面说明本发明的工作方法：

步骤s1：捕获车辆的位置，电动汽车全自动充电系统使能；

步骤s2：滑台移动模块3和末端执行器2运动至准备插接位置；

步骤s3：充电接口视觉识别模块4识别充电接口，并捕获充电接口的位姿；

步骤s4：执行插接运动；

步骤s5：末端柔顺机构22反馈插接运动的完成信号；

步骤s6：关闭电动汽车全自动充电系统的使能。

其中，插接运动包括：

步骤s4.1：末端执行器2的驱动关节21将充电插头1调整到充电接口的法线的平行方向；

步骤s4.2：末端执行器2高速运动到插接起始位置；

步骤s4.3：充电插头1与充电接口接触；

步骤s4.4：末端柔顺机构22被动地产生侧向偏移和轴向角度偏移；

步骤s4.5：末端柔顺机构22被压缩至到位位置，并反馈插接运动的完成信号。

本发明的进一步实施例中，通过设置行程开关(图中未示出)以判断末端柔顺机构22的状态，具体地，行程开关用以检测末端柔顺机构22的到位位置，通过行程开关反馈上述的完成信号。

本发明的进一步实施例中，行程开关优选地设置于动平台222上。

本发明的进一步实施例中，充电接口视觉识别模块4的精定位相机42得到位姿量后驱动关节21与滑台移动模块3联动，实现插接运动，作用为安全、精确的将充电插头1插入电动汽车的充电接口内并反馈运动状态。具体地，运动过程需要通过充电接口视觉识别模块4对目标位置和方向进行精准定位，再通过驱动关节21对充电插头1的方向进行调整，滑台移动模块3四轴联动完成插接运动。

本发明的进一步实施例中，更具体地，插接运动中，首先调用精定位相机42进行目标精定位，得到充电接口的中心圆圆心在相机坐标系下的6个精准位姿数据(空间位置坐标和法向量)；将法向量输入驱动关节21，进行充电插头1的姿态调整；接着计算得到当前姿态下工具坐标系原点(充电插头1的中心圆圆心)在运动坐标系下的位置；根据手眼标定结果对相机坐标系和运动坐标系进行坐标系转换，得到运动坐标系下的充电接口的中心圆圆心空间坐标；计算充电接口中心圆圆心沿其法向量5cm向外延伸的点坐标，并驱动滑台移动模块3运动，使充电插头1的中心圆圆心到达此点坐标；最后驱动滑台移动模块3进行最终插接，给进速度低；当获得末端柔顺机构22给出的插接完成信号便立即停止动作，如果最终插接运动的距离大于8cm或者插接时长大于10s，则马上开始逆插接运动，表示本次插接失败。

本发明的进一步实施例中，充电插头1完全插接入充电接口后得到开关反馈，保持充电状态，充电状态时滑台移动模块3与驱动关节21保持静止状态，持续为车辆充电。

本发明的进一步实施例中，充电完成后，滑台移动模块3按原运动路径反向联动，拔出充电插头1再进行回原。回收过程即为收到充电完成命令后的运动过程。

驱动关节21和滑台移动模块3进行与上述的插接运动相反的逆插接运动，逆插接完成后关节模块回到初始待机位置，系统回到待机状态。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。