本发明涉及汽车充电技术领域，具体涉及一种多充电接口自动充电装置。
背景技术：
随着新能源技术的不断发展，大量的新能源公交车在各个城市中投入运营，但是，电动公交车存在如下几个不足：第一，电动公交车的成本相对较高，其主要原因是电动汽车的蓄电池的价格比较高；第二，现有电池的容量较小，使汽车的续航能力不高，一般采用增加电池组的方法来改善续航能力，但是这种方法会增加汽车的负载，有悖于汽车的轻量化和节能减排的目标；第三，电动公交车的充电设施不完善，现有的充电桩数量有限，充电效率比较低，不利于大量的电动公交车投入使用和分配。因此，如果能在电动公交车行驶的路径中进行电能的补给，就能减少车载蓄电池的数量，减少汽车负载，节能减排，并且极大地提高了电动公交车的续航能力。
电动公交车的充电方式分为有线充电和无线充电两种。无线充电利用电感耦合，通过充电器的发射线圈和汽车的接收线圈之间的电磁场进行能量的传递，但是这种充电方式存在一定的安全隐患。这种充电装置在发射线圈和接收线圈之间必然存在一定的空间间隙，在充电的过程中该空间充满电磁场的辐射，会对靠近的金属物体产生涡流效应，使金属发热，产生火灾隐患；另外，汽车充电时产生的高频电磁波对人的中枢神经和其他组织有危害。所以，无线充电装置必须设置屏蔽电磁波的保护设施和金属检测装置，其成本大幅提高，因此这种成本较高且存在安全隐患的充电装置不适合在人流密集的电动公交车的途径路线上大量设置。
目前，市面上的电动公交车基本上采用有线充电，同时大都需要操作人员手动进行充电操作。为了达到公交车续航能力的要求，公交车既要负载多组蓄电池组进行储能，又要在充电站长时间停靠进行充电。当大量的电动公交车进行充电时，就需要扩大充电站规模、增加充电桩数量，这就会造成资源分配和调度的困难，以及大量占用土地资源的问题。利用电动公交车停靠站台的时间，通过自动化充电装置的对接，实现对电动公交车短时间快速充电，但是只有一个充电接口，无法在短时间内提供给公交车充足的电能，公交车续航能力并没有明显提高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种多充电接口对电动公交车充电，有效提高公交车续航能力的自动充电装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种多充电接口自动充电装置，该装置位于公交站台上方，包括控制器，调整机构，和定位机构；调整机构包括第一臂、第二臂和充电接口，第一臂固定于转台，转台绕转台转轴转动，第一臂伺服电机控制第一臂运动，第二臂伺服电机与第一臂固定，第二臂伺服电机控制第二臂运动，接口伺服电机通过第二臂与连接件连接，充电接口与接口旋转电机连接，接口旋转电机固定于连接件；充电接口设有多个，多个充电接口串联；充电接口设有定位机构，包括与充电接头对接的充电接口本体，超声波探头和步进电机，步进电机带动超声波探头转动；控制器控制调整机构和定位机构。充电接口的初始位置高于公交车车体的最高高度。
进一步，充电接口包括第一充电接口，第二充电接口和第三充电接口，第一充电接口，第二充电接口和第三充电接口依次连接。
进一步，第二充电接口上端设有竖向超声波探头，第一充电接口一侧设有第一水平超声波探头，第三充电接口一侧设有第二水平超声波探头，竖向步进电机带动竖向超声波探头转动，第一水平步进电机带动第一水平超声波探头转动，第二水平步进电机带动第二水平超声波探头转动。竖向超声波探头对充电调整机构进行竖直方向的定位，水平超声波探头对充电调整机构进行水平方向的定位。根据实际探测距离，超声波探头可设置成不同频率，例如40khz（检测8米以内）或25khz（20米以内）。
进一步，充电接口设有摄像机，摄像机采集图像数据传输至控制器。公交车充电接头在充电接口超声波探头的下方以及在充电接口超声波探头的后方时，均采用摄像机进行定位。摄像机位于充电接口端所在的一面，通过摄像机采集的图像流，控制器实时计算摄像机的三维坐标。在控制器中预先写入对接接头的目标特征，以及在不同距离位置下拍摄的数据，建立目标数据库，以实现程序快速查找，进行三维坐标定位。控制器中的识别程序能够快速匹配当前摄像机采集到的图像的特征点和数据库相近的特征点，按照预先设定好的三维坐标系，定位此时充电接口相对于公交车上部的充电接头的三维坐标距离，控制器控制运动机械调整机构进行x、y、z向的位置调整。
进一步，充电接口设有用于检测充电接口对接的反射式光电开关。当站台上的充电接口与公交车上的充电接头对接成功后，反射式光电开关开始检测充电接口对接是否准确，若对接准确，充电进行。
本发明的工作过程：电动公交自动充电站台处于工作状态时，竖向步进电机以预设摆角带动超声波探头检测是否有公交车即将进入车站。在检测到有公交车进站时，竖向超声波探头采集距离数据，判断公交车是否停驶，公交车停靠后，竖向超声波探头开始定位，控制器控制转台转动，使站台上的多充电接口平面处于和公交车充电接头对接的指定平面内。竖向步进电机输出角度数据，控制器判断充电接口的位置高度并发出指令控制第一臂伺服电机和第二臂伺服电机进行姿态调整，并同时控制接口伺服电机对充电接口进行调整，直到充电接口与公交车充电接头位置水平。第一水平超声波探头和第二水平超声波探头开始工作，第一水平超声波探头和第二水平超声波探头采集距离数据，第一水平步进电机和第二水平步进电机以预设摆角往复运动并输出角度数据，控制器判断充电接口相对于公交车充电接头的水平位置距离，控制第一臂伺服电机和第二臂伺服电机进行姿态调整，直到站台上的多充电接口与公交车充电接头位置对中。站台的多充电接口与公交车上的充电接头对中成功后，摄像机开始工作，采集公交车充电接头的位置图像，控制器比对特征数据库，充电调整机构中的各个伺服电机进行第一臂、第二臂和充电接口的精确姿态调整直到满足程序图像控制要求。两组反射式光电开关工作，检测充电接口对接是否正确，若对接失败，则终止系统充电程序，发出报警信号，等待人工维护调整；若对接正确，控制器发出充电指令，开始充电。
本发明相比现有技术优点在于：1、在自动充电装置上设置多个充电接口，在短时间内实现公交车的快速充电，公交车续航能力得到明显提高。
2、充分利用公交车在行驶途中的停靠时间进行电能补给，公交车续航能力大幅提升，减少了车载蓄电池的数量，电动公交车成本下降，同时由于车载电池数量减少，汽车负载下降，有利于节能减排。
3.避免了电动公交车长时间停靠充电站，提高了公交车的利用率。
4.充电装置设置在车站的遮雨棚上方，不占用城市土地资源，节省了建设大量充电桩和扩大充电站所占用的土地资源，减少了充电桩和充电站的调度分配问题，且远离行人及其它机动车，安全无干扰。
5.采用有线充电方式，通过自动化机械臂自动对接充电，不需要操作人员对高压充电设备进行手动操作，充电方式安全可靠。
6.利用摄像机采集公交车充电接头的位置图像，控制器比对特征数据库，该方法具有较高的实时性，能比较准确地实现充电接口的对接。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为调整机构和定位机构的结构示意图。
图3为充电接口与第二臂连接的结构示意图。
图4为定位机构的结构示意图。
图5是本发明机械臂的运动控制模型图。
图6是本发明的超声波探头竖直方向定位原理图。
图7是本发明的超声波探头水平方向定位原理图。
图8为实施例2可移动充电装置的结构示意图。
图9为实施例2的左视图。
图10为实施例2调整机构的结构示意图。
图11为实施例2定位机构的结构示意图。
图12是实施例2调整机构的运动控制模型图。
图13是实施例2的超声波探头竖直方向定位原理图。
图14是实施例2的超声波探头水平方向定位原理图。
图15为实施例3自动充电装置设置于充电桩上的示意图。
图16为实施例3充电装置的左视图。
图17为实施例3充电接口定位机构的示意图。
图18为实施例3显示模块的示意图。
图19为实施例4充电接头装置的结构示意图。
图20为实施例4充电接头移动机构的结构示意图。
图21为实施例4挡板升降机构的结构示意图。
图22为实施例4充电接头箱外部的结构示意图。
图中标识：控制器1，调整机构2，定位机构3，第一臂21、第二臂22，充电接口23，接口伺服电机231，接口旋转电机232，连接件233，第一充电接口234，第二充电接口235，第三充电接口236，转台4，转台转轴41，转台驱动电机42，第一臂伺服电机211，第二臂伺服电机221，超声波探头31，第一水平超声波探头311，第二水平超声波探头312，竖向超声波探头313，反射式光电开关31，摄像机32，步进电机33，充电接口本体34，第一水平步进电机331，第二水平步进电机332，竖向步进电机333，移动机构5，滑台51，同步带52，滑台导轨53，上带521，下带522，移动伺服电机54，对射式光电开关531，缓冲弹簧532，控制线541，绕线轮542，显示模块6，充电接头箱7，充电接头滑行机构8，挡板升降机构9，开口71，充电接头驱动电机81，充电接头82，丝杠螺杆83，丝杠螺母84，第一连接件88，第二连接件85，导轨滑轮86，导轨87，挡板91，齿条92，齿轮93，挡板驱动电机94，反射式光电开关72，发射元件721，接收元件722，限位槽73，密封件74。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1-4所示，一种电动公交车自动充电装置，该装置位于公交站台上方，包括设置于站台立柱内部的控制器1，调整机构2，和定位机构3；调整机构2包括第一臂21、第二臂22和充电接口23，第一臂21固定于转台4，转台4绕转台转轴41转动，第一臂伺服电机211控制第一臂21运动，第二臂伺服电机221与第一臂21固定，第二臂伺服电机221控制第二臂22运动，接口伺服电机231通过第二臂22与连接件233连接，充电接口23与接口旋转电机232连接，接口旋转电机232固定于连接件233；充电接口23设有定位机构3，定位机构3包括多个与充电接头对接的充电接口本体34，多个充电接口本体34串联，超声波探头31和步进电机33。充电接口23的初始位置高于公交车车体的最高高度。
转台运动原理：转台4后端下部的设计为锥齿轮面，其覆盖角度为±60°，锥齿轮中心线处和转台驱动电机42带动的锥齿轮相配合，通过转台驱动电机42带动，锥齿轮副把转台驱动电机42的转动转化为转台4的转动。
如图4所示，充电接口23设有第一充电接口234，第二充电接口235和第三充电接口236，第一充电接口234，第二充电接口235和第三充电接口236串联。
如图5所示，调整机构2的调整原理为：以第一臂伺服电机211轴为原点o，第一臂21和第二臂22向外水平伸展的方向为x轴正方向，竖直向上为轴y正方向，在第一臂21和第二臂22的运动平面建立二维坐标系，充电接口23中点的坐标为(x，y)。对于任意位置的充电接口23，其空间坐标始终满足如下关系：
其中，θ1—第一臂21与x轴正方向的夹角，θ2—第二臂22与y轴负方向的夹角，θ3—充电接口23与第二臂的夹角，l1—第一臂21的长度，l2—第二臂22的长度。控制器1控制伺服电机采用位置控制模式，该模式是通过外部输入脉冲的频率来确定转动速度的大小，并通过脉冲的个数来确定转动的角度，这种模式对速度和位置严格控制。控制器1的存储器记录下从初始位置开始控制器1为控制伺服电机所发出的脉冲个数，结合机械结构所设计好的减速器的减速比和伺服电机预设参数，就能在程序中记录下每个连接处所转的角度，即图5中的θ1、θ2、θ3，因此第一臂21、第二臂22和充电接口23的任意一点坐标能得到。
充电接口23首先在竖直方向上调整，即保持x坐标不变，仅调整y坐标。因为此时x的坐标值是已知的，可看作常量
在调整好第一臂21、第二臂22和充电接口23的竖直方向后，充电接口23和公交车上的充电接头处于同一水平面，第一臂21、第二臂22和充电接口23开始进行水平方向的调整，即保持y坐标不变，仅调整x坐标。控制的原理和竖直方向的调整相同，y坐标即为常量
第二充电接口235上端设有竖向超声波探头313，第一充电接口234一侧设有第一水平超声波探头311，第三充电接口236一侧设有第二水平超声波探头312，竖向步进电机333带动竖向超声波探头313转动，第一水平步进电机331带动第一水平超声波探头311转动，第二水平步进电机332带动第二水平超声波探头312转动。竖向超声波探头313对调整机构进行竖直方向的定位，水平超声波探头对调整机构进行水平方向的定位。根据实际探测距离，超声波探头可设置成不同频率，例如40khz（检测8米以内）或25khz（20米以内）。
如图6所示，竖向超声波探头313在竖直方向的定位过程是：竖向步进电机333以预设摆角带动竖向超声波探头313检测是否有公交车即将进入车站。在检测到有公交车进站时，竖向超声波探头313采集距离数据，竖向步进电机333输出角度数据，判断公交车是否停驶。公交车停靠后，竖向超声波探头313开始定位，控制器1控制转台转动，使充电接口23平面处于可以和公交车接头箱对接的指定平面内，转台4转动的角度和接口伺服电机231控制充电接口23转过的角度相等，保证充电接口23的平面始终平行于公交车的对接平面。控制器1判断第二臂22上的充电接口位置高度并发出指令控制第一臂伺服电机211和第二臂伺服电机221分别对第一臂21和第二臂22进行姿态调整，并控制接口伺服电机231和接口旋转电机232对充电接口23进行姿态调整。
竖向步进电机333和竖向超声波探头313均设置在充电接口23的上部中间位置，由竖向步进电机331控制竖向超声波探头313，对第一臂21、第二臂22和充电接口23进行竖直方向上的定位。竖向超声波探头313探测到的扫描平面垂直于充电接口平面向前。竖向超声波探头313探测方向水平向前时，此时将竖向步进电机的位置设置为初始位置。竖向步进电机333相对于初始位置进行±10°的循环匀速转动，探测方向高于初始位置为正，低于初始位置为负，竖向超声波探头313的扫描区域为图中的i、ii、iii。竖向超声波探头313能够采集到距离信号的区域为i和ii，在iii区无数据采集。若以无数据的分界线为正，则控制器1根据竖向步进电机333的转角调整第一臂21和第二臂22向上运动；若有无数据的分界线为负，则控制器1根据竖向步进电机333的转角调整机械臂向下运动；若有无数据的分界线为0°，即处于初始位置，则说明调整成功，此时，充电接口23与公交车上的充电接头处于同一水平面，第一臂21、第二臂22和充电接口23不需要再进行上下的运动调整。
在充电接口23两侧各设有一个水平步进电机，水平步进电机控制水平超声波探头的探测方向，对第一臂21、第二臂22和充电接口23进行水平方向上的定位，如图7所示。水平超声波探头在水平方向的定位过程是：两个水平步进电机的初始位置设定为使其控制的水平超声波探头信号收发方向垂直于充电接口平面向前，位于充电接口23左侧的第一水平超声波探头311由初始位置逆时针向左侧探测，右侧的第二水平超声波探头312由初始位置顺时针向右侧探测，两个水平步进电机以相同的速率转动，达到预设转角后，反向转动至初始位置，如此进行循环，同时两个水平超声波探头以相同的时间间隔，发送超声波并分别等待接收的信号，以此定位公交车上充电接头的位置。位于电动公交车上的充电接头，其长度略大于两超声波探头的间距，令站台上的充电接口和公交车上的充电接头在同一水平面上，公交车在驶入站台前，若第一水平超声波探头311探测到物体的距离信号，而第二水平超声波探头312未探测到距离信号，则判断出公交车充电接头位于第一水平定位超声波探头311的扫描区域i，控制器1即发出指令，控制第一臂21、第二臂22和充电接口23在水平方向上向第一水平超声波探头311的所在方向运动。第二水平超声波探头312探测到充电接头的距离信号，而第一水平超声波探头311未探测到距离信号，则判断出公交车充电接头位于第二水平超声波探头312的扫描区域iii，控制器即发出指令，控制第一臂21、第二臂22和充电接口23在水平方向上向第二水平超声波探头312的方向运动；若第一水平超声波探头311和第二水平超声波探头312同时探测到物体的距离信号，则说明对中成功，位于公交车上的充电接头与充电调整机构上的充电接口23在同一水平直线上，调整机构不需要再进行左右的运动调整。对接成功后，控制器1控制超声波探头31和步进电机33停止检测。公交车的充电接头在充电接口23超声波探头前方，采用超声波探头进行定位。
充电接口设有摄像机32，摄像机采集图像数据传输至控制器1。公交车充电接头在充电接口超声波探头的下方以及在充电接口超声波探头的后方时，均采用摄像机32进行定位。摄像机32位于充电接口23端所在的一面，通过摄像机32采集的图像流，控制器1实时计算摄像机32的三维坐标。在控制器1中预先写入对接接头的目标特征，以及在不同距离位置下拍摄的数据，建立目标数据库，以实现程序快速查找，进行三维坐标定位。控制器1中的识别程序能够快速匹配当前摄像机32采集到的图像的特征点和数据库相近的特征点，按照预先设定好的三维坐标系，定位此时充电接口23相对于公交车上部的充电接头的三维坐标距离，控制器1控制运动充电调整机构进行x、y、z向的位置调整。
充电接口23还设用于检测充电接口23对接的反射式光电开关31。当站台上的充电接口23与公交车上的充电接头对接成功后，反射式光电开关31开始检测充电接口23对接是否准确，若对接准确，充电进行。
实施例2
本实施例与实施例1的区别之处在于：调整机构和定位机构均设置于移动机构上，其他结构均与实施例1相同，本实施例的调整机构的运动控制模型、超声波探头竖直方向定位原理以及超声波探头水平方向定位原理与实施例1相同。
如图8-11所示，移动机构5包括滑台51，同步带52，和固定在站台上的滑台导轨53，第一臂21和第一臂伺服电机211均固定于滑台51上。同步带52包括上带521和下带522，上带521与滑台51连接，下带522穿过滑台51，同步带52带动滑台51沿滑台导轨53移动，滑台51正向滑行时，移动伺服电机54空转，滑台51反向滑行时，移动伺服电机54正转。滑台导轨53一端设有对射式光电开关531。滑台51运动到对射式光电开关531所在位置时，控制器1控制充电装置停止充电并控制充电接口与充电接头分离。为了防止滑台51滑行过程中因撞击滑台导轨53而引起滑台51或滑台导轨53的损坏，滑台导轨53两侧设有缓冲弹簧532。控制线541绕于绕线轮542上，绕线轮542的轴直径与移动伺服电机54的轴直径相同，移动伺服电机54的轴带动绕线轮542转动。本实施例的调整机构的运动控制模型、超声波探头竖直方向定位原理以及超声波探头水平方向定位原理如图12-14所示。
实施例3
本实施例与实施例2的区别之处在于在该装置中增加了显示模块以及在控制器中增加了能够发送距离数据信息的无线模块。
如图15-18所示，显示模块6位于公交车驾驶台上。显示模块6包括单片机，led提示灯，无线模块和显示屏，单片机的输入端连接无线模块，显示屏和led提示灯均与单片机的输出端连接。
竖向超声波探头313采集距离数据，竖向步进电机333输出角度数据，控制器1接收竖向超声波探头313发出的距离信号，控制调整机构2进行高度方向的调整，调整充电接口23与公交车顶部充电接头在同一高度，此时，竖向步进电机333保持竖向超声波探头313探测的方向水平，竖向超声波探头313探测公交车充电接头与充电接口23的水平距离。控制器中的nrf24l01无线模块，通过enhancedshockbursttm模式发射竖向超声波探头313探测的距离信息的数据包。显示模块6中的nrf24l01无线模块通过enhancedshockbursttm模式接收调整机构发送的数据包，单片机读取距离数据，并采用中值滤波法进行数字滤波处理，然后将滤波后的数值实时显示在12864液晶屏上。在距离数值小于等于1m时，led灯闪烁提示驾驶员到达充电区域，及时驻车，防止碰撞。
实施例4
一种电动公交车充电接头装置，该装置上的充电接头与站台上的充电接口对接。如19-22所示，一种电动公交车充电接头装置，包括充电接头箱7，充电接头移动机构8和挡板升降机构9；充电接头箱7开有用于充电接头进出的开口71；充电接头移动机构8和挡板升降机构9均位于充电接头箱7内部，充电接头移动机构8包括提供驱动力的充电接头驱动电机81，充电接头驱动电机81通过第一连接件88固定于箱体，充电接头82，丝杠螺杆83和丝杠螺母84，充电接头驱动电机81与丝杠螺杆83同轴，丝杠螺杆83与丝杠螺母84啮合传动，丝杠螺母84通过连接件85与充电接头82连接，充电接头82下方设导轨滑轮86，导轨滑轮86沿导轨87滑行；挡板升降机构9包括用于闭合开口的挡板91，挡板91一侧设齿条92，齿条92与设于箱体上的齿轮93啮合传动，与箱体固定的挡板驱动电机94带动齿轮93同步转动。充电接头驱动电机81正转，充电接头82沿导轨87向箱体内部运动到指定位置；充电接头驱动电机81反转，充电接头82沿导轨87向箱体外部运动到指定位置。挡板驱动电机94正转，挡板91下降到开口71闭合的指定位置；挡板驱动电机94反转，挡板91上升到开口71完全露出的指定位置。充电接头装置还设有控制器，控制器控制充电接头移动机构8中充电接头的移动和挡板升降机构9中挡板的升降。
如图19所示，充电接头箱7内部设反射式光电开关72，如图22所示，箱体外部设反射式光电开关的发射元件721和接收元件722。
如图21所示，充电接头箱7设有用于挡板91移动的限位槽73。挡板91沿限位槽73上下滑行。
如图22所示，挡板91与开口71的闭合处用密封件74进行密封。密封件74可以为橡胶、塑料或石墨等材料制成。
本发明的工作流程：电动公交自动充电站台处于工作状态时，竖向步进电机331以预设摆角带动超声波探头31检测是否有公交车即将进入车站。在检测到有公交车进站时，竖向超声波探头313采集距离数据，判断公交车是否停驶，公交车停靠后，竖向超声波探头313开始定位，控制器1控制转台转动，使充电接口23平面处于和公交车充电接头对接的指定平面内。竖向步进电机331输出角度数据，控制器1判断充电接口的位置高度并发出指令控制第一臂伺服电机211和第二臂伺服电机221进行姿态调整，并同时控制接口伺服电机231对充电接口23进行调整，直到充电接口23与公交车充电接头位置水平。第一水平超声波探头311和第二水平超声波探头312开始工作，第一水平超声波探头311和第二水平超声波探头312采集距离数据，第一水平步进电机3321和第二水平步进电机3322以预设摆角往复运动并输出角度数据，控制器1判断充电接口相对于公交车充电接头的水平位置距离，控制第一臂伺服电机211和第二臂伺服电机221进行姿态调整，直到充电接口23与公交车充电接头位置对中。充电接口23与充电接头对中成功后，摄像机32开始工作，采集公交车充电接头的位置图像，控制器1比对特征数据库，充电调整机构中的各个伺服电机进行第一臂21、第二臂22和充电接口23的精确姿态调整直到满足程序图像控制要求。两组反射式光电开关31工作，检测充电接口23对接是否正确，若对接失败，则终止系统充电程序，发出报警信号，等待人工维护调整；若对接正确，控制器1发出充电指令，开始充电。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。