本发明涉及电动车充电领域，尤其涉及一种电动公交车视觉检测充电控制系统及其设计方法。
背景技术：
机器视觉技术是一门涉及人工智能、计算机科学、机械工程、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际的检测、测量和控制。机器视觉系统的主要特点就是提高生产的灵活性和自动化程度。在大批量重复性的工业生产过程中、一些不适合人工作业的危险工作环境以及人工视觉难以满足要求的场合下，采用机器视觉技术可大大提高工作的灵活度与生产的效率。
在机器视觉应用中，为确定空间中物体表面某点与其在图像中对应点之间的关系，需建立相机成像的几何模型，并通过实验与计算获得相机的内参数，这一过程便是相机标定。标定结果的精度以及算法的稳定性将直接影响机器视觉系统工作的稳定性与可靠性。因此，相机标定是后续工作的基础，提高标定精度是科研工作的重点所在。张正友相机标定法是张正友教授1998年提出的基于单平面棋盘格的相机标定法。该方法介于传统的标定方法和自标定方法之间，它要求相机从不同角度拍摄某个标定板的多幅图像，通过标定板上每个特征点与其像平面像点的对应关系，即每一幅图像的单应矩阵来进行摄像机标定的。
姿态估计在计算机视觉领域扮演着十分重要的角色，其问题就是确定某一三维目标物体的方位指向问题。这一过程的基础是找到现实世界和图像投影之间的对应点，为简化该问题，一些特殊标记应运而生，其中最为流行的是基于二进制平方的ArUco标记。ArUco是一个开源的现实增强库，目前已经集成在OpenCV3.0以上的版本内。姿态估计的核心问题是透视n点问题(PnP问题)，这是相机标定的一个基本问题，主要研究相机标定的外部参变量，是根据透视投影所得的n个像点求解相机的位置与姿态。
随着人们对大气环境问题和能源问题的关注，新型能源电动公交车以其绿色环保、空间大、容纳人数多、方便快捷等优点，越来越多地投入使用，是公共交通未来的主要发展方向。当前电动公交车充电主要靠人工进行，机械重复、繁琐、劳动强度大。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种电动公交车视觉检测充电控制系统及其设计方法，实现电动公交车的自动充电，从而替代传统的人工手动充电方式。
技术实现要素：
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是改变电动公交车传统的充电方式，采用机器视觉技术搭建现代化的充电控制系统，实现电动公交车的自动充电。
为实现上述目的，本发明提供了一种电动公交车视觉检测充电控制系统设计方法，包括如下步骤：
步骤1、工业相机采集公交车车顶的图像码数据，并将数据发送给工控机，所述工控机将接收到的图像数据通过WiFi路由器发送到所述公交车上的车载显示屏；
步骤2、通过MATLAB标定工具箱对所述工业相机进行标定，获取相机内参数以及相机的畸变系数；
步骤3、检测图像中的ArUco标记，并根据所获得的相机内参数与畸变系数对相机进行姿态估计，得到标记中心在相机坐标系下的三维坐标；
步骤4、图像码数据库管理；
步骤5、采用ModbusRTU协议实现所述工控机与充电控制器间的通信。
进一步地，所述图像码包括两个ArUco标记，印刷在PVC膜贴上，并使用透明的有机玻璃进行保护。
进一步地，所述工控机计算ArUco标记与所述工业相机坐标系间的位置关系，判断所述公交车是否位于可充电区域，并将该信息发送给所述充电控制器。
进一步地，所述公交车车顶上的ArUco标记包含了所述公交车的车辆信息，可通过所述图像码查询数据库，得到所述公交车的车辆充电参数信息，并把该参数发送给所述充电控制器，所述充电控制器控制公交车充电桩按照所述公交车额定的充电参数进行充电。
进一步地，所述车载显示屏，大小为10英寸，可显示所述工控机发送过来的实时图像，也可接收所述工控机发送过来的报警信息并显示在屏幕上。
进一步地，所述公交车内有“开始充电”和“停止充电”的功能按钮，供公交司机控制充电的进行与停止；不符合充电要求时，所述“开始充电”的功能按钮会处于锁死状态。
进一步地，所述充电控制器由AW500A承担，接收来自所述工控机的命令。
进一步地，所述工控机同所述充电控制器之间的通信速率为9600bps，编码为8位二进制，无校验，1个停止位。
进一步地，所述图像码记录到数据库，并标注信息，内容包括ArUco标记信息、车辆编码信息、用户名称、集成商名称和整车厂名称。
本发明还提供了一种电动公交车视觉检测充电控制系统，包括ArUco标记、视觉识别系统和升降式充电弓控制系统；所述ArUco标记安装在所述公交车车顶；所述视觉识别系统和所述升降式充电弓控制系统安装在公交车充电桩上；所述视觉识别系统包括所述工业相机；所述升降式充电弓控制系统包括所述充电控制器；所述工业相机获取所述ArUco标记图像并传输至所述工控机，在所述工控机中编写图像处理程序，对所述ArUco标记进行检测，获得所述公交车信息，控制所述升降式充电弓控制系统对所述公交车进行充电。
本发明依据机器视觉系统所具有的灵活性大、工作效率高等优良特点，针对电动公交车传统的人工充电方式，设计了一种视觉检测充电控制系统。系统在运行时检测安装于车顶的图像码，根据图像码的位置来判断该公交车的受电弓是否处于下压式充电弓的工作方位内，从而实现对电动公交车的自动充电。
本发明的有益效果在于：
1)视觉检测充电系统灵活性强，工作效率高。公交车司机只需根据车载显示屏所显示的实际情况，操作车内的相关按钮，便可控制充电弓对公交车进行充电。操作简单快捷，替代了繁琐的人工手动充电方式，释放了部分人力资源，提高了工作的效率。
2)系统工作安全可靠。若公交车所停位置不在可充电的工作范围内，充电弓会进入锁死状态，即使司机按下充电按钮，充电弓也不会被启动，工控机会发送报警信息到车载显示屏，提醒司机挪动车辆重新对位。当充电结束，司机需按下停止按钮，充电弓升起，司机通过车载显示屏确认充电弓升起才可以安全启动车辆。
3)系统的鲁棒性强。图像码由两个ArUco标记组合而成，有一定的容错能力，可降低因识别出错导致发生故障的概率。也可一定程度上减少ArUco标记部分被遮挡而无法识别等情况的发生。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的系统结构框图；
图2是本发明的一个较佳实施例的相机标定棋盘格图片示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的MATLAB相机标定工具箱图形交互界面；
图4是本发明的一个较佳实施例的所选择的OpenCV的aruco模块中某个预定义的字典；
图5是本发明的一个较佳实施例的图像码示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的ArUco标记安装示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
图1是本发明的一个较佳实施例的电动公交车视觉检测充电控制系统设计方法系统结构框图。
第一步：在电动公交车充电桩上配备工业相机与升降式充电弓控制系统，并在公交车车顶安装规定的图像码。为保证工业相机处于防水环境中，将其安装于充电弓箱内。相机平面需平行于地平面，角度误差控制在0.5度的范围内。实际工作时，相机平面与公交车车顶平面的距离处于1.5m至2.1m的范围内。工业相机连接在工控机(IPC)上，工控机负责车辆的位置识别和公交车的编码识别。当公交车停靠在有充电桩的位置上时，工业相机获取公交车车顶的实时图像，事先在工控机中编写好的图像处理程序负责图像码的识别，并获取图像码在相机坐标系中的位置信息；同时工控机将图像数据经WiFi路由器发送给公交车上的车载显示屏。公交车内有“开始充电”按钮和“停止充电”按钮，供司机操作。充电控制器由AW500A承担，接收来自工控机的命令，负责通过驱动电机控制下压式充电弓电极的起降，并控制充电桩按照车辆额定的充电参数进行充电。
第二步：使用MATLAB标定工具箱对工业相机进行标定，获取相机的内参数和畸变系数。
目前最常用的摄像机成像模型是小孔成像模型，世界坐标系下的三维点(X,Y,Z)与图像像素坐标系下的二维点(u,v)之间的变换可通过如下矩阵描述：
其中，(Xw,Yw,Zw)为世界坐标系；Zc为相机坐标系下的Z坐标；(u,v)为像素坐标系；R、T分别为旋转和平移矩阵，由世界坐标系与相机坐标系间的相对位置决定；f为相机焦距；dx，dy为离散化的单位长度；(u0,v0)为光轴中心在像素坐标系下的坐标。
令矩阵则K为相机的内参数矩阵，相机标定的目的就是确定矩阵K以及畸变系数。
准备好标定棋盘格图片，如图2所示，打印出来固定在平板上做成简易的标定板。固定相机，拍摄不同姿态的标定板图像，20张左右为宜。启动MATLAB相机标定工具箱，工具箱图形交互界面如图3所示。载入提前拍摄好的标定板图像，为每一幅图像手动设置最外围的四个角点，并且设置小方格的实际物体尺寸，工具箱便会自动地获取到棋盘格的角点，若相机的畸变较大，可通过输入预测的径向畸变系数协助工具箱获取到更准确的结果。最后点击工具箱上的Calibration按钮运行程序，获得标定结果。
第三步：识别公交车车顶上的图像码，并对相机进行姿态估计。
aruco模块目前已经集成在OpenCV3.0以上的版本内，ArUco标记是二进制平方标记，由黑色边界和内部的二进制矩阵组成，内部的矩阵决定了ArUco标记的ID。黑色的边界有利于快速检测到图像，二进制编码可以验证ID。在该模块中选择一个合适的预定义的字典来创建一个字典对象。考虑到检测的准确度以及工程的实际需求，选择一个大小为4×4，由50个ArUco标记组成的字典，如图4所示。
图像码由两个ArUco标记构成，印刷在PVC贴膜上，并使用透明的有机玻璃保护。每个图像码的大小为10*25cm的矩形，其中ArUco标记的尺寸为10*10cm的矩形，两个标记之间间隔5cm，如图5所示。图像码有安装方向要求，如图6所示，箭头方向指向车头方向。
首先利用自适应性阈值来分割ArUco标记，从阈值化后的图像中提取外形轮廓，将方形轮廓保留下来，并根据轮廓面积，舍弃过大或者过小的轮廓。检测到可能的标记区域后，需要分析其内部编码从而判断该区域是否为真的ArUco标记。对可能的标记区域进行透视变换，对规范化后的图像使用OTSU算法进行阈值化，从而分离黑色与白色像素。根据ArUco标记的大小使用网格划分图像，统计每个单元格里黑、白像素点的个数，从而决定每个单元的比特位。最后，检查提取的编码是否属于所选取的字典。以上操作可通过调用OpenCV中的detectMarkers函数实现。
检测到ArUco标记后，再通过ArUco标记获取相机姿态。在程序中载入之前获取的相机内参数和畸变系数，调用aruco模块中的estimatePoseSingleMarkers函数，可检测到每个ArUco标记的姿态。
第四步：图像码的数据库管理。
对图像码进行分组，每个分组表示一条线路，每组最多100个图像码，可对应100种车型，要求每个组里面的图像码不能重复，并支持图像分组的命名标注。为保证数据库管理系统的可扩展性，系统需支持图像码分组新建，删除，拷贝分组，拷贝图像码等功能。系统操作人员可以从数据库中检索图像码并打印。
记录所有出厂的图像码到数据库，并给图像码标注信息，内容包括第一个ArUco标记的10字节信息，第二个ArUco标记的10字节信息；车辆编码信息使用字符串表示，共20字节；用户名称60字节，集成商名称60字节，整车厂名称60字节。操作人员查询数据库记录可通过车辆编码、用户名称、集成商名称、整车厂名称进行查询。赋予数据库简单的权限管理，分为管理员以及操作员权限，只有管理员可以删除数据库记录。
第五步：工控机同AW500A之间的通信协议采用ModbusRTU协议。通信速率为9600bps，编码为8位二进制，无校验，1个停止位。
Modbus通信格式：ADR+10H+起始寄存器高字节地址+起始寄存器低字节地址+寄存器数量高字节+寄存器数字量低字节+数据字节总数+寄存器数据1+寄存器数据2+。。。+寄存器数据N+CRC码低字节+CRC码高字节。
数据内容写到AW500A的QW80～QW85，每次写寄存器数据的长度是固定的，共有10个字节，其格式如下：
车辆类型2字节+车辆位置(8字节，x，y坐标各4字节)
完成以上关键步骤，成功构建视觉检测自动充电控制系统后，司机将公交车停靠在充电桩的位置上时，系统会自动检测安装于公交车车顶的图像码，并获取图像码在相机坐标系中的位置。若位置坐标位于可充电的工作范围内，司机在确定车载显示屏上的实时图像后，按下充电按钮，充电弓降落，开始充电。若位置坐标不在工作区域内，即使司机按下充电按钮，充电弓也不会降落，此时工控机向车载显示屏发出警报信息，以提醒司机重新停靠车辆。当充电结束，司机按下停止按钮，并通过车载显示屏确认充电弓已经升起，则可以安全启动车辆。本发明构建了基于机器视觉的自动检测充电控制系统，为电动公交车的自动充电问题提供了解决途径。
本发明提供了电动公交车视觉检测充电控制系统的实施方式，本系统包括ArUco标记、视觉识别系统和升降式充电弓控制系统；ArUco标记安装在公交车车顶；视觉识别系统和升降式充电弓控制系统安装在公交车充电桩上；视觉识别系统包括工业相机；升降式充电弓控制系统包括充电控制器；工业相机获取ArUco标记图像并传输至工控机，在工控机中编写图像处理程序，对ArUco标记进行检测，获得公交车信息，控制升降式充电弓控制系统对公交车进行充电。
系统采用两个ArUco标记构成待检测的图像码，印刷在PVC膜贴上，并使用透明的有机玻璃进行保护。两个ArUco标记的配合使用可有效防止错误检测以及标记被部分遮挡对系统的不良影响，一定程度上提高了系统工作的稳定性。
工控机接收来自工业相机的图像，运行图像处理算法检测图像码，以获得公交车的信息编码，并计算图像码与相机坐标系间的位置关系，判断车辆是否位于可充电区域，并将该信息发送给充电控制器。
电动公交车视觉检测自动充电系统要求公交车上配备车载显示屏，其大小为10英寸，支持WiFi通信，可显示工控机发送过来的实时图像，也可接收工控机发送过来的报警信息并显示在屏幕上。
工控机根据图像码的中心位置来检测该公交车的受电弓是否位于下压式充电弓的工作范围内，若公交车停在位于可充电的工作范围，工控机将相机获取的当前视频图像发送给车上的车载显示屏，公交司机可通过相应按钮控制充电的进行与停止。否则，工控机发送报警信息到车载显示屏，充电按钮也会处于锁死状态。
电动公交车车顶上的图像码包含了该公交车的车辆信息，视觉识别系统可通过图像码查询数据库，得到该电动公交车的车辆充电参数信息，并把该参数发送给充电控制器，充电控制器负责下压式充电弓的起降，并控制充电桩按照车辆额定的充电参数进行充电。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。