电动汽车换电的视觉系统、标定方法及电池定位方法与流程

文档序号：14121561阅读：378来源：国知局

本发明属于电动车换电技术领域，具体涉及一种电动汽车换电的视觉系统、标定方法及电池定位方法。

背景技术：

环境污染和石油资源不足是目前汽车行业发展的瓶颈。在此背景下，新能源纯电动汽车应运而生。所谓纯电动汽车是指以车载电源为动力，用电池驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。虽然纯电动汽车使用的是清洁能源，但由于目前电池技术的局限性，使得纯电动汽车的续航能力有限，因此，需要纯电动汽车及时地充电或换电池。

对于充电方式，主要有快速充电和充电桩两种。快速充电技术可以在短时间内充满电池电量，但严重损害了电池的寿命；而对于充电桩技术，由于电动汽车及电池标准不统一，需要设计专车充电桩，严重降低了充电桩的使用效率。

对于换电方式，即建立一个包括换电机器人、充电架、充电机等设备的换电站，将电动汽车用完的电池通过换电机器人的换电治具取出并放入充电架进行充电，并将充满电的电池放入电动汽车内，满足电动汽车的续航要求。

目前，电动汽车为了使续航能力能达到300公里之上，通常电池的重量要大于300公斤。考虑到电动汽车配重的合理性，故电池只能安装在后备厢、两侧或底盘之下。据此，电动汽车换电方式也分为后备厢、两侧和底盘三种换电方式。

对于商用车，电池的重量要大于300公斤，两侧共需要9块电池，只能安装在车辆的两侧，采用充电方式，需要充电时间长，公家车1天至少需要2次满电运行。故采用换电方式，而且换电时间必须满足公交车运行要求，不能影响公交车运行时间和运行班次。

在以往的机器人换电过程中，由于商用车的电池尺寸和自重大，对换电治具要求高，通过视觉系统对汽车内的电池进行拍照所获得电池的位置严重依赖于电池的一致性，只能够对标定过的电池进行准确换电，如果需要更换不同厂家的电池，则需要重新标定。

因此如果能够设计一种能够兼容不同厂家电池，将会对商用车中机器人的换电有重要指导意义。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提出一种能够准确获取电动汽车电池位置的电动汽车换电系统的视觉系统。

还提供了一种实现方式简单、并且适用性强的电动汽车换电的视觉系统的标定方法。

同时还提供了一种能够准确获取不同厂家待换电电池坐标的商用车两侧换电系统的视觉系统的定位方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种电动汽车换电的视觉系统，包括激光传感器以及工业相机；其改进之处是：所述激光传感器为两个并且并排安装在换电治具两侧，两个激光传感器之间的间距为g；所述工业相机安装在换电治具上并且位于两个激光传感器之间；工业相机与两个激光传感器的连线构成一个等腰三角形。

由于本发明是基于视觉定位进行的换电池工作，因此首先要对视觉系统进行标定，基于上述的电动汽车换电的视觉系统，本发明的标定方法具体包括以下步骤：

1)激光传感器位置标定；

1.1)将激光传感器a和激光传感器b并排安装在换电治具两侧；

1.2)在换电治具的前方位置放置一块标定板，标定板的放置位置确保激光传感器a或激光传感器b的出射激光打到该标定板上；

1.3)控制换电治具横行移动，在移动过程中保证激光传感器a的激光点始终打在面板上，读取移动过程中调整标定板使激光传感器a读数d在换电治具横行过程中不发生变化，固定标定板位置；所述d为激光传感器a与标定板之间的距离值；

1.4)将激光传感器a的出射激光和激光传感器b的出射激光同时打到面板上，分别读取两个激光传感器的读数，通过转动换电治具，将两个激光传感器读数调整成相同读数，记录换电治具当前角度读数作为该换电治具初始基准角度α°；

2)工业相机的内参标定；所述内参为物理距离u和像素距离t的比例系数k；

3)工业相机的外参标定；外参包括常数a、b、c、d、e、f、；

3.1)设定换电治具坐标系(x机，y机)以及视觉坐标系(x视，y视)；

3.2)使用手动方式操作换电治具进行一次取电操作，并记录当前取电位置换电治具的初始取电坐标(x机0,y机0)；

同时将工业相机拍摄的待换电池上的解锁头图像作为模板图像t并获取解锁头图像的初始坐标(x视0，y视0)，并规定解锁头图像的坐标为特征点；

3.3)以换电治具的初始取电坐标(x机0,y机0)为起始点坐标，使换电治具沿x方向或y方向任意移动n次，每移动1次完成一次拍照，并记录每次移动后换电治具取电坐标以及解锁头图像的坐标，从而形成换电治具取电坐标序列{(x机1,y机1)，(x机2,y机2)…(x机n,y机n)}以及解锁头图像坐标序列{(x视1,y视1)，(x视2,y视2)…(x视n,y视n)}；

3.4)利用换电治具取电坐标序列中所有坐标分别与换电治具初始取电坐标做差得到{(δx机1，δy机1)，(δx机2，δy机2)…(δx机n，δy机n)}；

利用解锁头图像坐标序列中所有坐标分别与解锁头图像初始坐标做差得到{(δx视1，δy视1)，(δx视2，δy视2)…(δx视n，δy视n)}；

3.5)将3.4)中得到的{(δx视1，δy视1)，(δx视2，δy视2)…(δx视n，δy视n)}通过二次幂公式计算出工业相机的外参a，b，c，d，e，f；

f(δx机)＝a(δx视)²+b(δy视)²+c(δx视)(δy视)+d(δx视)+e(δy视)+f

f(δy机)＝a(δx视)²+b(δy视)²+c(δx视)(δy视)+d(δx视)+e(δy视)+f

3.6)外参的验证；

利用步骤3.5)获得的工业相机外参，任意选取一组新的(x视新，,y视新)得到新的(δx视新，δy视新)，再将其带入到步骤3.5)通过公式得到新的(δx机新，δy机新)和(x机新，y机新)，控制换电治具执行取电池动作，若能够准确完成取电；则执行步骤3.7)；

如果验证不成功，重复步骤(3.2)至(3.4)步骤重新获取{(δx视1，δy视1)，(δx视2，δy视2)…(δx视n，δy视n)}，重新计算工业相机的外参；

3.7)将得到的工业相机内参和外参输入至换电系统，最终完成标定。

进一步地，上述步骤2)工业相机内参标定的具体步骤是：

2.1)确认标定板平面平行于换电治具且所述标定板距离工业相机的直线距离为700mm；所述标定板上设置有若干等间距的mark点；

2.2)工业相机对所述标定板拍照，并计算标定板上不同mark点的像素距离t；

2.3)获取mark点之间的实际物理距离u；

2.4)计算不同mark点之间的物理距离u和像素距离d的比例系数k；k＝u/d。

完成上述对视觉系统的标定后再进行电池定位，其具体步骤是：

s1)换电治具与待换电电池的调平；

s1.1)商用车驶入换电位置，换电治具旋转到初始角度α°，然后换电治具运动到预设位置，该预设位置能满足两个激光传感器的出射激光同时打到待换电电池上；

s1.2)启动激光传感器a和激光传感器b，得出激光传感器a和激光传感器b与待换电电池之间的距离值分别为l1和l2，通过三角函数得

s1.3)则角度θ°为待换电电池和换电治具之间的角度，控制换电治具旋转角度θ°，使得换电治具和待换电电池保持平行；

s2)确定换电治具的取电坐标；

s2.1)输入一张待换电池的模板图像t；

s2.2)工业相机在换电治具的带动下移动到预设的拍照位置，工业相机距离待换电电池为700mm，触发工业相机对待换电电池进行拍照，获取当前待换电电池的图像r；

s2.3)对当前待换电电池的图像r进行分析；

设当前待换电电池的图像r的左上角坐标为(0,0)，右下角的坐标为(e，e)；

s2.3.1)从当前图像的左上角坐标(0,0)开始，切割一块坐标(0,0)至坐标(m，n)的第一临时图像；其中：e＞m＞0；e＞n＞0；

s2.3.2)将第一临时图像和s2.1)所述模板图像t进行对比，对比结果记为c；

s2.3.3)将对比结果c记为当前图像(0,0)处的像素值；

s2.3.4)切割输入图像从(0,1)至(m,n+1)的第二临时图像；

s2.3.5)将第二临时图像和s2.1)所述模板图像t进行对比，对比结果记为c+1；

s2.3.6)将对比结果c+1记为当前图像(0,1)处的像素值；

s2.3.7)重复s2.3.1)～s2.3.5)直到获得右下角坐标(e,e)的像素值；

s2.4)衡量临时图像和模板图像的相似性并确定当前解锁头图像坐标(x视，,y视)；

s2.5)利用当前解锁头图像坐标(x视，,y视)和解锁头图像的初始坐标(x视0，y视0)做差获得(δx视，δy视)；

s2.6)将步骤s2.5)中得到(δx视，δy视)代入步骤3.5)中得到(δx机，δy机)；

s2.7)(δx机，δy机)加上换电治具的初始取电坐标(x机0,y机0)得到(x机，y机)；

s2.8)换电治具按照坐标(x机，y机)完成取电。

具体的，上述步骤s2.4)中衡量临时图像和模板图像的相似性d以及确定当前解锁头图像坐标的具体方法是：

其中，上式的第一项为临时图像的像素值；

第二项是模板图像t和临时图像的互相关系；

第三项为模板图像的像素值；

当模板图像和临时图像匹配时，模板图像的像素值有极大值，将其归一化，得模板匹配的相关系数r：

在待换电电池当前图像中完成全部搜索后，找出r的最大值rmax(i,j)，其对应的临时图像即为匹配目标；其中，(i，j)等同为(x视，y视)

本发明的有益效果是：

1、本发明的系统具有普遍适应性，对于任意类型机器人或者机器人等需要空间坐标的自动化设备，都可以采用如上方法进行图像坐标系到指定坐标系的标定变换。

2、本发明提供的标定方法方便简单，不需要进行复杂的数学计算，同时能够控制机器人实现两种坐标系下的标定。

3、本发明的电池定位方法中图像处理采用切割小图像进行分析，可以兼容不同厂家电池之间的差异性。

4、本发明也可以推广到其他需要对电动汽车电池需要更换的领域，不仅限于两侧式换电。

5、本发明实现电动汽车两侧电池的快速全自动更换，相比传统半自动更换或单轴逐个运动换电效率大大提高，换电成功率高。

附图说明

图1为视觉系统的结构主视示意图；

图2为视觉系统的结构俯视示意图；

图3为本发明标定方法的流程图；

图4为本发明定位方法的流程图；

具体实施方式

本发明提供了一种电动汽车换电的视觉系统、标定方法及电池定位方法，来满足不同厂家电池在换电过程中兼容的问题。

首先，现对本发明的电动汽车换电的视觉系统进行描述，参见用图1和图2，该系统包括激光传感器1以及工业相机2；激光传感器1为两个并且并排安装在换电治具3两侧，两个激光传感器1之间的间距为g；所述工业相机2安装在换电治具3上并且位于两个激光传感器1之间；工业相2机与两个激光传感器1的连线构成一个等腰三角形。

基于上述对视觉系统的描述，由于视觉系统中激光传感器以及工业相机在安装时均存在一定的误差，并且工业相机的一些设定参数(内参和外参)也不能很好的适应换电的要求，因此，需对该视觉系统进行标定，其标定方法包括以下步骤，参见图3：

步骤1)激光传感器位置标定；

步骤1.1)将激光传感器a和激光传感器b并排安装在换电治具两侧；

步骤1.2)在换电治具的前方位置放置一块标定板，标定板的放置位置确保激光传感器a或激光传感器b的出射激光打到该标定板上；

步骤1.3)控制换电治具横行移动，在移动过程中保证激光传感器a的激光点始终打在面板上，读取移动过程中调整标定板使激光传感器a读数d在换电治具横行过程中不发生变化，固定标定板位置；所述d为激光传感器a与标定板之间的距离值；

步骤1.4)将激光传感器a的出射激光和激光传感器b的出射激光同时打到面板上，分别读取两个激光传感器的读数，通过转动换电治具，将两个激光传感器读数调整成相同读数，记录换电治具当前角度读数作为该换电治具初始基准角度α°；

步骤2)工业相机的内参标定；所述内参为物理距离u和像素距离t的比例系数k；

步骤2.1)确认标定板平面平行于换电治具且所述标定板距离工业相机的直线距离为700mm；所述标定板上设置有若干等间距的mark点；

步骤2.2)工业相机对所述标定板拍照，并计算标定板上不同mark点的像素距离t；

步骤2.3)获取mark点之间的实际物理距离u；

步骤2.4)计算不同mark点之间的物理距离u和像素距离t的比例系数k；k＝u/t；

步骤3)工业相机的外参标定；外参包括常数a，b，c，d，e，f；

步骤3.1)设定换电治具坐标系(x机，y机)以及视觉坐标系(x视，y视)；

步骤3.2)使用手动方式控制换电治具完成操作进行一次取电操作，并记录当前取电位置换电治具的初始取电坐标(x机0,y机0)；

同时将工业相机拍摄的待换电电池上的解锁头图像作为模板图像t并获取解锁头图像的初始坐标(x视0，y视0)，并规定解锁头图像的坐标为特征点；

步骤3.3)以换电治具的初始取电坐标(x机0,y机0)为起始点坐标，使换电治具沿x方向或y方向任意移动20次，每移动1次完成一次拍照，并记录每次移动后换电治具取电坐标以及解锁头图像的坐标，从而形成换电治具取电坐标序列{(x机1,y机1)，(x机2,y机2)…(x机20,y机20)}以及解锁头图像坐标序列{(x视1,y视1)，(x视2,y视2)…(x视20,y视20)}；

步骤3.4)利用换电治具取电坐标序列中所有坐标分别与换电治具初始取电坐标做差得到{(δx机1，δy机1)，(δx机2，δy机2)…(δx机20，δy机20)}；

利用解锁头图像坐标序列中所有坐标分别与解锁头图像初始坐标做差得到{(δx视1，δy视1)，(δx视2，δy视2)…(δx视20，δy视20)}；如表2所示。

步骤3.5)将3.4)中得到的{(δx视1，δy视1)，(δx视2，δy视2)…(δx视20，δy视20)}通过二次幂公式计算出工业相机的外参a，b，c，d，e，f；