一种自动充电控制方法、系统及充电装置

技术领域

本发明涉及充电控制技术领域，特别是涉及一种自动充电控制方法、系统及充电装置。

背景技术

目前几乎没有自动化充电装置投入使用，而研究人员所提出的几种自动化充电装置方案存在：(1)结构庞杂，占地空间大；(2)自由度不够；(3)工作所需空间域过大等问题，无法满足私人用户或狭窄空间内的自动充电需求。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种自动充电控制方法、系统及充电装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种自动充电控制方法，包括：

获取待充电车辆的充电口图像；

对所述充电口图像进行处理得到充电口轮廓点坐标；

根据所述充电口轮廓点坐标确定充电口中心点的世界坐标；

采用所述充电口中心点的世界坐标控制充电装置与待充电车辆充电口完成对接。

优选地，所述对所述充电口图像进行处理得到充电口轮廓点坐标，具体包括：

根据所述充电口图像确定充电口的灰度图像；

采用形态学处理方法，根据所述灰度图像得到充电口的边缘轮廓图；

采用Opencv的findcontours函数根据所述边缘轮廓图得到所述充电口轮廓点坐标。

优选地，采用摄像机获取待充电车辆的充电口图像。

优选地，所述根据所述充电口轮廓点坐标确定充电口中心点的世界坐标，具体包括：

获取摄像机的内参和外参；

根据所述摄像机的内参和外参将所述充电口轮廓点坐标转换为所述充电口中心点的世界坐标。

对应于上述提供的自动充电控制方法，本发明还提供了如下技术方案：

一种自动充电控制系统，包括：

图像获取模块，用于获取待充电车辆的充电口图像；

轮廓点坐标确定模块，用于对所述充电口图像进行处理得到充电口轮廓点坐标；

世界坐标确定模块，用于根据所述充电口轮廓点坐标确定充电口中心点的世界坐标；

充电模块，用于采用所述充电口中心点的世界坐标控制充电装置与待充电车辆充电口完成对接。

一种自动充电装置，包括：

摄像机，用于获取待充电车辆的充电口图像；

控制箱，与所述摄像机电连接，所述控制箱中植入有上述提供的自动充电控制方法，用于根据所述充电口图像生成控制指令；

充电机械臂，与所述控制箱电连接，用于根据所述控制指令完成与待充电车辆充电口的对接。

优选地，所述控制箱包括：

从控单元，与所述摄像机电连接，用于根据所述充电口图像确定待充电车辆的充电口位置；

主控单元，与所述从控单元和所述充电机械臂电连接，用于根据所述充电口位置生成控制指令。

优选地，所述充电机械臂包括：第一电机、充电机械臂和第二电机；

所述第一电机分别与所述充电机械臂和所述主控单元电连接；所述第二电机分别与所述充电机械臂和所述主控单元电连接；

所述第一电机用于根据所述控制指令带动所述充电机械臂进行x轴和Z轴方向的运动；所述第二电机用于根据所述控制指令带动所述充电机械臂进行y轴和Z轴方向的运动。

优选地，所述充电机械臂包括：电动推杆、第三电机、摆动关节和充电枪头；

所述电动推杆与所述第二电机的转子机械连接；所述第三电机的定子与所述电动推杆机械连接；所述第三电机的转子与所述摆动关节机械连接；所述充电枪头与所述摆动关节机械连接；

所述第三电机与所述控制单元电连接；所述第三电机用于根据所述控制指令带动所述摆动关节运动。

优选地，所述主控单元的控制过程为：

在T1时刻，发送控制指令给所述第一电机，所述第一电机带动所述充电机械臂从初始状态沿YZ平面转动90°角；

在T2时刻，发送控制指令给所述第一电机，所述第一电机带动所述充电机械臂沿Z轴负向运动至离地高度为h处，摄像机采集待充电车辆的充电口图像，同时，所述第一电机带动所述充电机械臂沿X轴负向移动，直至所述摄像机采集的图像中待充电车辆的充电口位于图像的中心区域时，所述充电机械臂停止移动；

在T3时刻，主控单元发送控制指令给所述第二电机，所述第二电机带动所述所述充电机械臂中的电动推杆进行伸放，使所述所述充电机械臂中的充电枪头向充电口运动；

在运动过程中，充电枪头朝充电口移动并通过摄像机采集充电口图像，所述从控单元实时获取充电口图像中充电口平面的深度值并发送给所述主控单元；所述主控单元在实时确定充电口平面内各处深度值的差异后，根据图像平面内各处深度值的差异发送控制指令，以控制第一电机、第二电机和第三电机进行运动，调整所述充电枪头在空间内的角度，直至所述摄像机下一帧采集到的充电口图像中的充电口平面的深度值一致，此时，所述主控单元控制所述电动推杆进行伸放，使所述充电枪头与充电口完成对接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的自动充电控制方法、系统及充电装置，通过获取得到的充电口图像确定待充电车辆的充电口位置，然后，依据确定得到的充电口位置，完成充电枪头与充电口的精确对接，并且，整个充电装置采用电机和伸缩杆等部件完成充电伸缩旋转，能够解决现有充电装置存在的结构庞杂、占地空间大、自由度不够、工作所需空间域过大等问题，进而满足私人用户或狭窄空间内的自动充电需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的自动充电控制方法的流程图；

图2为本发明提供的自动充电控制系统的结构示意图；

图3为本发明提供的自动充电装置的结构框图；

图4为本发明提供的自动充电装置的结构示意图；

图5为本发明提供的自动充电装置处于初始状态时的结构示意图；

图6为本发明提供的自动充电装置布置在停车位的示意图；

符号说明：

200图像获取模块，201轮廓点坐标确定模块，202世界坐标确定模块，203充电模块，1支撑立柱，2充电桩，3控制箱，4电动滑轨，5第一电机安装座，6第二电机安装座，7电动推杆，8第三电机安装座，9摆动关节，10摄像头，11充电枪头。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种自动充电控制方法、系统及充电装置，以解决现有充电装置存在的结构庞杂、占地空间大、自由度不够、工作所需空间域过大等问题，进而满足私人用户或狭窄空间内的自动充电需求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供的一种自动充电控制方法，包括：

步骤100：获取待充电车辆的充电口图像。在本发明中优选采用摄像机获取待充电车辆的充电口图像。摄像机优选采用单/双目摄像头。

步骤101：对所述充电口图像进行处理得到充电口轮廓点坐标。

步骤102：根据所述充电口轮廓点坐标确定充电口中心点的世界坐标。

步骤103：采用所述充电口中心点的世界坐标控制充电装置与待充电车辆充电口完成对接。

为了提高充电口位置确定的准确性，上述步骤101具体包括：

根据所述充电口图像确定充电口的灰度图像。具体的，本发明优选通过对充电口图像进行灰度化转换、高斯滤波等预处理的方式，得到图像的灰度图像。

采用形态学处理方法，根据所述灰度图像得到充电口的边缘轮廓图。具体的，本发明利用边缘检测算法(如Canny算子)对图像进行轮廓提取，配合腐蚀、膨胀等形态学处理，得到较优的充电口的边缘轮廓图。

采用Opencv的findcontours函数根据所述边缘轮廓图得到所述充电口轮廓点坐标。

在确定充电口轮廓点坐标之后，可以进一步得到的充电口中心坐标(m，n)，其中，(m，n)为像素坐标。

进一步，为了便于自动控制充电枪口与充电口的对接，上述步骤102具体包括：

获取摄像机的内参和外参。其中，内参为K，外参为[R|T]。

根据所述摄像机的内参和外参将所述充电口轮廓点坐标转换为所述充电口中心点的世界坐标(x，y，z)。

对应于上述提供的自动充电控制方法，本发明还提供了一种自动充电控制系统，如图2所示，该系统包括：图像获取模块200、轮廓点坐标确定模块201、世界坐标确定模块202和充电模块203。

其中，图像获取模块200用于获取待充电车辆的充电口图像。

轮廓点坐标确定模块201用于对所述充电口图像进行处理得到充电口轮廓点坐标。

世界坐标确定模块202用于根据所述充电口轮廓点坐标确定充电口中心点的世界坐标。

充电模块203用于采用所述充电口中心点的世界坐标控制充电装置与待充电车辆充电口完成对接。

因本发明提供的自动充电控制系统与上述提供的自动充电控制方法为对应的技术方案，因此，系统中描述较为宽泛的地方相互参见即可。

此外，本发明还提供了一种自动充电装置，如图3-5所示，该自动充电装置包括：摄像机10、控制箱3和充电机械臂(图中未给出具体标号)。

其中，摄像机10用于获取待充电车辆的充电口图像。

控制箱3与所述摄像机10电连接，所述控制箱3中植入有上述提供的自动充电控制方法，控制箱3用于根据所述充电口图像生成控制指令。

充电机械臂与所述控制箱3电连接，充电机械臂用于根据所述控制指令完成与待充电车辆充电口的对接。

下面对上述提供的自动充电装置的具体结构进行详细说明。

如图3所示，上述提供的控制箱3包括：从控单元和主控单元。

从控单元与所述摄像机10电连接，从控单元用于根据所述充电口图像确定待充电车辆的充电口位置。

主控单元与所述从控单元和所述充电机械臂电连接，主控单元用于根据所述充电口位置生成控制指令。

上述提供的充电机械臂包括：第一电机、充电枪关节和第二电机；

所述第一电机分别与所述充电枪关节和所述主控单元电连接；所述第二电机分别与所述充电枪关节和所述主控单元电连接；

所述第一电机用于根据所述控制指令带动所述充电枪关节进行x轴和Z轴方向的运动；所述第二电机用于根据所述控制指令带动所述充电枪关节进行y轴和Z轴方向的运动。

进一步，为了增加充电机械臂充电过程中的灵活性，如图4和图5所示，本发明提供的充电机械臂还包括：电动推杆7、第三电机、摆动关节9和充电枪头11。

所述电动推杆7与所述第二电机的转子机械连接。所述第三电机的定子与所述电动推杆7机械连接。所述第三电机的转子与所述摆动关节9机械连接。所述充电枪头11与所述摆动关节9机械连接。

所述第三电机与所述控制单元电连接。所述第三电机用于根据所述控制指令带动所述摆动关节9运动。

基于本发明提供的上述自动充电控制方法、系统及充电装置，主控单元的控制过程为：

在T1时刻，发送控制指令给所述第一电机，所述第一电机带动所述充电枪关节从初始状态沿YZ平面转动90°角。

在T2时刻，发送控制指令给所述第一电机，所述第一电机带动所述充电枪关节沿Z轴负向运动至离地高度为h处，摄像机10采集待充电车辆的充电口图像，同时，所述第一电机带动所述充电枪关节沿X轴负向移动，直至所述摄像机10采集的图像中待充电车辆的充电口位于图像的中心区域时，所述充电枪关节停止移动。

在T3时刻，主控单元发送控制指令给所述第二电机，所述第二电机带动所述所述充电枪关节中的电动推杆7进行伸放，使所述所述充电枪关节中的充电枪头11向充电口运动。

在运动过程中，充电枪头11朝充电口移动并通过摄像机10采集充电口图像，所述从控单元实时获取充电口图像中充电口平面的深度值并发送给所述主控单元。所述主控单元在实时确定充电口平面内各处深度值的差异后，根据图像平面内各处深度值的差异发送控制指令，以控制第一电机、第二电机和第三电机进行运动，调整所述充电枪头11在空间内的角度，直至所述摄像机10下一帧采集到的充电口图像中的充电口平面的深度值一致，此时，所述主控单元控制所述电动推杆7进行伸放，使所述充电枪头11与充电口完成对接。

下面以一个具体实施例，对本发明提供的自动充电控制方法、系统及充电装置的优点进行说明。在本发明中，采用的自动充电控制方法的充电装置主要为图4和图5所示的结构，在实际应用过程中，也可以采用其他充电装置结构实施本发明提供的自动充电控制方法。

摄像头将获取的车辆图像信息传输给从控单元，从控单元根据所得信息识别、计算充电口的位置，并将所得位置信息传输给主控单元。主控单元根据该信息发送控制指令给各个驱动电机模块。驱动电机模块包含充电机械臂电机(第一电机、第二电机和第三电机)和电动滑轨驱动电机，分别控制充电枪关节的伸缩与转动和控制电动滑轨4的平面运动。通过充电机械臂和电动滑轨4的运动相结合，使充电枪头11能到达工作位置。充电枪关节头部载有充电枪头11可以完成与充电口的对接，并通过充电枪上的通讯接口将充电状态信息传输给系统总控制单元。

具体的，为简化结构，提高自由度，本实施例中，本发明提供的自动充电装置各部分结构的连接关系及作用如下：

支撑立柱1安装在车位线上，用作整个充电装置的载体。充电桩2为市面广泛应用的交流充电桩，内部储存充电线，其固定在支撑立柱1上，用以进行正常的电力传输等工作。

控制箱3固定在支撑立柱1上，控制箱3内部布置有电路板等控制模块，用以接收整个装置运动部件的状态信息并发送指令控制整个充电装置的运动。

电动滑轨4采用工业上成熟的电动滑轨4模块，其安装在支撑立柱1上，自身可通过电机驱动实现在方向上的运动，所带的滑动平台可通过电机驱动实现在X方向上的运动。

第一电机安装座5的底部安装在电动滑轨4的滑动平台上，可带动充电枪关节在X和Z方向上运动，第一电机安装座5的另一端安装有第一电机，第一电机安装座5与第一电机的定子部分机械连接。

第二电机安装座6的一端与第一电机的转子部分机械连接，与第一电机安装座5形成旋转配合关系，实现在YZ平面内的转动。第二电机安装座6的另一端安装有第二电机，第二电机安装座6与第二电机的定子部分机械连接。

电动推杆7为市面已有产品，通过电机驱动与螺杆传动实现多节杆件的伸缩，从而使充电装置具备伸缩功能以适应不同的充电口位置。电动推杆7的底座与第二电机安装座6内部的第二电机的转子部分机械连接，二者形成旋转配合关系，电动推杆7可以在第二电机安装座6的轴线方向上进行转动，进而带动充电枪头11转动以匹配车辆充电口位置。

第三电机安装座8在底座处与电动推杆7机械连接，跟随电动推杆7运动，第三电机安装座8的另一端安装有第三电机，第三电机安装座8与第三电机的定子部分机械连接。

摆动关节9与第三电机的转子部分机械连接，与第三电机安装座8形成旋转配合关系，实现在平面内的转动。同时，摆动关节9上还起到充当摄像头与充电枪头11的安装载体的作用。

摄像机10采用单目/双目摄像头，安装在摆动关节9上，实现图像识别，确定车辆充电口位置的作用。

充电枪头11为标准的交流充电头，安装在摆动关节9上，在整个装置工作时，具有6个自由度(3移动+3旋转)，可满足与车辆充电口的对接任务。

如图5所示，自动充电装置在未工作时，导轨位于支撑立柱1的顶部，充电机械臂处于导轨的端部靠近支撑立柱1，且整体关节沿Z轴负方向下垂(即充电枪头11朝下)，电动推杆7处于收缩最短状态，此时整个充电装置所占空间最小，记此时的状态为初始状态。

本发明提供的自动充电装置在停车位置安装时，为了减小占地空间，满足私人用户或狭窄空间内的充电需求，其具体安装位置如图6所示。

基于此，本发明提供的自动充电装置的总体控制逻辑为：

步骤1：待充电车辆停放在充电停车位。

步骤2：摄像头采集车辆充电口图像。

步骤3：车辆充电口位置识别定位。

步骤4：充电机械臂与充电口自动对接。

步骤5：充电装置自检，开始充电。

步骤6：充电装置结束充电，返回初始位置。

具体地，在步骤1中：

由于该自动充电装置的应用对象是单一停车位内的车辆，所以整个装置相对于停车位的安装位置是固定的(车位的左后方或右后方)，因此要求车辆在停车时需将充电口所在区域靠近自动充电装置，使充电口在装置的工作范围内。

具体地，在步骤2中，摄像头采集车辆充电口图像的具体流程为：

2.1、预先录入车辆信息：如果用户对象是公共用户，则在自动充电装置的控制系统中预先录入市面上已有新能源汽车(包括电动汽车和混合动力汽车)的信息，包括车型、充电口相对于地面的高度h和角度α、充电口附近区域图片等，并实时更新该信息库，增加新上市车型的相关信息。如果用户对象是私人用户，则只需录入其所需充电的一/二辆新能源汽车的相关信息。

2.2、启动充电装置：待充电车辆停放在停车位后，车主在人机交互系统中选择车型，开始充电，根据车型调取控制系统中预存的车辆信息，得到高度h和角度α，所有执行机构(包括摄像头、电机等)通电、通讯启动，同时，车辆充电口保护外盖打开。

2.3、调整摄像头采集位置：根据高度h和角度α信息，控制系统发送指令控制电动滑轨4携带充电机械臂运动到充电口高度所在区域，摄像头开始采集车辆充电口的图像信息，并将拍摄的图像与系统中存储的相应车型车辆的充电口图片进行SIFT特征匹配，将预先存储的图片作为原图、采集的图像作为比较图，通过提取匹配重要特征点，识别充电口及其位于图像中的位置，并通过该位置调整电动滑轨4在XZ平面内的移动，使得充电口位于摄像头所得图像的中心区域。

2.4、采集图像：摄像头采集此刻的充电口图像作为步骤3的输入图像。

具体地，在步骤3中，车辆充电口识别定位的具体流程为：

3.1、图像处理：对步骤2.4采集得到的图像进行灰度化转换、高斯滤波等预处理过程，得到图像的灰度图。

3.2、边缘提取：根据3.1中得到的灰度图，利用边缘检测算法如Canny算子对图像进行轮廓提取，配合腐蚀、膨胀等形态学处理方法，得到较优的充电口的边缘轮廓图。

3.3、充电口定位：根据3.2得到的边缘轮廓图，利用Opencv的findcontours函数，可确定图像中充电口轮廓点坐标，进而得到的充电口中心坐标(m，n)，(m，n)为像素坐标，通过前期的相机标定，可得到相机的内参K和外参[R|T]，通过坐标转换，得到充电口中心的世界坐标(x，y，z)。

3.4、根据3.3的坐标值，控制单元向驱动电机发送指令，充电枪头11朝充电口移动并采集图像，获取图像中充电口平面的深度值，根据深度值的差异调整充电枪头11的角度直至深度值一致，此时充电枪与充电口精确正对，充电机械臂继续运动，完成对接。

具体地，在步骤4中，充电机械臂与充电口的自动对接具体流程为：

充电装置启动后，控制单元根据步骤2中所得高度h和角度α等信息，开始按以下顺序规划充电机械臂的运动轨迹。

首先，在T1时刻发送指令给第一电机，充电机械臂在第一电机的驱动下整体从初始状态沿YZ平面转动90°角，使得整体关节与XZ平面垂直。

T2时刻，电动滑轨4在伺服电机的驱动下，带动充电机械臂沿Z轴负向运动至离地高度h处，摄像头开始采集图像，同时沿X轴负向移动，直至充电口位于图像的中心区域。

T3时刻，根据设计已知的充电机械臂的长度数据可知充电枪头11的空间位置，结合步骤3中得到充电口位置坐标(x，y，z)，主控单元发送指令控制电动推杆7伸放，使充电枪头11向充电口运动。

充电枪在运动过程中，充电枪头11朝充电口移动并采集图像，获取图像中充电口平面的深度值并发送回控制器，根据图像平面内各处深度值的差异，控制器发送指令控制第一电机、第二电机和第三电机的运动，使充电枪头11能够在空间内调整角度直至下一帧采集到的图像中充电口平面的深度值一致，此时充电枪与充电口正对。

对正后，主控单元控制电动推杆7的伸放，使得充电枪头11向充电口靠近并对接，若由于摄像头定位精度问题存在细微位置偏差，则通过电动滑轨4和第一电机安装座5的运动进行X、Y方向上的调整，确保充电枪头11与充电口的对接。

具体地，步骤5的具体流程为：

充电装置自检(充电枪头11与充电口对接后低压电路首先接通，进行通讯(CAN通讯)检测、绝缘检测等充电必需步骤)，若检测到存在漏电等安全隐患，则控制器控制充电枪脱离并停止工作、反馈错误信息到控制中心。若无安全隐患，则充电枪正常工作，自动充电装置高压通电，开始为车辆充电，并通过CAN通讯实时传输充电状态到系统监控平台。

具体地，步骤6的具体流程为：

当充电装置收到充电完成(包括已充满电、未充满但车主提前取车、发生故障等情况)命令后，高压断电，充电装置各关节按照电动推杆7、各转动关节、电动滑轨4的顺序先后进行运动回复到初始home位置及状态(各部件均在调试时设置好初始home位置)，整个装置回到初始位置，等待下次充电。

以上列举的具体实施例为实施本发明所提供技术方案的详细过程，描述较为简单之处相互参见即可。

此外，本发明提供的上述技术方案可根据实际需求对某一部分结构的布置进行调整，比如：

1、车位旁如果有墙体的话，可以省去支撑立柱，直接将电动滑轨固定在墙体上。

2、采用单根立柱支撑的形式等

3、充电机械臂的形式可以有多种，只要满足功能即可，比如伸缩杆与旋转关节的布置位置可视实际情况进行调整。

4、充电机械臂不一定非要6自由度，只要满足功能即可。

5、摄像头可采用单目、双目等多种摄像头达到相同的效果。

6、边缘检测算法不止一种，有基于梯度的边缘检测(包括Roberts算子、Sobel算子、Prewitt算子和canny算子等)、基于变换域的边缘检测(包括小波变换、多尺度几何分析、数学形态学变换和模糊理论等)、基于智能计算的边缘检测(包括遗传算法、蚁群算法、人工鱼群、蜂群算法和神经网络等)。

7、充电口位置坐标的定位方法不止一种，可根据实际需求进行算法调整。

综上，本发明提供的技术方案还具有以下优点：

第一，可实现自动化充电：通过摄像头识别车辆充电口位置，控制器控制充电装置充电枪头运动，可实现充电枪头与充电口的自动对接充电。

第二，自由度高：多个移动自由度+多个旋转自由度可满足任意停车姿态的充电对接需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。