本實用新型涉及機器視覺定位技術，特別是涉及一種基于計算機單目視覺和激光測距相結合的電動車自動充電機械臂。

背景技術：

隨著世界汽車工業(yè)化進程的快速發(fā)展和全球石油資源的進一步枯竭，汽車行業(yè)正在由燃油動力系統(tǒng)到電驅(qū)動系統(tǒng)的方向發(fā)展。相比傳統(tǒng)的燃油汽車，電動車存在續(xù)航能力較弱的問題，需要頻繁充電。因此，解決電動車充電問題是發(fā)展電動車產(chǎn)業(yè)的關鍵。

現(xiàn)有的電動車電池充電方式主要有：固定充電樁人工插拔充電和更換電池兩種方式，其中，更換電池的方式操作較為復雜，經(jīng)濟性不高，不適合普通用戶經(jīng)常使用。目前一般常用的方式為固定充電樁手動充電。但隨著電動車的增加，充電樁的數(shù)量和分布也相應的增大，管理員對充電設備的維護難度增加，當用戶進行手動充電時可能存在誤觸接口、線路漏電等安全隱患，雷雨天進行充電對用戶也存在很大危險性，此外，每次停車后繞到車尾進行頻繁地手動插拔充電也在一定程度上給用戶帶來了不便，并且降低了對電動車的使用體驗。因此，設計一種能為電動車自動充電的機械臂系統(tǒng)就具有很大的意義和實用價值。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有電動車充電樁需要用戶頻繁手動插拔充電的問題，本實用新型提供一種基于單目視覺和激光測距的電動車自動充電機械臂，當電動車停入車位后，即可完成一鍵充電，實現(xiàn)電動車充電過程自動化、智能化和安全化，并提高了用戶的使用舒適性和便捷性。

本實用新型提出的一種電動車自動充電機械臂，其中：包括控制系統(tǒng)、定位與避障裝置和執(zhí)行裝置，所述執(zhí)行裝置由六軸機械臂和充電接口組成，定位與避障裝置包括激光測距儀、單目照相機和超聲檢測儀，控制系統(tǒng)由上位機和下位機連接而成，六軸機械臂的底座固定于控制系統(tǒng)上，控制系統(tǒng)上固定有超聲檢測儀，充電接口、激光測距儀和單目照相機分別固定于六軸機械臂末端，激光測距儀、單目照相機和超聲檢測儀三者相對位置固定；單目照相機成像平面與充電接口相互平行，并且垂直于激光測距儀的光束；超聲檢測儀，激光測距儀和單目照相機分別連接上位機，下位機連接執(zhí)行裝置。

本實用新型中，所述上位機通過網(wǎng)絡通信連接用戶APP端口，通過用戶APP端口連接充電器，使充電過程完全自動化，無需人為手動操作。

本實用新型中，所述柔性連接器由彈簧與橡膠棒連接而成，以補償定位誤差。

本實用新型中，利用公式轉(zhuǎn)換，其中，Ｌ和l₁分別為兩次測距的距離，β為兩次測距中激光測距儀的夾角，α為機械臂末端需要調(diào)整的轉(zhuǎn)角；通過激光測距儀在旋轉(zhuǎn)相距β角的兩個方向上測出的車距，得到充電器姿態(tài)角度的調(diào)整。

本實用新型中，電動車自動充電機械臂和電動車配套使用，所述電動車上設有電動車充電口，電動車充電口上粘貼有黑邊白底的圓形輪廓標記圖案。

本實用新型中，所述充電接口用于連接電動車充電口。

本實用新型中，六軸機械臂可繞其底座進行360°旋轉(zhuǎn)，能夠滿足對相鄰兩個車位上的充電需求。

本實用新型中，當電動車需要用充電器充電時，每個充電樁上裝有行程開關，所述充電接口縱向定位通過充電器前端的行程開關實現(xiàn)，當充電器與電動車充電口完全對接后，行程開關被壓下，六軸機械臂停止運動。

本實用型的工作過程如下：

（1）機械臂底座安裝的超聲檢測儀啟動，檢測工作區(qū)域內(nèi)是否有障礙，如未檢測到障礙物則進行下一步工作，否則停止運行；

（2）驅(qū)動六軸機械臂運動到如下姿態(tài)：末端充電接口位于停車位邊線正上方距地面高1m處，充電接口平面面向停車面，并與地面垂直；

（3）開啟激光測距儀，通過旋轉(zhuǎn)六軸機械臂末端在兩個角度下測得的車距來計算停車實際位置與標準位置的夾角，從而調(diào)整末端位姿，使充電接口平面與電動車插口平面平行；

（4）啟動視覺定位系統(tǒng)，找到電動車充電口并確定其定位，并將定位信息反饋至控制系統(tǒng)；

（5）控制系統(tǒng)驅(qū)動六軸機械臂調(diào)整位置，以垂直于充電接口的方向向電動車充電接口運動；

（6）充電接口前端裝有行程限位開關，當完全結合后，六軸機械臂停止運動，開始充電；

（7）電池充電完成或接收到用戶發(fā)出的停止充電指令后，上位機向控制器發(fā)送指令，控制器機械臂收回至初始狀態(tài)。

由于上述技術方案的運用，本實用新型與現(xiàn)有的固定充電樁相比具有下列優(yōu)點：

1）利用該裝置代替固定充電樁對電動車進行自動充電能夠有效節(jié)約電動車用戶的手動充電時間，具有一定的便捷性。

2）利用該裝置對電動車進行自動充電，能夠避免用戶肢體與充電設備的直接接觸，可以防止觸電隱患，具有一定的安全性。

3）利用該裝置對電動車進行自動充電，完成充電后，機械臂能夠自動收回，避免對充電接口的無效占用，并且機械臂可繞底座進行360°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對相鄰兩個車位的充電需求，具有一定的高效性。

4）該裝置可通過超聲波傳感器進行障礙檢測，防止運動過程與人或其他物體中發(fā)生碰撞。

附圖說明

圖1電動車充電機械臂組成示意圖；

圖2電動車充電機械臂結構示意圖；

圖3機械臂末端位姿調(diào)整方法示意圖；

圖4單目照相機３搜索充電接口方法示意圖；

圖5充電口識別特征標記示意圖；

圖6 目標位置調(diào)整示意圖；

圖7相鄰車位旋轉(zhuǎn)充電示意圖

圖中標號：1-控制系統(tǒng)，2-六軸機械臂，3-單目照相機，4-充電接口，5-激光測距儀，6-超聲檢測儀，７-定位與避障裝置，８-上位機，９-下位機，10-執(zhí)行裝置，11-電動車。

具體實施方式

為了更加清晰地表達機械臂為電動車進行自動充電的過程，下面結合附圖和實施方式對本實用新型做進一步說明。

實施例１：本實用新型所提供的一種電動車自動充電機械臂，包括：包括控制系統(tǒng)1、定位與避障裝置和執(zhí)行裝置11三個部分，

所述執(zhí)行裝置11由充電接口4和六軸機械臂2通過柔性連接器連接而成，用于執(zhí)行自動充電操作，其中，充電接口4采用標準通用接口，滿足各種車輛的充電需求，柔性連接器由彈簧和橡膠棒組成，用于補償定位誤差。

所述定位與避障裝置由單目照相機3、超聲檢測儀6和激光測距儀５構成。單目照相機3采用eye-in-hand的形式安置于六軸機械臂2末端，進行拍攝并定位電動車充電口位置，激光測距儀５固定于六軸機械臂２末端，并保證激光束與電力輸出接口平面垂直，用于調(diào)節(jié)六軸機械臂2末端的充電接口4位姿，使之能夠與電動車充電口順利對接。

所述控制系統(tǒng)1由上位機8和下位機9組成，實現(xiàn)六軸機械臂的自動充電作業(yè)的控制。

圖2所示為電動車充電機械臂結構簡圖，充電接口４、單目照相機３和激光測距儀５固定于六軸機械臂２末端，通過單目照相機３采集的圖像信息和激光測距得到的距離信息來控制六軸機械臂各節(jié)臂的轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)末端充電接口與電動車充電插口的對接。

圖3所示為六軸機械臂末端位姿調(diào)整方法示意圖。若用戶停車時，車身相對邊線有一定歪斜角度α，則充電插頭難以順利對接充電，此時需要進行位姿調(diào)整，使充電器接口平面與電動車充電口平面平行。當六軸機械臂２進入工作狀態(tài)后，末端充電口的初始位置如圖中0所示，激光測距儀５發(fā)出的光束與停車線垂直，測得車距為L。然后，下位機９驅(qū)動六軸機械臂２末端平行與地面轉(zhuǎn)動β角，并測得對應的車距，把測得數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)的上位機８，利用計算機根據(jù)幾何關系即可得出電動車相對于停車線的偏移角度，因此只需控制六軸機械臂末端轉(zhuǎn)動α角即可完成位姿調(diào)整。

圖4所示為單目照相機３搜索充電接口方法示意圖，完成充電口位姿調(diào)整后，系統(tǒng)開啟單目照相機３進行圖像識別與定位，首先在圖示的初始視野中搜索目標，若發(fā)現(xiàn)充電插口則停止搜索，否則驅(qū)動機械臂，按照圖示中由①到⑧的編號順序進行拍攝搜索，一旦找到目標即停止后續(xù)搜索，在搜索過程中，六軸機械臂末端姿態(tài)始終保持一定。

圖5所示為充電口識別特征標記示意圖，考慮到不同車型的充電口外觀形狀，以及車身顏色會有很大區(qū)別，為了使該自動充電裝置能滿足所有電動車的充電需求，設計圖5所示的輪廓標記，以減小不同車身外觀因素對圖像識別的干擾。所示的輪廓為黑邊圓環(huán)，其圓心與充電接口重合，只需通過圖像處理技術提取圓形輪廓，找到圓心的圖像平面上的位置即可完成充電口在2維平面上的定位。接下來，根據(jù)圖片像素點與坐標轉(zhuǎn)化算法計算特征圓形的相對坐標（△x，△y），控制機械臂末端平移，使接口出現(xiàn)在視野中心，如圖6所示。調(diào)整完成后，使六軸機械臂末端沿垂直于當前成像平面的方向靠近電動車即可實現(xiàn)充電口對接，定位誤差通過六軸機構臂的末節(jié)臂的柔性連接修正，對接完成后通過接頭限位開關反饋給控制系統(tǒng)，機械臂運動停止，進入充電狀態(tài)。

圖7所示為相鄰車位旋轉(zhuǎn)充電示意圖，為了充分發(fā)揮自動充電機械臂的利用率，每兩個相鄰車位可共用一個自動充電機械臂，充電執(zhí)行裝置通過繞底座軸線水平旋轉(zhuǎn)，來分別對兩個車位上的電動車進行自動充電。