[发明专利]一种无人驾驶汽车自动化充电系统及充电对接方法

权利要求书

1.一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：包括安装在汽车端的充电接口姿态检测调整装置、设置在充电桩端的空间坐标获取装置以及对接执行装置；所述充电接口姿态检测调整装置包括三轴云台、安装在三轴云台上的三个舵机、充电接口、蓝牙通信模块，充电接口上安装用于测量俯仰角和横滚角的陀螺仪，充电接口上安装用于测量充电接口至充电桩距离的激光测距传感器，充电接口中心设有激光发射器；所述空间坐标获取装置包括垂直于地面的激光接收矩阵屏幕、单片机以及蓝牙通信模块，激光接收矩阵屏幕包括若干对所在点位坐标进行编码的激光接收管，激光发射器向激光接收矩阵屏幕发射激光，被激光照射到的点位上激光接收管会向单片机反馈所处位置坐标，充电接口至充电桩的距离坐标由激光测距传感器测量获得并通过蓝牙通信模块传输至单片机；所述对接执行装置包括沿丝杆水平移动的步进电机滑台、安装在滑台上的六自由度机械臂、控制机械臂的舵机、安装在机械臂顶部的充电头，单片机根据获取的充电接口空间坐标控制对接装置中的充电头与充电接口对接；

所述激光测距传感器设置两个，分别位于充电接口端面的两侧，计算两个激光测距传感器测量的距离差d1和d2，按下述公式计算出偏移角度进而利用舵机进行调整，L表示两个激光测距传感器激光测距点间的距离：

α_偏移＝tan^-1{(d1-d2)/L}。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口空间坐标系的建立是以XOZ平面与地面水平、XOY平面与充电桩竖直面水平而构建。

3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口的俯仰角和横滚角解算采用四元数法。

4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电接口的姿态调整需先调整XY、YZ方向，使得充电接口XOZ平面与地面水平，然后启动激光测距传感器进行XZ方向姿态调整，XY、YZ方向调整不分先后。

5.根据权利要求2所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述对接执行装置在执行对接时，机械臂先沿Y轴方向转动，然后滑台沿X轴方向调整到位，令机械臂顶部的充电头与汽车端充电接口的X、Y方向对准，最后控制充电头沿Z方向对插。

6.根据权利要求5所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头沿Z方向对插分两步进行，第一步对插至离充电接口预留一段距离处停止，充电桩通过蓝牙通信模块向汽车端发送位置验证请求，汽车端充电接口中心的激光发射器发射激光，安装在机械臂顶部的充电头上的激光接收器接收到激光信号后反馈单片机，单片机再控制机械臂完成第二步对插至充电接口上。

7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头设计为楔形结构公头，充电接口端设计为楔形结构母头。

8.根据权利要求7所述的一种无人驾驶汽车自动化充电系统，其特征在于：所述充电头与机械臂顶部之间通过十字滑块连接，充电头底部开设滑槽，机械臂顶部开设滑槽，十字滑块通过弹簧和轴安装在滑槽中。

9.一种无人驾驶汽车自动充电对接方法，包括以下步骤：

步骤1：汽车端车充口姿态检测及调整，具体方法如下：

(1.1)车辆行驶至充电桩前停稳后，车充口通过陀螺仪检测自身对地姿态并通过云台上的舵机进行补偿调整；

(1.2)启动车充口上的激光测距传感器，测量车充口至充电桩的距离，根据测量结果进行补偿调整；

步骤2：充电桩端获取车充口的三维空间坐标，具体方法如下：

(2.1)车充口完成姿态调整后，车充口向充电桩端的激光接收矩阵屏幕发射激光，激光接收矩阵屏幕逐行扫描各激光接收点位的电平状态以获取车充口所处位置x、y方向坐标；

(2.2)车充口的激光测距模块再次启动测距，并将最后一次测得的距离数据发送给充电桩端，充电桩端接收所发来数据以获取车充口所处位置z方向坐标，并计算出一个充电对接验证位置z方向坐标z0，z0数值小于z；

步骤3：充电自动化对接：

(3.1)充电桩端的控制芯片通过计算将所获取的车充口x方向坐标转化为相应PWM脉冲信号，进而控制步进电机滑台到达x方向指定位置；

(3.2)充电桩端的控制芯片将所获取的车充口y方向坐标以及充电对接验证位置z方向坐标z0进行逆运动学解算以获得机械臂各关节舵机对应PWM脉冲信号，进而控制机械臂末端的充电头到达对接操作验证位置z0处停止；

(3.3)车充口内的激光发射器向充电桩方向再次垂直发射一束激光，若充电头内激光接收管接收到该束激光，则控制机械臂末端的充电头完全插入车充口内；若充电头内激光接收管未接收到该束激光，则结束该次对接任务重新获取车充口三维空间坐标以准备下一次对接。