賈 琪 董佳琪 付袈銘

（上海電機(jī)學(xué)院，中國 上海 201306）

1 項目背景及意義

我國電動汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展,此前上海市出臺的電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南,提出到2020年新增分散式充電樁超過480萬個,滿足500萬輛電動車的充電需求。[1]?？v觀當(dāng)前電動汽車的充電裝置，充電樁產(chǎn)品以柱式充電樁為主，在使用中雖然操作簡單但仍需人工操作，不能實現(xiàn)智能連接。本設(shè)計旨在開發(fā)一款機(jī)械臂式新型電動汽車充電裝置，機(jī)械臂具有中空式的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)F(xiàn)有電動汽車的充電槍置入其中，使之具備充電槍與汽車充電接口的自動對接功能，實現(xiàn)對電動汽車安全便捷、智能高效的充電。本裝置可利用視覺識別系統(tǒng)、RFID射頻掃描技術(shù)等先進(jìn)手段，對進(jìn)入車庫的車型進(jìn)行智能識別，還可以拓展GPRS等數(shù)據(jù)通信模塊，使之具備一定的信息交互能力實現(xiàn)與上層控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時傳遞，使裝置更加符合互聯(lián)網(wǎng)時代的要求。

1.1 充電問題

2016年1月1日起實施的由國家多部委聯(lián)合修訂的有關(guān)電動汽車充電接口以及通信協(xié)議等問題的5項國家標(biāo)準(zhǔn)，極大程度上解決了充電接口和電壓的不統(tǒng)一的問題，但就目前而言，“充電難”依然是當(dāng)下電動汽車發(fā)展的瓶頸。在對上海市電動汽車使用者進(jìn)行走訪調(diào)研后了解到，造成“充電難”現(xiàn)象的主要原因可以歸結(jié)為以下幾點：

（1）充電樁配套建設(shè)數(shù)量較少，有時需要排隊充電；

（2）部分停車場規(guī)模較大，充電車位標(biāo)識和指引不明顯，尋找充電車位難；

（3）充電槍與電動汽車需手動對接，惡劣天氣下使用存在安全隱患；

（4）充電車位被傳統(tǒng)燃油動力車占用現(xiàn)象頻繁發(fā)生；

（5）部分進(jìn)口車型充電接口與國內(nèi)充電樁不統(tǒng)一，公共充電樁不能使用

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本裝置主要由核心處理模塊、六自由度機(jī)械臂、超聲波測距模塊、狀態(tài)顯示模塊和安全防護(hù)裝置等幾部分構(gòu)成。

核心處理模塊為本裝置提供控制與計算功能。

六自由度機(jī)械臂是本裝置的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)，六自由度保證了機(jī)械臂能適應(yīng)復(fù)雜多變的停車位置。

超聲波測距模塊作為本裝置的外部傳感器，保障本裝置運(yùn)行的準(zhǔn)確和安全。

狀態(tài)顯示模塊由紅色和綠色兩顆LED燈珠組成，主要功能是反映系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)

安全防護(hù)裝置設(shè)置在六自由度機(jī)械臂的末端，能夠在汽車充電過程中進(jìn)行有效的防水、防異物、防觸電等多種保護(hù)功能。

3 運(yùn)行原理

系統(tǒng)初始狀態(tài)時機(jī)械臂保持封鎖狀態(tài)，對充電車位進(jìn)行封鎖。當(dāng)系統(tǒng)接收到啟動信號，機(jī)械臂從封鎖狀態(tài)轉(zhuǎn)入豎直狀態(tài)，解除對充電車位的封鎖，超聲波傳感器開始進(jìn)行測距工作，顯示模塊中的紅色指示燈亮，表示系統(tǒng)已完成車輛進(jìn)入的準(zhǔn)備工作，車輛可以倒車入庫。當(dāng)車輛位置滿足某一預(yù)設(shè)條件時，顯示模塊中的紅色指示燈滅，綠色指示燈亮，表示此時車輛已經(jīng)到位，系統(tǒng)可以對進(jìn)行充電操作，同時系統(tǒng)開始計時。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離[2]。根據(jù)超聲波模塊返回的測距數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)計時的過程中，如果車輛位置發(fā)生變動，系統(tǒng)判定為車未停好，返回狀態(tài)等待車輛位置再次滿足預(yù)設(shè)條件；如果車輛位置在10秒鐘內(nèi)未發(fā)生變動，系統(tǒng)判定為車已停好，控制器根據(jù)超聲波傳感器返回的車輛在車位中的位置以及該車型充電口在車身上的位置，得出機(jī)械臂運(yùn)動的目標(biāo)位置，給舵機(jī)發(fā)送驅(qū)動信號，使機(jī)械臂末端的充電槍與電動汽車充電口進(jìn)行連接，此時超聲波模塊關(guān)閉，狀態(tài)顯示模塊中的綠色指示燈滅。充電槍與充電口連接成功后進(jìn)入充電狀態(tài)，系統(tǒng)保持充電狀態(tài)直到接收到充電完成信號。當(dāng)系統(tǒng)接收到充電完成信號，控制器驅(qū)動舵機(jī)將機(jī)械臂由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入豎直狀態(tài)，超聲波模塊重新開始測距工作。根據(jù)超聲波模塊返回的測距數(shù)據(jù)，系統(tǒng)判斷車輛已完全駛離車位，系統(tǒng)計時器開始計時，計時10秒鐘鐘內(nèi)如未有車輛進(jìn)入充電車位，控制器驅(qū)動舵機(jī)將機(jī)械臂從豎直狀態(tài)轉(zhuǎn)入封鎖狀態(tài)，充電過程完成。

3.1 充電口定位

本設(shè)計的關(guān)鍵點在于借住六自由度機(jī)械臂將充電槍插入到電動汽車充電口中。為了使機(jī)械臂能夠執(zhí)行充電動作，確定充電口的空間位置的工作至關(guān)重要。為了更好地解釋充電口定位的原理，我們不妨定義兩個跟充電口定位有關(guān)的名詞：電動汽車充電口在車身上的“固有位置”和電動汽車在當(dāng)前充電車位中的“實時位置”。我們知道，任何一種電動汽車，其充電口在車身上的位置都是確定的，以電動汽車某一位置為原點建立起車輛的空間直角坐標(biāo)系，那么充電口在該坐標(biāo)系中就有了一個確定的坐標(biāo)值，我們稱之為充電口的“固有位置”。電動汽車充電口“固有位置”的數(shù)據(jù)可以從汽車廠商處獲得。司機(jī)倒車入庫的位置不可能每次都是相同的，因此每次倒車汽車在車位中的位置具有不確定性。以充電車位的某一位置為原點建立起車位的空間直角坐標(biāo)系，根據(jù)超聲波模塊返回的測距數(shù)據(jù)就可以得出車輛在該坐標(biāo)系中的當(dāng)前坐標(biāo)值，我們稱之為車輛的“實時位置”。依據(jù)車輛的“實時位置”和充電口的“固有位置”數(shù)據(jù)，我們可以將在車輛空間直角坐標(biāo)系中得出的充電口 “固有位置”數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到車位空間直角坐標(biāo)系中，這樣就得到了充電口在車位空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

3.2 車位封鎖

傳統(tǒng)燃油動力車占用充電車位是造成電動汽車“充電難”的一大原因，也是造成公共充電樁使用效率低下的重要因素。當(dāng)電動汽車充電車位閑置時，本裝置可以將六自由度機(jī)械臂伸展開來，減少充電車位被非法占用的情況。

3.3 預(yù)留拓展

GPRS技術(shù)是通用分組無線服務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service)的簡稱,是 GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。[3]通過GPRS技術(shù)的引用可以實現(xiàn)本裝置與智能系統(tǒng)的通訊，進(jìn)而實現(xiàn)APP或微信平臺的在線預(yù)定、在線支付、在線查詢等功能，真正實現(xiàn)全自動的對接、安全智能的充電，使機(jī)械臂式充電裝置的使用者能享受到便捷、安全、省心的充電服務(wù)。