電動(dòng)汽車無(wú)人充電樁設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（山東愛(ài)普電氣設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

一、無(wú)人充電樁技術(shù)路線

充電服務(wù)系統(tǒng)包含了運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)、云端、用戶APP、充電樁、電動(dòng)車輛。從圖中可以看出，常規(guī)電動(dòng)車輛的充電方式需要人手持充電槍完成對(duì)接工作，而如果要實(shí)現(xiàn)無(wú)人充電，那么這樣的工作就需要機(jī)械臂來(lái)完成。

二、充電口定位方案

（一）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，也叫圖像識(shí)別技術(shù)，是指對(duì)圖像進(jìn)行特征提取，對(duì)象識(shí)別，以期達(dá)到人眼識(shí)別和目標(biāo)跟蹤的一系列跨學(xué)科的綜合技術(shù)。該技術(shù)涵蓋了空間幾何學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)學(xué)等學(xué)科。機(jī)器視覺(jué)及其擴(kuò)展方法現(xiàn)在已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科各個(gè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的方方面面。

（二）基于HSV 模型的圖像分割

利用單目視覺(jué)測(cè)量技術(shù)，來(lái)確定電動(dòng)汽車充電口的世界坐標(biāo)是一種十分直觀的方法。在充電樁的適當(dāng)位置架設(shè)攝像頭，并利用目標(biāo)物體與相機(jī)成像之間的幾何關(guān)系，可十分精確的求取目標(biāo)物的二維坐標(biāo)。在最初的方案中，考慮到充電口的紋理特征（縫隙）較為明顯，使用了模板匹配，機(jī)器學(xué)習(xí)等檢測(cè)技術(shù)。但由于汽車本身紋理線條較為豐富，干擾較大，實(shí)驗(yàn)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)要求，故放棄了檢測(cè)縫隙來(lái)定位充電口的方案。而后考慮利用彩色圖像分割技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)充電口的檢測(cè)和定位。色彩分割的缺點(diǎn)在于其對(duì)光照十分敏感，直接使用RGB 模型進(jìn)行分割，魯棒性較差。在多次實(shí)驗(yàn)后，使用了對(duì)光照強(qiáng)度不敏感的HSV 模型，成功對(duì)標(biāo)定塊和充電口目標(biāo)進(jìn)行了分割，利用充電口的圖像坐標(biāo)逆向求取其在二維空間中的實(shí)際坐標(biāo)。

（三）傳感器測(cè)距技術(shù)

1.超聲波測(cè)距

超聲波測(cè)距，也叫聲納，是通過(guò)聲波在傳播過(guò)程中可以穿透比自己波長(zhǎng)短的物體而不能穿透比自己波長(zhǎng)長(zhǎng)進(jìn)而會(huì)反射或者折射的原理來(lái)測(cè)量到障礙物的距離。人們利用超聲波測(cè)距時(shí)往往采用高于人耳所能聽(tīng)到的頻率來(lái)傳播能量。超聲波在測(cè)速測(cè)距等領(lǐng)域的應(yīng)用極為常見(jiàn)。常用的超聲波傳感器頻段超過(guò)20Khz，傳播過(guò)程中也會(huì)伴隨著能量得衰減。將上述超聲波原理加以利用，配合傳感元件和處理電路就可以設(shè)計(jì)出不同應(yīng)用場(chǎng)合的測(cè)距傳感器。

2.激光測(cè)距

將光學(xué)反射原理應(yīng)用于測(cè)距十分常見(jiàn)。紅外線是應(yīng)用較多的激光束。激光測(cè)距傳感器是一種能感知激光束的傳感裝置，利用傳播時(shí)間測(cè)距原理如圖2.4 所示。這種測(cè)距方式以其測(cè)量范圍廣，響應(yīng)時(shí)間短而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技，國(guó)防和工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

三、常用電動(dòng)汽車充電方式及設(shè)施

（一）慢充方式

以比較小的交流電來(lái)完成電池的充電過(guò)程，對(duì)接單相220V/32A 電源，整個(gè)充電過(guò)程需要6 到10 小時(shí)。通常，市場(chǎng)上幾乎全部類型的電動(dòng)汽車都可以使用該種充電方式進(jìn)行電源補(bǔ)給，雖然該種方式充電比較耗時(shí)，但用戶可以利用閑時(shí)或夜間等用電低峰時(shí)段給車進(jìn)行充電。

（二）快充方式

也可稱為應(yīng)急充電,可在20 分鐘到1 小時(shí)內(nèi)通過(guò)較大的直流電流為車載充電機(jī)進(jìn)行充電。為了達(dá)到快速充電目的而使用的較大電流，雖然很好的解決了電動(dòng)汽車快速應(yīng)急充電的現(xiàn)實(shí)要求，但其技術(shù)要求高、大電流、高電壓的特點(diǎn)對(duì)車載充電機(jī)及車載電池的性能及壽命都有比較大的影響。但是，因?yàn)榭焖俪潆姺绞剿捎玫某潆姅?shù)據(jù)參數(shù)在國(guó)際上目前并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以也存在一些安全隱患及不通用等問(wèn)題。鑒于此種充電方式對(duì)時(shí)間要求比較低，所以目前比較多的使用在公共交通場(chǎng)所。

（三）快換方式

以更換車載電池達(dá)到為電動(dòng)汽車提供持續(xù)動(dòng)力的充電方式，更換時(shí)間通常只需5 到10 分鐘，與燃油汽車進(jìn)站加油時(shí)間相當(dāng)?？鞊Q方式?jīng)Q定了電動(dòng)汽車在電能耗盡后，只需在短時(shí)間內(nèi)更換電池而不用當(dāng)時(shí)進(jìn)行充電的優(yōu)點(diǎn)。但該方式也受電池的很多因素所限制，比如電池型號(hào)是否匹配，接口是否通用等?？焖贀Q電池的方式常見(jiàn)于專業(yè)電動(dòng)車電池更換站及電池種類較為齊全的充電站。

四、充電樁工作流程

無(wú)人充電樁是一套集成手動(dòng)充電方式與自動(dòng)充電方式的智能化充電設(shè)備，其工作流程可以從車輛類型分為兩套流程。這里，我們?yōu)闊o(wú)人駕駛車輛設(shè)計(jì)了完全不需要人參與的充電流程，即身份識(shí)別也是自動(dòng)完成的。而常規(guī)車輛的身份識(shí)別由車主刷卡完成。所以，利用身份認(rèn)證方式的不同來(lái)自動(dòng)區(qū)分兩種類型的車輛，兩種充電方式工作流程如下。自動(dòng)對(duì)接充電工作流程：(1)智能識(shí)別：首先充電樁感知電子車牌中的賬戶信息和車型信息。(2)姿態(tài)調(diào)整：根據(jù)獲取的車型信息，得知充電口所在車身的具體位置，如有必要調(diào)整車身方向，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，并由定時(shí)器來(lái)控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角。(3)自動(dòng)對(duì)接：當(dāng)充電口與充電槍處于同一個(gè)面時(shí)，啟動(dòng)機(jī)械臂，進(jìn)行識(shí)別與對(duì)接。(4)充電：當(dāng)充電槍限位開(kāi)關(guān)觸發(fā)后，即確認(rèn)連接，開(kāi)始充電。(5)充電模式：默認(rèn)充滿結(jié)束，支持遠(yuǎn)程結(jié)束充電。(6)完成充電：充電完成后，機(jī)械臂復(fù)位，如果車輛正對(duì)充電樁則啟動(dòng)轉(zhuǎn)盤，調(diào)整車身方向，直至車輛可以駛離充電區(qū)域即可。手動(dòng)充電工作流程：(1)車主持充電槍完成與充電口的插接。(2)刷卡認(rèn)證身份：車主在讀卡區(qū)域刷卡。(3)充電：觸摸屏實(shí)時(shí)顯示充電狀態(tài)，包括電壓、電流、已充百分比等信息。(4)完成：車主可自主結(jié)束充電，并打印賬單。(5)車主拔下充電槍，駛離。

結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)對(duì)接充電方式在一定程度上解決了現(xiàn)在市面上不同廠家充電操作流程不同，用戶閱讀和支付難的問(wèn)題；為無(wú)人駕駛車輛的充電問(wèn)題提供解決方案；提高了充電服務(wù)的智能化。