CN104786865A - 一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置,包括：图像采集***，照明***，对接连接***，基于计算机的图像处理与电机运动控制***以及驱动装置；所述照明***为所述图像采集***提供照明光源，使图像采集***获得清晰的成像；所述对接连接***由电机驱动进行横向运动和纵向运动；所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***对图像采集***采集的图像进行处理，及基于图像处理产生的数据对所述电机进行运动控制，从而控制所述对接连接***运动至相应位置；所述驱动装置驱动所述装置进行移动或旋转。上述装置能够方便、快捷、简单的为电动车提供自动充电对接，该装置的机械结构简单，对接方法可靠性高。

Description

一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置和方法
技术领域
本发明涉及计算机图像处理领域，特别是涉及一种基于单目视觉来控制完成充电头与电动汽车插座精确对接的装置与方法。
背景技术
目前已经开发了很多机器人用于完成工业自动化的生产，此外随着计算机技术与微电机技术的快速发展，机器人所能完成的任务也越来越多，越来越复杂。近来，随着电动汽车的不断普及，一种为电动汽车提供充电对接的自动机器人也就应运而生。自动充电对接机器人是这样一种设备，能够抓取充电头寻找到电动车辆上充电座，并完成对接且提供充电。这样的设备可以有效减少车辆驾驶员的麻烦，并可有效掌控充电时间来减少因人员疏忽导致充电时间过长对车载电池的伤害。
中国专利号CN 103023091公布了一种机器人操作的车辆充电站，其结构由基部板、提升部和机器人手臂三部分组成，其中提升部与基部板联接并被配置为并基本横向于基部板延伸。末端执行器包括被配置为与位于电动车辆的插座相联接的多个电触点。机器人手臂被配置为在三个运动度内移动末端执行器。由位于基部的传感器检测车辆的存在，位于充电头上方的目标跟踪像机给位于基部的机器人手臂控制器提供可视化反馈。
该专利所述的装置单纯的由机械臂来完成三维方向上任意位置的移动，结构复杂，对制造工艺要求与控制***控制精度要求相对较高。且该机器人需固定于某一位置，其能够伸缩的范围便比较局限，使用不便。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种基于单目视觉来控制完成充电头与电动汽车插座精确对接的装置。能够方便、快捷、简单的为电动车提供自动充电对接，该装置的机械结构简单，对接方法可靠性高。
本发明所要解决的次要技术问题是一种基于单目视觉来控制完成充电头与电动汽车插座精确对接的方法。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置,包括：图像采集***，照明***，对接连接***，基于计算机的图像处理与电机运动控制***以及驱动装置；
所述照明***为所述图像采集***提供照明光源，使图像采集***获得清晰的成像；
所述对接连接***由电机驱动进行横向运动和纵向运动；
所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***对图像采集***采集的图像进行处理，及基于图像处理产生的数据对所述电机进行运动控制，从而控制所述对接连接***运动至相应位置；
所述驱动装置驱动所述装置进行移动或旋转。
在一较佳实施例中:所述对接连接连接***包括一横向滑槽、一与所述横向滑槽垂直的纵向滑槽以及一与所述纵向滑槽连接的对接头；所述电机分别驱动所述纵向滑槽沿着所述横向滑槽滑动、所述对接头沿着所述纵向滑槽滑动。
在一较佳实施例中:所述对接头包括对接头外圈、电触点、柔性连接装置以及机械臂；所述柔性连接装置设于所述对接头外圈与机械臂的一端之间，机械臂的另一端与纵向滑槽连接；所述电触点设于所述对接头外圈内。
在一较佳实施例中:所述照明***和图像采集***分别设于所述对接头外圈的上下两侧。
在一较佳实施例中:所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***用所述图像采集***获取的电动汽车插座的轮廓与中心点信息控制驱动轮，并驱动所述机械臂进行横向和纵向运动，使得对接头与插座对接。
在一较佳实施例中:所述对接头外圈的尺寸大于电动汽车插座的外轮廓，所述对接头外圈与电触点之间通过一斜面过渡。
在一较佳实施例中:所述柔性连接装置包括：橡胶环以及设置于橡胶环***的4个阻尼弹簧。
在一较佳实施例中:所述横向滑槽、纵向滑槽为丝杆传动装置。
本发明还提供了一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的方法，使用上述的基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，步骤如下：
1)图像采集***在照明***的辅助下，对图像进行实时采集；
2)椭圆拟合搜寻电动汽车插座；若电动汽车插座在视野内，则进行步骤3；不在视野内，则旋转所述装置继续搜寻，旋转360度仍未发现插座，则***默认电动汽车插座不存在；
3)若所述椭圆拟合产生的椭圆长短轴相等，则进行步骤4；若不相等，则需调整所述装置的位置，直至长短轴相等；
4)获取电动汽车插座的中心点坐标及圆形半径，再由基于计算机的图像处理与电机运动控制***控制对接连接***移动校准对心；
5)控制所述装置直线前进，完成对接。
在一较佳实施例中：步骤3)与步骤4)中的椭圆长短轴及中心点位置信息基于椭圆拟合产生的椭圆轮廓信息提取，步骤4)中中心点位置信息则基于所建立的坐标系读取。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.智能化，拓展性强。基于车载计算机对装置及机械臂进行控制，控制精度相对较高，处理速度也较快。结合视觉，通过对程序编写，功能拓展性强，智能化程度高。
2.结构简单，成本较低。相对于单纯的由机械臂来完成三维方向上任意位置移动的复杂机械结构，本装置相对简单，对制造工艺与控制精度要求也相对较低，由此可以有效的降低制造成本。
3.可靠性强，应用广泛。结合车载计算机的控制与对接连接***的设计，可以有效的提升对接成功的可靠性，同时该机器人还可以拓展应用于工业生产中，完成某些对接任务，应用广泛。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置与汽车对接供电示意图；
图3为本发明实施例中对接头的结构示意图；
图4为本发明实施例中柔性连接装置结构示意图；
图5为本发明实施例中对于电动汽车插座识别算法的流程图；
图6为本发明实施例中一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置与汽车对接的基本流程图；
图7为本发明实施例中一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置与汽车对接的流程俯视图一；
图8为本发明实施例中一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置与汽车对接的流程俯视图二；
图9为本发明实施例中测距算法说明图一；
图10为本发明实施例中测距算法说明图二；
图11为本发明实施例中测距算法说明图三；
图中：1-照明***，2-对接头，3-电触点，4-图像采集***，5-柔性连接装置，6-机械臂，7-移动杆，8-电机，9-车载计算机，10-装置平台，11-从动轮，12-驱动轮，13-丝杆传动装置，14-电动汽车充电槽，15-电动汽车插座，16-阻尼弹簧，17-橡胶环。
具体实施方式
下文结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
本文所设计的充电机器人可服务于公共充电站或私人停车位，为电动车辆提供充电服务，也可以拓展应用于工业生产中，完成类似的精确对接的功能。当然所完成这些功能的工作区域是在机器人所搭载的视觉识别范围内。为了便于理解本发明，以下将参照相关附图及实施例对整个发明进行更详细的论述。其中在不同的视图中使用相同的附图标记代表相同或同样的部件。
如图1-4所示，一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置,包括：包括图像采集***4，照明***1，对接连接***，基于计算机的图像处理与电机运动控制***以及驱动装置：
所述照明***1为所述图像采集***4提供照明光源，使图像采集***4获得清晰的成像；所述图像采集***4主要为CCD相机，其位于对接连接***的正上方，这样的设计主要为了便于对周围环境信息的采集，以尽可能减少视觉盲区的存在。通过CCD相机完成图像信息的采集，经由AV线传输至图像采集卡，图像卡采集卡再经由USB线传输至计算机，以此路径来完成整个图像的采集传输过程。
所述对接连接***由电机8驱动进行横向运动和纵向运动；所述对接连接***包括一横向滑槽、一与所述横向滑槽垂直的纵向滑槽以及一与所述纵向滑槽连接的对接头2；所述纵向滑槽设于驱动杆7上。所述电机8分别驱动所述纵向滑槽沿着所述横向滑槽滑动、所述对接头2沿着所述纵向滑槽滑动。所述横向滑槽和纵向滑槽为丝杆传动装置13。
所述对接头2包括对接头外圈、电触点3、柔性连接装置5以及机械臂6；所述柔性连接装置5设于所述对接头外圈与机械臂6的一端之间，机械臂6的另一端与纵向滑槽连接；所述电触点3设于所述对接头外圈内。所述对接头外圈的尺寸大于电动汽车插座15的外轮廓，所述对接头外圈与电触点3之间通过一斜面过渡。这样的设计主要是为了弥补在对接过程中存在着一些不可控的细小误差，在斜面引导下缓慢进行校正。
所述照明***1和图像采集***4分别设于所述对接头外圈的上下两侧。所述柔性连接装置5包括：橡胶环17以及设置于橡胶环17***的4个阻尼弹簧16。橡胶环17起柔性连接作用，4个阻尼弹簧16则起约束稳定作用，整个柔性连接装置5在受力状态下允许产生在竖直面上位移，对由上述对接头外圈斜面引导的误差校正过程提供支持。在外力去除下，在4个阻尼弹簧16的约束下柔性连接装置5又能迅速恢复原状。
所述驱动装置驱动所述装置进行移动或旋转。本实施例中，驱动装置包括设于装置平台10底部的驱动轮12和从动轮11。
所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***对图像采集***采集的图像进行处理，及基于图像处理产生的数据对所述电机8进行运动控制，从而控制所述对接连接***运动至相应位置；
所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***用所述图像采集***获取的电动汽车插座的轮廓与中心点信息控制驱动轮、并驱动所述机械臂进行横向和纵向运动，使得对接头与插座对接。
所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***核心装置主要为车载计算机9，其功能主要分为以下几个模块：
1)图像处理模块：对采集的图像进行实时处理，并对图像中的电动汽车插座15进行识别，整个识别算法流程如图5所示，识别完后再对电动插座的轮廓边缘信息及中心点坐标信息进行提取计算。
2)运动控制模块：依据采集到的图像信息控制电机8的转动，从而控制驱动轮12的转动及机械臂6和移动杆7的移动，使对接装置达到所需对接位置。
3)人机交互模块：人机交互模块主要通过车载计算机9平台上所搭载的触摸屏及语音输入及输出***来实现与人的交流，此平台为开放平台，可供开发者拓展机器人所具有的智能交互功能。
如图6所示，本发明所述充电对接方法流程如下：
S1获取成像设备拍摄的图像：整个采集过程由CCD像机对周围环境进行实时摄取，由AV线传输至图像采集卡，图像采集卡再由USB线与计算机进行相连。软件环境主要为windows 7平台下软件open cv，通过其提供的cvCaptureFromCAM函数对图像进行实时采集。
S2电动汽车插座识别：对采集的图像采用如图5所示的算法流程进行识别，当电动汽车插座15在视野范围内，则进行下一流程。若不在视野内，则原地旋转装置进行实时搜寻识别，若旋转完360度，仍未找到，则***默认电动汽车插座15不存在。为了便于识别，本文采用的如图5所示的算法流程需对非圆形化的电动汽车插座15进行圆形化处理，并对其圆形区域采用鲜明颜色进行着色。
S3电动汽车插座15信息获取：电动汽车插座15的信息获取主要是指其在图片中投影所成的长短轴信息的获取，对此，我们可以依据如图5所示算法中的椭圆拟合步骤，由拟合的椭圆信息来获取长短轴信息。椭圆拟合常用的方法有霍夫变换法和最小二乘法。因为霍夫变换进行椭圆拟合，需要对每一个监测点进行计算，时间较长，而且不准确，所以本文采用最小二乘法。最小二乘法是在随机误差为正态分布时，由最大似然法推出的最优估计技术，适用于从一组测量值中求出一组未知量。OpenCV中函数cvFitEl l ipse()使用最小二乘法进行椭圆拟合，可以得到一个与圆形插槽轮廓最相似的椭圆，以此我们来获取电动汽车插座15的基本信息。
S4调整装置的姿态使上述长短轴相等：如若长短轴原先便相等，那我们便可以进行下一流程。但在实际应用中，长短轴往往是不相等。这个调整过程便类似于由如图7所示的一般位置调整到如图8所示的特殊位置，因为存在着一些不可控的误差，所以一步难以调整到如图8所示的特殊位置，但我们能调整装置靠近如图8所示的位置，并使摄像线垂直于电动汽车车身线，即能使电动汽车插座15在图像中呈现圆形的位置。在这个调整的过程，我们便需要求得距离Z,角度θ。
距离Z:我们可以由图9所示的成像模型图一轻易得出，图中的H指的是电动汽车插座高度方向上的半径信息，h是H在成像平面上的成像，f是CCD像机的焦距。由相似三角形原理，我们易可得出所以而H，f的参数都是已知固定的，h可由图像中椭圆纵轴信息得到，这样Z便可确定，而Z的精度便由h的精度决定。
角度θ:我们可以由图10所示的成像模型图二轻易得出，图中的W指的是电动汽车插座宽度方向上的直径信息，w是W在成像平面上的成像，而f是已知固定的，Z已求得，由相似三角形得所以又因为θ角相对较小，所以W”≈W'，所以，而横向距离L＝Zsinθ，所以我们只需控制装置顺时针旋转并前进L，再逆时针旋转便可使上述长短轴相等。
S5获取电动汽车插座15的三维信息：在经过S4的装置姿态的调整，由于控制过程的误差存在，电动汽车插座15中心不一定会与CCD像机中心线重合，其在图像中的位置很有可能如图11所示，此时，我们便需以CCD像机中心为原点，建立如图所示的坐标系，再依据圆心在图像中的坐标信息及圆的半径信息最终得出其三维信息(X,Y,Z)。原理如下，因为h由上拟合的椭圆信息求得，而H又是已知的，所以便有而f已知，x,y可由建立的图像中圆的中点坐标求得，所以，电动汽车插座的三维信息(X,Y,Z)便可确定。
S6调整装置及其上的机械臂运动完成对接：控制装置的横向移动杆移动X,提升机械臂移动Y，装置前进距离Z，便可完成最终的充电对接。
综上所述，本发明在实际中提供了一种解决为电动汽车提供充电对接的装置及方法，该装置结构简单，成本较低，基于该装置的对接方法对接精度高，可靠性强。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置,其特征在于包括：图像采集***，照明***，对接连接***，基于计算机的图像处理与电机运动控制***以及驱动装置；
所述照明***为所述图像采集***提供照明光源，使图像采集***获得清晰的成像；
所述对接连接***由电机驱动进行横向运动和纵向运动；
所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***对图像采集***采集的图像进行处理，及基于图像处理产生的数据对所述电机进行运动控制，从而控制所述对接连接***运动至相应位置；
所述驱动装置驱动所述装置进行移动或旋转。
2.根据权利要求1所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述对接连接***包括一横向滑槽、一与所述横向滑槽垂直的纵向滑槽以及一与所述纵向滑槽连接的对接头；所述电机分别驱动所述纵向滑槽沿着所述横向滑槽滑动，所述对接头沿着所述纵向滑槽滑动。
3.根据权利要求2所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述对接头包括对接头外圈、电触点、柔性连接装置以及机械臂；所述柔性连接装置设于所述对接头外圈与机械臂的一端之间，机械臂的另一端与纵向滑槽连接；所述电触点设于所述对接头外圈内。
4.根据权利要求3所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述照明***和图像采集***分别设于所述接头外圈的上下两侧。
5.根据权利要求4所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述基于计算机的图像处理与电机运动控制***用所述图像采集***获取的电动汽车插座的轮廓与中心点信息控制驱动轮、并驱动所述机械臂进行横向和纵向运动，使得对接头与插座对接。
6.根据权利要求5所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述对接头外圈的尺寸大于电动汽车插座的外轮廓，所述对接头外圈与电触点之间通过一斜面过渡。
7.根据权利要求3所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述柔性连接装置包括：橡胶环以及设置于橡胶环***的4个阻尼弹簧。
8.根据权利要求3所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，其特征在于:所述横向滑槽、纵向滑槽为丝杆传动装置。
9.一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的方法，其特征在于：使用权利要求1到8中任一项所述的基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的装置，步骤如下：
1)图像采集***在照明***的辅助下，对图像进行实时采集；
2)椭圆拟合搜寻电动汽车插座；若电动汽车插座在视野内，则进行步骤3；不在视野内，则旋转所述装置继续搜寻，旋转360度仍未发现插座，则***默认电动汽车插座不存在；
3)若所述椭圆拟合产生的椭圆长短轴相等，则进行步骤4；若不相等，则需调整所述装置的位置，直至长短轴相等；
4)获取电动汽车插座的中心点坐标及圆形半径，再由基于计算机的图像处理与电机运动控制***控制对接连接***移动校准对心；
5)控制所述装置直线前进，完成对接。
10.根据权利要求9所述的一种基于单目视觉为电动汽车提供充电对接的方法，其特征在于：步骤3)与步骤4)中的椭圆长短轴及中心点位置信息基于椭圆拟合产生的椭圆轮廓信息提取，步骤4)中中心点位置信息则基于所建立的坐标系读取。
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