CN112186908A - 一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法 - Google Patents

一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，涉及无线电能传输领域，包括发射线圈和接收线圈间偏移角度的确定，即线圈的角度定位；对发射线圈和接收线圈的地磁‑加速度传感器阵列分别进行误差参数标定，获取分量及误差，将分量转化为向量；本发明具备倾角补偿功能，可以应对实际工况中两线圈不平行，存在三维多自由度的情况，更加符合实际需求，本发明所需硬件数量少，体积小，***结构简单，通用性强，不受制于线圈形状和间距，***由模拟电路和数字处理器共同构成，结合了模拟电路的快速性和数字运算的灵活性。

Description

一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，具体的是一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法。
背景技术
为了在磁耦合谐振式电动汽车无线电能传输***中实现高效功率传输，发射线圈和接收线圈必须对准。在实际应用场景中，驾驶员仅仅凭肉眼是很难将接收线圈和发射线圈完全对准，两线圈之间不可避免的错位将导致***耦合变化并损害无线充电***。而调整两线圈至完全对齐的前提是准确获得两个线圈的偏移位置信息，没有精确的偏移角度定位任何调整都是没有意义的，因此电动汽车无线充电***离不开精确的线圈定位***。因此，线圈定位已被定为一个商业化的无线电动汽车充电***的重要组成部分，精确的线圈角度位置信息才可以作为驾驶员调整车辆将两线圈对齐的依据。
实际应用中线圈可能发生的偏移主要分为两类：平移偏移和角度偏移。对于平移偏移已有大量研究去的良好的解决方案，而对于角度偏移尚未有相应的对策。并且，现有的线圈定位方案都是在假设两线圈相互平行且处于相同的水平面内进行的，而实际线圈可能出现三维多自由的工况，极大影响线圈角度定位结果。此外，各类误差的存在对于线圈角度定位精度也有很大影响，因此亟需一种精确的三维多自由度线圈角度定位方法，补充完善电动汽车无线充电线圈定位方法。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，使用较低的硬件成本，实现三维多自由的线圈精确角度定位。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，包括以下步骤：
步骤一、调整发射线圈和接收线完全对齐，在发射线圈的下部中心与接收线圈的上部中心同向安装双地磁-加速度传感器阵列；
步骤二、对发射线圈和接收线圈的地磁-加速度传感器阵列分别进行误差参数标定，得到各误差系数；
步骤三、两个DSP控制器分别采集发射线圈与接收线圈各自的地磁-加速度传感器阵列的地磁分量、加速度分量以及各误差系数，并在DSP控制器中完成倾角补偿和误差校正，将三维多自由度线圈的地磁分量补偿和校正至水平面中，最终得到发射线圈与接收线圈在水平面中的地磁分量；
步骤四、发射线圈的水平地磁分量信息通过无线通讯模块发送到接收线圈的DSP控制器中，与接收线圈的水平地磁分量一起，转化为向量，通过向量的点乘与叉乘解算出两线圈之间的偏移角度值，完成三维多自由度的线圈精确角度定位；
步骤五、角度定位结果通过通讯模块发送至上位机实时显示。
进一步地，所述步骤三中，在误差校正前需要进行误差参数的标定，误差包括制造误差以及磁干扰误差。
进一步地，所述制造误差包括正交误差：磁传感器的三轴与线圈坐标轴X0,Y0,Z0未能保持平行，X1,Y1,Z1表示实际测量值，在Z1与Z0重合，X1轴与X0轴有一夹角σ，
Figure BDA0002704753980000021
为Y1在X0OY0面的投影与Y0的夹角，ρ为Y1与X0OY0面的夹角；
灵敏度误差：由地磁传感器各轴的灵敏度及各通道的放大倍数不一致而引起。设X2,Y2,Z2表示受到灵敏度误差影响的地磁传感器输出。kx,ky,kz表示各轴的比例系数；
零位误差：由传感器的零点漂移导致，定义x0,y0,z0为零偏。
进一步地，所述制造误差为
Figure BDA0002704753980000031
其中[X0,Y0,Z0]T为没有制造误差时候传感器的测量值，[X,Y,Z]T为存在制造误差时候的测量值；
Figure BDA0002704753980000032
进一步地，所述磁干扰误差通过软磁系数Csoft和硬磁干扰Hhard表示
Ho＝(I+Csoft)He+Hhard
Ho为存在磁干扰误差时测量的磁场矢量在水平面的投影。He为没有磁干扰误差的真实值，I为单位矩阵；
磁干扰误差校正公式为
He＝Cxy -1Ho-Hhardxy
Cxy -1为软磁干扰补偿系数，Hhardxy为硬磁干扰矢量。
进一步地，所述步骤三中，在倾角补偿和误差校正后，分别得到发射线圈与接收线圈的水平地磁分量，引入向量运算定理解算得到两线圈之间带方向的角度偏移值。
进一步地，所述三维多自由度由俯仰角和横滚角组成，俯仰角与横滚角各自在-60°～60°范围内均精确识别线圈角度偏移量。
本发明的有益效果：
1、本发明具备倾角补偿功能，可以应对实际工况中两线圈不平行，存在三维多自由度的情况，更加符合实际需求；
2、本发明完成倾角补偿和各类误差校正后，分别得到发射线圈与接收线圈的水平地磁分量，引入向量运算定理解算得到两线圈之间带方向的角度偏移值。在三维多自由度工况下，俯仰角与横滚角各自-60°～60°范围内，旋转角度在±180°全范围内均可完成精确线圈角度定位，误差小于1°；
3、本发明所需硬件数量少，体积小，***结构简单，通用性强，不受制于线圈形状和间距，***由模拟电路和数字处理器共同构成，结合了模拟电路的快速性和数字运算的灵活性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明的***结构图；
图2是本发明的流程图；
图3是本发明的地磁分量坐标变换原理图；
图4是本发明的角度定位误差结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，如图1所示，发射线圈的下部中心安装地磁-加速度传感器阵列1，接收线圈的上部中心安装地磁-加速度传感器阵列2，在两线圈完全对齐时两电子罗盘同向放置。之后进行线圈角度定位，包括以下步骤：
(1)首先对两个地磁-加速度传感器阵列进行误差参数的标定，分为制造误差和磁干扰误差，因此需要确定误差校正参数为误差校正奠定基础。制造误差包含：
1)正交误差
理想情况下地磁感器的敏感轴若不能两两正交将产生正交误差，即磁传感器的三轴与线圈坐标轴X0,Y0,Z0未能保持平行，X1,Y1,Z1表示实际测量值。假设Z1与Z0重合，X1轴与X0轴有一夹角σ，
Figure BDA0002704753980000052
为Y1在X0OY0面的投影与Y0的夹角，ρ为Y1与X0OY0面的夹角。
2)灵敏度误差
由地磁传感器各轴的灵敏度及各通道的放大倍数不一致而引起。设X2,Y2,Z2表示受到灵敏度误差影响的地磁传感器输出。kx,ky,kz表示各轴的比例系数。
3)零位误差
由传感器的零点漂移导致，定义x0,y0,z0为零偏。
综上，总体制造误差为
Figure BDA0002704753980000051
其中[X0,Y0,Z0]T为没有制造误差时候传感器的测量值，[X,Y,Z]T为存在制造误差时候的测量值。
所以制造误差校正公式为
Figure BDA0002704753980000061
磁干扰误差，本发明通过软磁系数Csoft和硬磁干扰Hhard表示
Ho＝(I+Csoft)He+Hhard (3)
Ho为存在磁干扰误差时测量的磁场矢量在水平面的投影。He为没有磁干扰误差的真实值，I为单位矩阵。
所以磁干扰误差校正公式为
He＝Cxy -1Ho-Hhardxy (4)
Cxy -1为软磁干扰补偿系数，Hhardxy为硬磁干扰矢量。
综上，两个阵列需要标定的误差参数有σ，
Figure BDA0002704753980000062
ρ，kx，ky，kz，x0，y0，z0，Cxy -1和Hhardxy。
本发明通过椭球和椭圆拟合发进行上述参数求解，由于这两个算法已是公认的，本发明不再赘述。
(2)制造误差校正。参见图2，DSP控制器1采集阵列1中的磁场信号(Hx1,Hy1,Hz1)、加速度分量(Gx1,Gy1,Gz1)和阵列1的制造误差误差标定参数，同理DSP控制器2采集阵列2中的磁场信号(Hx2,Hy2,Hz2)、加速度分量(Gx2,Gy2,Gz2)和阵列2的制造误差标定参数。通过公式(2)得到制造误差校正后的测试值(HX1,HY1,HZ1)、(HX2,HY2,HZ2)、(GX1,GY1,GZ1)和(GX2,GY2,GZ2)。
(3)倾角补偿。进一步进行线圈三维多自由度的倾角补偿，多自由度通过俯仰角θ和横滚角φ表示，公式为
Figure BDA0002704753980000071
倾角补偿公式为
Figure BDA0002704753980000072
将(HX1,HY1,HZ1)和(HX2,HY2,HZ2)带入公式(6)得到两个线圈倾角补偿后的地磁分量(Hxg1,Hyg1,Hzg1)和(Hxg2,Hyg2,Hzg2)。
(4)磁干扰误差校正。在水平面内将(Hxg1,Hyg1)和(Hxg2,Hyg2)分别带入式(4)中的H0,得到磁干扰校正后的地磁分量(HXg1,HYg1)和(HXg2,HYg2)。至此完成全部地磁分量的倾角补偿和误差校正。
(5)角度偏移解算。DSP控制器1通过无线通讯模块将(HXg1,HYg1)发送至DSP控制器2中共同处理。将(Hxg1,Hyg1)和(Hxg2,Hyg2)转换到二维平面坐标系内，所有的组合均在此二维平面内，参见图3。(Hxg1,Hyg1)和(Hxg2,Hyg2)备份构成向量
Figure BDA0002704753980000073
和
Figure BDA0002704753980000074
这两个向量之间的角度即为两线圈之间的偏移角度ψ。
1)用向量的点乘计算夹角数值大小|ψ|
Figure BDA0002704753980000075
2)采用向量的叉乘来判断两个向量之间角度的旋转方向，对于向量
Figure BDA0002704753980000076
和
Figure BDA0002704753980000077
Figure BDA0002704753980000078
则
Figure BDA0002704753980000079
在
Figure BDA00027047539800000710
的逆时针方向；
Figure BDA00027047539800000711
则
Figure BDA00027047539800000712
在
Figure BDA00027047539800000713
的顺时针方向；
Figure BDA00027047539800000714
则
Figure BDA00027047539800000715
和
Figure BDA00027047539800000716
共线。
将
Figure BDA00027047539800000717
带入上式可得两线圈角度偏移的方向。
综上，结合步骤1)和2)得到最终带方向的线圈偏移角度。
(6)最终，在±180°全范围内每隔5°进行一次角度偏移测试，误差结果参见图4，每个旋转位置的最大误差不超过1°。同时线圈的三维多自由度角度定位结果可以通过通讯模块发送到上位机中实时显示。
至此，完成电动汽车无线充电***中收发线圈的三维多自由度角度精确定位，最大误差小于1°。本方法具备倾角补偿功能，可以应对实际工况中两线圈不平行，存在三维多自由度的情况。通过坐标系变换引入向量运算定理解算得到两线圈之间带方向的角度偏移值。在三维多自由度工况下，俯仰角与横滚角各自[-60°,60°]范围内，旋转角度在±180°全范围内均可完成精确线圈角度定位，误差小于1°。所需硬件数量少，体积小，***结构简单，通用性强，不受制于线圈形状和间距，***由模拟电路和数字处理器共同构成，结合了模拟电路的快速性和数字运算的灵活性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、调整发射线圈和接收线完全对齐，在发射线圈的下部中心与接收线圈的上部中心同向安装双地磁-加速度传感器阵列；
步骤二、对发射线圈和接收线圈的地磁-加速度传感器阵列分别进行误差参数标定，得到各误差系数；
步骤三、两个DSP控制器分别采集发射线圈与接收线圈各自的地磁-加速度传感器阵列的地磁分量、加速度分量以及各误差系数，并在DSP控制器中完成倾角补偿和误差校正，将三维多自由度线圈的地磁分量补偿和校正至水平面中，最终得到发射线圈与接收线圈在水平面中的地磁分量；
步骤四、发射线圈的水平地磁分量信息通过无线通讯模块发送到接收线圈的DSP控制器中，与接收线圈的水平地磁分量一起，转化为向量，通过向量的点乘与叉乘解算出两线圈之间的偏移角度值，完成三维多自由度的线圈精确角度定位；
步骤五、角度定位结果通过通讯模块发送至上位机实时显示。
2.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述步骤三中，在误差校正前需要进行误差参数的标定，误差包括制造误差以及磁干扰误差。
3.根据权利要求2所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述制造误差包括正交误差：磁传感器的三轴与线圈坐标轴X0,Y0,Z0未能保持平行，X1,Y1,Z1表示实际测量值，在Z1与Z0重合，X1轴与X0轴有一夹角σ，θ为Y1在X0OY0面的投影与Y0的夹角，ρ为Y1与X0OY0面的夹角；
灵敏度误差：由地磁传感器各轴的灵敏度及各通道的放大倍数不一致而引起。设X2,Y2,Z2表示受到灵敏度误差影响的地磁传感器输出。kx,ky,kz表示各轴的比例系数；
零位误差：由传感器的零点漂移导致，定义x0,y0,z0为零偏。
4.根据权利要求3所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述制造误差为
Figure FDA0002704753970000021
其中[X0,Y0,Z0]T为没有制造误差时候传感器的测量值，[X,Y,Z]T为存在制造误差时候的测量值；
Figure FDA0002704753970000022
5.根据权利要求2所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述磁干扰误差通过软磁系数Csoft和硬磁干扰Hhard表示
Ho＝(I+Csoft)He+Hhard
Ho为存在磁干扰误差时测量的磁场矢量在水平面的投影。He为没有磁干扰误差的真实值，I为单位矩阵；
磁干扰误差校正公式为
He＝Cxy -1Ho-Hhardxy
Cxy -1为软磁干扰补偿系数，Hhardxy为硬磁干扰矢量。
6.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述步骤三中，在倾角补偿和误差校正后，分别得到发射线圈与接收线圈的水平地磁分量，引入向量运算定理解算得到两线圈之间带方向的角度偏移值。
7.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈三维多自由度精确角度定位方法，其特征在于，所述三维多自由度由俯仰角和横滚角组成，俯仰角与横滚角各自在-60°～60°范围内均精确识别线圈角度偏移量。
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