電動(dòng)汽車充電口的超聲位姿測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉民，杜巖平，張曉勇，王曉安

(1.北京華商三優(yōu)新能源科技有限公司，北京 101106; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

近年來，電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)減少資源消耗，提高環(huán)境質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。截止到2017年底，中國電動(dòng)汽車保有量已占全球電動(dòng)乘用車保有量的40%[2]。然而目前的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)需要人工拔插充電槍，針對(duì)未來大功率直流快充，該充電方式存在諸如勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、惡劣環(huán)境時(shí)不便于室外操作以及供電線路可能出現(xiàn)漏電而帶來安全隱患等弊端[3]，尤其隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)和低速自動(dòng)泊車技術(shù)日益成熟，迫切需要一種安全可靠的自動(dòng)充電系統(tǒng)。

電動(dòng)汽車自動(dòng)充電分為充電口定位過程和充電槍的插拔過程，其中充電口定位工作過去主要以機(jī)器視覺為主，但視覺定位裝置高成本，高延時(shí)，且圖像對(duì)于天氣環(huán)境的魯棒性差[4]，針對(duì)上述問題亟需開發(fā)一種成本低且抗干擾能力強(qiáng)的定位系統(tǒng)。

超聲測(cè)距技術(shù)因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉以及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)而常被應(yīng)用于定位系統(tǒng)中。Cricket定位系統(tǒng)[5-6]和Active Bat定位系統(tǒng)[7-8]為目前主流超聲定位系統(tǒng)。前者基于TDOA算法，通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)結(jié)合被測(cè)物體接收器實(shí)現(xiàn)三維定位，精度可達(dá)到厘米級(jí)。后者基于TOF算法，通過超聲波發(fā)射裝置和固定在天花板上的接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射裝置三維坐標(biāo)的定位。而D等人融合了Cricket系統(tǒng)和Active Bat系統(tǒng)，將一個(gè)超聲發(fā)射器布置在天花板上，將四個(gè)超聲接收器安裝在地板上，通過多個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)的組合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了地板上被測(cè)物體的位姿測(cè)量[9]，但該系統(tǒng)位置計(jì)算方法復(fù)雜，且只適用于固定高度的環(huán)境中。

基于傳統(tǒng)超聲定位系統(tǒng)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型超聲位姿測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車充電口位姿的高精度測(cè)量，并具有較高的穩(wěn)定性。

1 充電口位姿測(cè)量原理

常見的超聲傳感器布置形式有反射式和對(duì)射式。對(duì)射式測(cè)距原理根據(jù)發(fā)出超聲波與收到超聲波的時(shí)間差來計(jì)算距離[10]。設(shè)L是被測(cè)距離，t為發(fā)射與接收超聲波之間的時(shí)間差，v為超聲波在空氣中的傳播速度，則被測(cè)物體的距離為：

L=v×t

(1)

圖1 超聲傳感器對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)系

充電口三維坐標(biāo)求解算法：由超聲測(cè)距模塊可以測(cè)出Ti(i=1,2,3)分別到R1、R2、R3的距離為di1、di2、di3，建立以下方程組來求的三維坐標(biāo)：

(2)

求解方程組(2)可得到Ti的三維坐標(biāo)，由此可得充電口中心的三維坐標(biāo)為：

(3)

(4)

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)可求出α、β、γ的值為：

(6)

至此，充電口的三維坐標(biāo)和姿態(tài)角均已求出，即實(shí)現(xiàn)了位姿測(cè)量。

2 超聲位姿測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由三部分組成：發(fā)射端、接收端和上位機(jī)，圖2為硬件組成框圖。

圖2 超聲位姿測(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2.1.1 超聲測(cè)距發(fā)射模塊

發(fā)射模塊功能分別為：調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制信號(hào)的放大、同時(shí)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)射以及紅外信號(hào)的發(fā)射，發(fā)射功能原理圖如圖3所示。調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，需要單片機(jī)產(chǎn)生占空比為50%，頻率為40 kHz的8個(gè)脈沖方波來啟動(dòng)超聲波信號(hào)和紅外信號(hào)的發(fā)射，要求單片機(jī)具有高精度時(shí)鐘來滿足高質(zhì)量調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，STC15F104W單片機(jī)內(nèi)部集成了可靠的復(fù)位電路以及高精度R/C時(shí)鐘，具有性價(jià)比高的特點(diǎn)，可以用于發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)；由于超聲波的作用距離與調(diào)制脈沖峰值正相關(guān)，所以應(yīng)放大調(diào)制信號(hào)以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距；要求放大電路穩(wěn)定可靠，并且具有較小的體積來滿足測(cè)距模塊的輕量化要求，MC34063集成電路具有可靠性高、體積小巧等優(yōu)點(diǎn)，適用于調(diào)制信號(hào)的放大；基于超聲波信號(hào)發(fā)射需求，發(fā)射器應(yīng)具有發(fā)射的超聲波范圍廣、作用距離適中、體積小成本低等特點(diǎn)，綜合這些因素，選用NU40C16T/R型超聲波發(fā)射器，其體積小質(zhì)量輕、靈敏度高、聲壓高、耐久性好并且性價(jià)比高，可以滿足設(shè)計(jì)要求；紅外信號(hào)發(fā)射階段，需要發(fā)射器具有靈敏度高、低功耗以及高精度等特點(diǎn)，而5 mm紅外發(fā)射二極管發(fā)射時(shí)穩(wěn)定均勻、發(fā)射距離遠(yuǎn)且功耗很低，因此選用該紅外發(fā)射器。

2.1.2 超聲測(cè)距接收模塊

接收模塊功能分為：超聲信號(hào)接收、紅外光信號(hào)接收以及信號(hào)處理功能，其原理如圖4所示。超聲信號(hào)接收：由于超聲信號(hào)的傳輸距離與強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，而超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后具有幅值較低的特點(diǎn)，為保證系統(tǒng)測(cè)量精度需要對(duì)接收到的超聲信號(hào)所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等。CX20106A集成電路是一種超聲波檢測(cè)與接收的專用電路，集信號(hào)放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路于一體，并且該電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、體積小巧且價(jià)格低廉，故選用該集成電路來接收超聲波信號(hào)。紅外信號(hào)接收階段，紅外接收器應(yīng)在環(huán)境光條件下具有較強(qiáng)的魯棒性，并且低功耗特點(diǎn)，HS0038B是一種一體化紅外接收器，其光電檢測(cè)和前置放大器集成在同一封裝上、抗干擾能力強(qiáng)、抗電場(chǎng)干擾能力強(qiáng)且功耗很低，所以選用該款紅外接收器進(jìn)行紅外信號(hào)的接收。信號(hào)處理階段，要求單片機(jī)處理速度快，時(shí)鐘精度高，所以選用和發(fā)射模塊相同的STC15F104W單片機(jī)。

圖3 超聲測(cè)距發(fā)射模塊電路原理框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是超聲測(cè)距模塊的控制程序設(shè)計(jì)和位姿測(cè)量主程序的設(shè)計(jì)，并通過相應(yīng)的串口通信實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，然后通過上位機(jī)顯示軟件將最終的位姿測(cè)量結(jié)果顯示出來。

發(fā)射模塊的功能為頻率為40 kHz的連續(xù)脈沖信號(hào)，單次發(fā)射數(shù)量為8個(gè)，脈沖信號(hào)間時(shí)間間隔為20 ms，占空比為50%。程序流程為對(duì)發(fā)射器及系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)定方波計(jì)數(shù)標(biāo)志i=0.20 ms后進(jìn)入定時(shí)器0的中斷，首先重裝定時(shí)器0的初值以保證方波頻率為40 kHz，然后對(duì)電平進(jìn)行取反操作；定時(shí)器0每中斷一次方波計(jì)數(shù)標(biāo)志加1，當(dāng)方波計(jì)數(shù)標(biāo)志大于16，方波傳輸完成。循環(huán)上述流程，以實(shí)現(xiàn)超聲持續(xù)發(fā)射。上述流程如圖5所示。

圖5 發(fā)射模塊程序流程

接收模塊的功能為將超聲波傳播時(shí)間映射為芯片輸出的高電平持續(xù)時(shí)間。具體流程為對(duì)接收器及系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)進(jìn)入紅外光信號(hào)接收準(zhǔn)備狀態(tài)。由于光速與聲速的量級(jí)差，系統(tǒng)假定接收到紅外光信號(hào)時(shí)，判定為超聲信號(hào)發(fā)射，此時(shí)芯片引腳的輸出電平由低電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高電平狀態(tài)，進(jìn)入超聲信號(hào)接收準(zhǔn)備狀態(tài)。接收到超聲信號(hào)后，芯片引腳輸出由高電平狀態(tài)轉(zhuǎn)換為低電平狀態(tài)，至此單次測(cè)量結(jié)束。上述過程將在系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)。上述流程如圖6所示。

圖6 接收模塊程序流程

3 超聲位姿測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)

基于電動(dòng)汽車自動(dòng)充電的需求，系統(tǒng)預(yù)期性能指標(biāo)為：三維坐標(biāo)誤差±2 mm；姿態(tài)角測(cè)量誤差±3°。為探究本系統(tǒng)是否能達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，首先對(duì)傳感器分布進(jìn)行優(yōu)化，然后進(jìn)行測(cè)距模塊性能實(shí)驗(yàn)以確定測(cè)距精度，最終進(jìn)行了位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為溫度25 ℃，濕度65%RH；平面距離測(cè)量工具為直尺和網(wǎng)格紙，最小刻度均為1 mm；高度測(cè)量工具為高度游標(biāo)卡尺，測(cè)量精度為0.02 mm；角度測(cè)量工具為數(shù)顯角度尺，測(cè)量精度為3′。

3.1 傳感器布置形式優(yōu)化

圖7 不同接收模塊布置間距時(shí)的測(cè)量坐標(biāo)逆解數(shù)據(jù)

圖8是不同布置間距d下的最大三維坐標(biāo)誤差，可以看出當(dāng)間距為250 mm時(shí)，最終造成的三維坐標(biāo)誤差最大為2.361 0 mm，隨著間距的增大，誤差明顯減小，當(dāng)間距達(dá)到750 mm時(shí)，最大誤差為0.844 4 mm，在可以接受范圍內(nèi)，并且此后再增大間距對(duì)誤差的減小效果不再明顯。此外，考慮到超聲換能器的波束角，太大的布置間距會(huì)影響超聲波的傳輸，綜合考慮并經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，選取布置間距d=700 mm。

圖8 不同布置間距下的最大三位坐標(biāo)誤差

3.2 位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)

按照上述位姿測(cè)量原理和接收模塊布置間距，搭建位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

位姿測(cè)量實(shí)驗(yàn)分為充電口中心三維坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)和充電口平面角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)?？紤]到電動(dòng)汽車的自動(dòng)泊車精度，確定充電口三維坐標(biāo)變化范圍為：沿接收端坐標(biāo)系Z軸500～1 200 mm，沿X軸150～550 mm，沿Y軸400～600 mm。確定充電口的角度變化范圍為：α、β、γ∈[-15°，+15°]。

三維坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程如圖10所示，首先將充電口調(diào)節(jié)至與接收端坐標(biāo)系的XY平面平行，然后以10 mm為單位確定坐標(biāo)范圍，并在其范圍內(nèi)隨機(jī)組合100個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)這100個(gè)點(diǎn)進(jìn)行三維坐標(biāo)測(cè)量，最終按上述流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)下的坐標(biāo)偏差如圖11所示，可以看出，X、Y、Z三坐標(biāo)的位置偏差均維持在±1.5 mm范圍之內(nèi)，可以滿足應(yīng)用要求。

圖10 充電口中心三維坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程圖

圖11 充電口中心三維坐標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差示意圖

充電口平面角度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)流程如圖12所示，首先將充電口中心固定于(700 mm,350 mm,500 mm)處，然后以1°為單位，在確定的角度范圍內(nèi)隨機(jī)組合出100個(gè)測(cè)量點(diǎn)，對(duì)這100個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行充電口平面角度測(cè)量，進(jìn)而按上述流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得到每個(gè)測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)角度，最終可計(jì)算出角度偏差如圖13所示，可以看出，三個(gè)角的角度誤差能夠穩(wěn)定在±2.4°范圍內(nèi)，可滿足應(yīng)用要求。

圖12 充電口平面角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)流程圖

圖13 充電口平面角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差示意圖

4 結(jié)束語

本文提出了一種采用多點(diǎn)位融合的超聲重構(gòu)測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間物體高精度位姿測(cè)量的方法，該方法采用特定的“三發(fā)三收”傳感器布置形式，使用自主研制的高精度超聲測(cè)距收發(fā)模塊，利用STM32等控制芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車充電口的位姿測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)X、Y和Z方向的測(cè)量精度為±1.5mm，Rx、Ry和Rz方向的測(cè)量精度為±2.4°，并可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聲速測(cè)量，同時(shí)解決了不同環(huán)境下聲速發(fā)生變化對(duì)定位帶來的測(cè)量誤差的問題，提高了自動(dòng)充電系統(tǒng)充電口定位的穩(wěn)定性和測(cè)量系統(tǒng)的魯棒性，能夠滿足電動(dòng)汽車充電口位姿測(cè)量的工程需求。