自動(dòng)充電機(jī)器人在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

摘 要：在當(dāng)今世界清潔能源和可持續(xù)發(fā)展的大背景下，新能源汽車被廣泛視為取代傳統(tǒng)燃料汽車的重要項(xiàng)目。隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，充電站的設(shè)備缺乏和充電效率低下等問(wèn)題正逐漸成為阻礙該行業(yè)發(fā)展的瓶頸。隨著人工智能、深度學(xué)習(xí)、傳感器技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展，為新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人不僅能提升了充電的便捷性、效率和安全性，同時(shí)也能推動(dòng)了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，因此新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 自動(dòng)充電機(jī)器人 應(yīng)用與發(fā)展 充電效率

0 引言

隨著全球加深對(duì)于降低碳排放的共識(shí)，新能源汽車成為替代傳統(tǒng)燃油車的重要選擇。新能源汽車的普及率的速度快速增長(zhǎng)，一方面是得益于電池技術(shù)的進(jìn)步和成本的下降，另一方面還與全球各國(guó)政府對(duì)綠色交通政策的支持密不可分。但是在自動(dòng)充電技術(shù)方面存在一些短板。充電過(guò)程的自動(dòng)化不僅能夠提高用戶體驗(yàn)，減少充電等待時(shí)間。自動(dòng)充電機(jī)器人作為智能充電裝備的代表，這類機(jī)器人通過(guò)高度自動(dòng)化和智能化的方式實(shí)簡(jiǎn)化了充電操作流程。不僅如此，自動(dòng)充電機(jī)器人的應(yīng)用還能夠減輕因手動(dòng)插拔充電槍而導(dǎo)致的安全隱患，從而提升充電過(guò)程的安全性和便捷性。

1 發(fā)展新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人的意義

1.1 自動(dòng)充電機(jī)器人提升了充電的便捷性

傳統(tǒng)充電方式需要車主親自尋找充電樁，進(jìn)行插拔等操作，這樣一來(lái)不僅耗時(shí)耗力，還可能因?yàn)椴僮鞫鴮?dǎo)致充電失敗或安全問(wèn)題。自動(dòng)充電機(jī)器人無(wú)需車主參與就能通過(guò)識(shí)別和定位等技術(shù)，自動(dòng)尋找充電口并對(duì)接，完成充電過(guò)程[1]。

1.2 自動(dòng)充電機(jī)器人提高充電的效率

自動(dòng)充電機(jī)器人還可以通過(guò)智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)充電資源的合理分配，避免了充電樁的閑置和浪費(fèi)。還能夠在多臺(tái)汽車之間快速切換，因此充電效率大大提高，減少了車主的等待時(shí)間。

1.3 自動(dòng)充電機(jī)器人提升了充電過(guò)程的安全性

自動(dòng)充電機(jī)器人具備精確的識(shí)別和定位能力，可以確保充電接口的準(zhǔn)確對(duì)接，避免了車主操作不當(dāng)導(dǎo)致的安全問(wèn)題。同時(shí)，機(jī)器人還具備自動(dòng)斷電、過(guò)載保護(hù)等安全功能，確保充電過(guò)程的安全可靠。

1.4 推動(dòng)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展

隨著新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，自動(dòng)充電機(jī)器人一方面可以提高新能源汽車充電的效率，另一方面還能解決充電設(shè)施的不足和分布不均的問(wèn)題，從而促進(jìn)新能源汽車的普及和發(fā)展。

2 新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 充電口的空間位置定位系統(tǒng)

用于幫助自動(dòng)駕駛汽車或機(jī)器人等設(shè)備準(zhǔn)確地將充電插頭對(duì)準(zhǔn)充電口以完成充電過(guò)程。這種系統(tǒng)通常結(jié)合了多種傳感器和算法，以實(shí)現(xiàn)精確的定位和對(duì)準(zhǔn)。常見(jiàn)的技術(shù)包括激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器、慣性測(cè)量單元（IMU）等，通過(guò)這些傳感器獲取車輛或機(jī)器人與充電口之間的相對(duì)位置和姿態(tài)信息，并利用算法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和調(diào)整，確保插頭正確對(duì)準(zhǔn)充電口，從而實(shí)現(xiàn)可靠的充電連接。

首先是雙目視覺(jué)系統(tǒng)，即利用兩部相機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。對(duì)物體上一個(gè)特征點(diǎn)，用兩部固定于不同位置的相機(jī)攝得物體的像，分別獲得該點(diǎn)在兩部相機(jī)像平面上的坐標(biāo)。只要知道兩部相機(jī)精確的相對(duì)位置，就可用幾何的方法得到該特征點(diǎn)在固定一部相機(jī)的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，即確定了特征點(diǎn)的位置。其次是單目視覺(jué)系統(tǒng)，首先利用單目對(duì)物體進(jìn)行拍照，再通過(guò)前期的標(biāo)定對(duì)比即可實(shí)現(xiàn)空間的定位。相比雙目，單目硬件成本低但算法較為復(fù)雜。最后是充電口激光掃描方法，該方法是基于激光測(cè)距原理，通過(guò)機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)激光測(cè)距模塊沿直線掃描，測(cè)量直線上存在高度差的臨界點(diǎn)[6]，獲取充電口上兩個(gè)臨界點(diǎn)之間的弦長(zhǎng)K；判斷弦長(zhǎng)K是否滿足W＜K＜S，根據(jù)弦長(zhǎng)K和充電口的中心的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到充電口的位置信息，如圖1所示。

2.2 機(jī)械臂模塊

新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人的機(jī)械臂模塊是指該機(jī)器人中負(fù)責(zé)操控充電插頭的部件。這個(gè)模塊通常由多個(gè)關(guān)節(jié)組成的機(jī)械臂構(gòu)成，能夠在空間中自由運(yùn)動(dòng)和調(diào)整姿態(tài)，以完成充電插頭的對(duì)準(zhǔn)和插拔操作。

由于工業(yè)機(jī)械臂不具備碰撞保護(hù)，因此不適合運(yùn)用在自動(dòng)充電中，那么其他機(jī)械臂的特點(diǎn)是什么呢：首先是笛卡爾坐標(biāo)機(jī)械臂，其特點(diǎn)是外形尺寸較大，在實(shí)際運(yùn)用中布置較少；SCARA關(guān)節(jié)機(jī)械臂的特點(diǎn)是效率較高，但是負(fù)載也小，在自動(dòng)充電中一般適合交流慢充；協(xié)作臂適合0到50℃環(huán)境下使用，負(fù)載不超過(guò)15公斤，成本上面也是較高的；蛇形臂的IP等級(jí)較高，可以在-40℃到60℃進(jìn)行工作，造價(jià)低，適用范圍廣。

機(jī)械臂模塊是新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人中至關(guān)重要的部件之一，其性能和功能直接影響著充電機(jī)器人的操作效率和充電過(guò)程的安全性。

2.3 蛇形機(jī)械臂

關(guān)節(jié)臂一般由關(guān)節(jié)電機(jī)和伺服減速器或諧波減速器構(gòu)成，但是絕大多數(shù)減速器被國(guó)外企業(yè)壟斷，受此影響，關(guān)節(jié)臂的成本相對(duì)較高。蛇形臂則不同于關(guān)節(jié)臂，它是由繩索來(lái)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)均由繩索實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)周邊的多根繩索進(jìn)行斜角控制即可控制機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡[2]。

3 新能源汽車自動(dòng)充電機(jī)器人應(yīng)用

自動(dòng)充電機(jī)器人大體上可分為五大類：固定式交流慢充機(jī)器人、固定式直流快充機(jī)器人、移動(dòng)式自動(dòng)充電機(jī)器人、抓搶式自動(dòng)充電機(jī)器人、蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人。

3.1 固定式交流慢充機(jī)器人

自動(dòng)充電機(jī)器人固定在車位上的某一指定位置，一般占用車位空間不超過(guò)0.5m×0.3m（L×W），一般適合私家車配合AVP自主代客泊車場(chǎng)景使用。

3.2 固定式直流快充機(jī)器人

自動(dòng)充電機(jī)器人固定在車位上的某一指定位置，一般占用車位空間不超過(guò)0.5m×0.4m（L×W），一般適合公共停車場(chǎng)配合AVP自主代客泊車場(chǎng)景使用，也適合出租車、網(wǎng)約車等規(guī)模車隊(duì)和港口、礦山、物流車等場(chǎng)景使用[4]。

3.3 移動(dòng)式自動(dòng)充電機(jī)器人

自動(dòng)充電機(jī)器人停在公共停車場(chǎng)的某一指定位置，當(dāng)有車輛需要充電時(shí)，車主可以通過(guò)手機(jī)APP通過(guò)云端調(diào)度系統(tǒng)召喚自動(dòng)充電機(jī)器人。機(jī)器人將根據(jù)車輛停放的目標(biāo)定位位置，自動(dòng)移動(dòng)到目標(biāo)車位。適合公共停車場(chǎng)配合AVP使用[3]。移動(dòng)式自動(dòng)充電機(jī)器人能夠自主移動(dòng)并為電動(dòng)車提供充電服務(wù)的智能設(shè)備。它們被設(shè)計(jì)成小型車輛或者機(jī)器人的形態(tài)，具備自主導(dǎo)航、充電槍操作、電動(dòng)車識(shí)別等功能。機(jī)器人通常配備有激光雷達(dá)、攝像頭、超聲波傳感器等導(dǎo)航設(shè)備，可以在預(yù)設(shè)的區(qū)域內(nèi)自主移動(dòng)，找到需要充電的電動(dòng)車。移動(dòng)式自動(dòng)充電機(jī)器人的出現(xiàn)，提高電動(dòng)車充電的效率，降低人工成本，并改善用戶體驗(yàn)。它們?yōu)殡妱?dòng)車的普及和使用提供了更便捷、更可靠的充電解決方案。

3.4 抓槍式自動(dòng)充電機(jī)器人

一個(gè)車位部署一套自動(dòng)充電機(jī)器人，對(duì)于公共停車場(chǎng)來(lái)說(shuō)，投資成本較高。為此采用一套自動(dòng)充電機(jī)器人負(fù)責(zé)多輛車充電的解決方案，分?jǐn)偟絾诬囄坏某杀揪蜁?huì)大幅降低。這種機(jī)器人通常設(shè)計(jì)為移動(dòng)式或固定式，能夠在充電需求出現(xiàn)時(shí)自主地前往車輛位置，并執(zhí)行充電任務(wù)。機(jī)器人通過(guò)激光、攝像頭或其他傳感器技術(shù)，能夠自動(dòng)定位到電動(dòng)車的停放位置。一旦機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)位置，它會(huì)使用視覺(jué)或其他感知技術(shù)來(lái)識(shí)別電動(dòng)車的充電接口位置和類型。機(jī)器人配備有機(jī)械臂或其他夾持裝置，可以準(zhǔn)確地抓取充電槍，并將其對(duì)準(zhǔn)電動(dòng)車的充電接口。機(jī)器人會(huì)精確地將充電槍插入電動(dòng)車的充電接口中，開(kāi)始充電過(guò)程。充電完成后，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)將充電槍取出。在充電過(guò)程中，機(jī)器人會(huì)監(jiān)測(cè)電池溫度、充電電流等參數(shù)，確保充電過(guò)程安全可靠。電動(dòng)車抓槍式自動(dòng)充電機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于提高了充電效率，降低了人工成本，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，并且有助于減少電動(dòng)車充電過(guò)程中的人為操作錯(cuò)誤。這種技術(shù)有望為電動(dòng)交通領(lǐng)域的發(fā)展和普及提供重要支持。

3.5 蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人

蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人是一種特殊設(shè)計(jì)的充電機(jī)器人，其外形或運(yùn)動(dòng)方式類似于蛇形。蛇形機(jī)器人通常采用分段式設(shè)計(jì)，每個(gè)段落之間通過(guò)關(guān)節(jié)連接，使得整個(gè)機(jī)器人能夠像蛇一樣靈活地彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而適應(yīng)不同形狀和空間的車輛。蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人既可以采取固定在車位，也可以采取移動(dòng)方式。蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人具有IP65三防等級(jí)，可以在-40℃至65℃環(huán)境下穩(wěn)定工作[5]，負(fù)載大（超過(guò)30kg），壽命長(zhǎng)（10年使用壽命）、成本低等優(yōu)點(diǎn)，特別適合無(wú)人化自動(dòng)充電的場(chǎng)景。蛇形自動(dòng)充電機(jī)器人是一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，能夠有效解決傳統(tǒng)充電設(shè)備無(wú)法適應(yīng)各種車輛形狀和空間的問(wèn)題，提高充電過(guò)程的自動(dòng)化程度和效率。

4 促進(jìn)自動(dòng)充電機(jī)器人在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的措施和建議

4.1 加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新

自動(dòng)充電機(jī)器人的發(fā)展離不開(kāi)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。加大對(duì)自動(dòng)充電機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)投入，特別是在高精度識(shí)別、柔順控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。鼓勵(lì)高校、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)形成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，共享研發(fā)資源，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新成果的快速轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。

4.2 優(yōu)化充電設(shè)施布局與建設(shè)

自動(dòng)充電機(jī)器人的普及需要與之配套的充電設(shè)施作為基礎(chǔ)。建議加大對(duì)充電設(shè)施建設(shè)的投入，特別是在城市核心區(qū)域、交通樞紐等地方增加充電站點(diǎn)。優(yōu)化充電設(shè)施的布局和配置，提高充電效率，降低用戶等待時(shí)間。

4.3 加強(qiáng)市場(chǎng)推廣與示范應(yīng)用

自動(dòng)充電機(jī)器人作為新興技術(shù)，需要通過(guò)市場(chǎng)推廣和示范應(yīng)用來(lái)提高公眾的認(rèn)知度和接受度。建議選取一些重點(diǎn)城市或區(qū)域，開(kāi)展自動(dòng)充電機(jī)器人的示范應(yīng)用項(xiàng)目，展示其在實(shí)際運(yùn)行中的優(yōu)勢(shì)。鼓勵(lì)企業(yè)加強(qiáng)產(chǎn)品宣傳，通過(guò)媒體、展覽、論壇等多種渠道，提高自動(dòng)充電機(jī)器人的知名度和影響力。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，自動(dòng)充電機(jī)器人隨著技術(shù)的不斷發(fā)展還是有廣闊的應(yīng)用前景的。自動(dòng)充電機(jī)器人不僅可為車主提供了更安全、便捷的充電體驗(yàn)，還能促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：廣州新華學(xué)院2023年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于Faster R-CNN的新能源汽車充電口識(shí)別的智慧充電系統(tǒng)”（202313902005）；廣州新華學(xué)院粵嵌信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)學(xué)院（項(xiàng)目編號(hào)：2023CYXY003）。

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