贾 琪 董佳琪 付袈铭

（上海电机学院，中国 上海 201306）

1 项目背景及意义

我国电动汽车行业蓬勃发展,此前上海市出台的电动汽车充电基础设施发展指南,提出到2020年新增分散式充电桩超过480万个,满足500万辆电动车的充电需求。[1]。纵观当前电动汽车的充电装置，充电桩产品以柱式充电桩为主，在使用中虽然操作简单但仍需人工操作，不能实现智能连接。本设计旨在开发一款机械臂式新型电动汽车充电装置，机械臂具有中空式的结构，能够将现有电动汽车的充电枪置入其中，使之具备充电枪与汽车充电接口的自动对接功能，实现对电动汽车安全便捷、智能高效的充电。本装置可利用视觉识别系统、RFID射频扫描技术等先进手段，对进入车库的车型进行智能识别，还可以拓展GPRS等数据通信模块，使之具备一定的信息交互能力实现与上层控制系统的数据实时传递，使装置更加符合互联网时代的要求。

1.1 充电问题

2016年1月1日起实施的由国家多部委联合修订的有关电动汽车充电接口以及通信协议等问题的5项国家标准，极大程度上解决了充电接口和电压的不统一的问题，但就目前而言，“充电难”依然是当下电动汽车发展的瓶颈。在对上海市电动汽车使用者进行走访调研后了解到，造成“充电难”现象的主要原因可以归结为以下几点：

（1）充电桩配套建设数量较少，有时需要排队充电；

（2）部分停车场规模较大，充电车位标识和指引不明显，寻找充电车位难；

（3）充电枪与电动汽车需手动对接，恶劣天气下使用存在安全隐患；

（4）充电车位被传统燃油动力车占用现象频繁发生；

（5）部分进口车型充电接口与国内充电桩不统一，公共充电桩不能使用

2 系统构成

本装置主要由核心处理模块、六自由度机械臂、超声波测距模块、状态显示模块和安全防护装置等几部分构成。

核心处理模块为本装置提供控制与计算功能。

六自由度机械臂是本装置的主要机械结构，六自由度保证了机械臂能适应复杂多变的停车位置。

超声波测距模块作为本装置的外部传感器，保障本装置运行的准确和安全。

状态显示模块由红色和绿色两颗LED灯珠组成，主要功能是反映系统的当前状态

安全防护装置设置在六自由度机械臂的末端，能够在汽车充电过程中进行有效的防水、防异物、防触电等多种保护功能。

3 运行原理

系统初始状态时机械臂保持封锁状态，对充电车位进行封锁。当系统接收到启动信号，机械臂从封锁状态转入竖直状态，解除对充电车位的封锁，超声波传感器开始进行测距工作，显示模块中的红色指示灯亮，表示系统已完成车辆进入的准备工作，车辆可以倒车入库。当车辆位置满足某一预设条件时，显示模块中的红色指示灯灭，绿色指示灯亮，表示此时车辆已经到位，系统可以对进行充电操作，同时系统开始计时。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离[2]。根据超声波模块返回的测距数据，在系统计时的过程中，如果车辆位置发生变动，系统判定为车未停好，返回状态等待车辆位置再次满足预设条件；如果车辆位置在10秒钟内未发生变动，系统判定为车已停好，控制器根据超声波传感器返回的车辆在车位中的位置以及该车型充电口在车身上的位置，得出机械臂运动的目标位置，给舵机发送驱动信号，使机械臂末端的充电枪与电动汽车充电口进行连接，此时超声波模块关闭，状态显示模块中的绿色指示灯灭。充电枪与充电口连接成功后进入充电状态，系统保持充电状态直到接收到充电完成信号。当系统接收到充电完成信号，控制器驱动舵机将机械臂由充电状态转入竖直状态，超声波模块重新开始测距工作。根据超声波模块返回的测距数据，系统判断车辆已完全驶离车位，系统计时器开始计时，计时10秒钟钟内如未有车辆进入充电车位，控制器驱动舵机将机械臂从竖直状态转入封锁状态，充电过程完成。

3.1 充电口定位

本设计的关键点在于借住六自由度机械臂将充电枪插入到电动汽车充电口中。为了使机械臂能够执行充电动作，确定充电口的空间位置的工作至关重要。为了更好地解释充电口定位的原理，我们不妨定义两个跟充电口定位有关的名词：电动汽车充电口在车身上的“固有位置”和电动汽车在当前充电车位中的“实时位置”。我们知道，任何一种电动汽车，其充电口在车身上的位置都是确定的，以电动汽车某一位置为原点建立起车辆的空间直角坐标系，那么充电口在该坐标系中就有了一个确定的坐标值，我们称之为充电口的“固有位置”。电动汽车充电口“固有位置”的数据可以从汽车厂商处获得。司机倒车入库的位置不可能每次都是相同的，因此每次倒车汽车在车位中的位置具有不确定性。以充电车位的某一位置为原点建立起车位的空间直角坐标系，根据超声波模块返回的测距数据就可以得出车辆在该坐标系中的当前坐标值，我们称之为车辆的“实时位置”。依据车辆的“实时位置”和充电口的“固有位置”数据，我们可以将在车辆空间直角坐标系中得出的充电口 “固有位置”数据转化到车位空间直角坐标系中，这样就得到了充电口在车位空间直角坐标系中的坐标值。

3.2 车位封锁

传统燃油动力车占用充电车位是造成电动汽车“充电难”的一大原因，也是造成公共充电桩使用效率低下的重要因素。当电动汽车充电车位闲置时，本装置可以将六自由度机械臂伸展开来，减少充电车位被非法占用的情况。

3.3 预留拓展

GPRS技术是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,是 GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。[3]通过GPRS技术的引用可以实现本装置与智能系统的通讯，进而实现APP或微信平台的在线预定、在线支付、在线查询等功能，真正实现全自动的对接、安全智能的充电，使机械臂式充电装置的使用者能享受到便捷、安全、省心的充电服务。