電動汽車充電口的超聲位姿測量系統設計

劉曉民，杜巖平，張曉勇，王曉安

(1.北京華商三優新能源科技有限公司，北京 101106; 2.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001)

0 引言

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

電動汽車自動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器視覺為主，但視覺定位裝置高成本，高延時，且圖像對于天氣環境的魯棒性差[4]，針對上述問題亟需開發一種成本低且抗干擾能力強的定位系統。

超聲測距技術因具有結構簡單、成本低廉以及測量精度高等優點而常被應用于定位系統中。Cricket定位系統[5-6]和Active Bat定位系統[7-8]為目前主流超聲定位系統。前者基于TDOA算法，通過信標節點結合被測物體接收器實現三維定位，精度可達到厘米級。后者基于TOF算法，通過超聲波發射裝置和固定在天花板上的接收機來實現對發射裝置三維坐標的定位。而D等人融合了Cricket系統和Active Bat系統，將一個超聲發射器布置在天花板上，將四個超聲接收器安裝在地板上，通過多個發射節點與接收節點的組合計算，實現了地板上被測物體的位姿測量[9]，但該系統位置計算方法復雜，且只適用于固定高度的環境中。

基于傳統超聲定位系統的缺點，設計了一種新型超聲位姿測量系統，該系統能夠實現對電動汽車充電口位姿的高精度測量，并具有較高的穩定性。

1 充電口位姿測量原理

常見的超聲傳感器布置形式有反射式和對射式。對射式測距原理根據發出超聲波與收到超聲波的時間差來計算距離[10]。設L是被測距離，t為發射與接收超聲波之間的時間差，v為超聲波在空氣中的傳播速度，則被測物體的距離為：

L=v×t

(1)

圖1 超聲傳感器對應的空間坐標系

充電口三維坐標求解算法：由超聲測距模塊可以測出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：

(2)

求解方程組(2)可得到Ti的三維坐標，由此可得充電口中心的三維坐標為：

(3)

(4)

(5)

聯立式(4)和式(5)可求出α、β、γ的值為：

(6)

至此，充電口的三維坐標和姿態角均已求出，即實現了位姿測量。

2 超聲位姿測量系統設計

2.1 系統硬件設計

系統硬件由三部分組成：發射端、接收端和上位機，圖2為硬件組成框圖。

圖2 超聲位姿測量系統整體結構

2.1.1 超聲測距發射模塊

發射模塊功能分別為：調制信號的產生、調制信號的放大、同時實現超聲波信號的發射以及紅外信號的發射，發射功能原理圖如圖3所示。調制信號產生時，需要單片機產生占空比為50%，頻率為40 kHz的8個脈沖方波來啟動超聲波信號和紅外信號的發射，要求單片機具有高精度時鐘來滿足高質量調制信號的產生，STC15F104W單片機內部集成了可靠的復位電路以及高精度R/C時鐘，具有性價比高的特點，可以用于發射模塊的設計；由于超聲波的作用距離與調制脈沖峰值正相關，所以應放大調制信號以實現遠距離測距；要求放大電路穩定可靠，并且具有較小的體積來滿足測距模塊的輕量化要求，MC34063集成電路具有可靠性高、體積小巧等優點，適用于調制信號的放大；基于超聲波信號發射需求，發射器應具有發射的超聲波范圍廣、作用距離適中、體積小成本低等特點，綜合這些因素，選用NU40C16T/R型超聲波發射器，其體積小質量輕、靈敏度高、聲壓高、耐久性好并且性價比高，可以滿足設計要求；紅外信號發射階段，需要發射器具有靈敏度高、低功耗以及高精度等特點，而5 mm紅外發射二極管發射時穩定均勻、發射距離遠且功耗很低，因此選用該紅外發射器。

2.1.2 超聲測距接收模塊

接收模塊功能分為：超聲信號接收、紅外光信號接收以及信號處理功能，其原理如圖4所示。超聲信號接收：由于超聲信號的傳輸距離與強度呈負相關，而超聲信號轉換為電信號后具有幅值較低的特點，為保證系統測量精度需要對接收到的超聲信號所轉換的電信號進行放大、濾波、整形等。CX20106A集成電路是一種超聲波檢測與接收的專用電路，集信號放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形電路于一體，并且該電路結構穩定、體積小巧且價格低廉，故選用該集成電路來接收超聲波信號。紅外信號接收階段，紅外接收器應在環境光條件下具有較強的魯棒性，并且低功耗特點，HS0038B是一種一體化紅外接收器，其光電檢測和前置放大器集成在同一封裝上、抗干擾能力強、抗電場干擾能力強且功耗很低，所以選用該款紅外接收器進行紅外信號的接收。信號處理階段，要求單片機處理速度快，時鐘精度高，所以選用和發射模塊相同的STC15F104W單片機。

圖3 超聲測距發射模塊電路原理框圖

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計的主要內容是超聲測距模塊的控制程序設計和位姿測量主程序的設計，并通過相應的串口通信實現下位機和上位機之間的數據傳輸，然后通過上位機顯示軟件將最終的位姿測量結果顯示出來。

發射模塊的功能為頻率為40 kHz的連續脈沖信號，單次發射數量為8個，脈沖信號間時間間隔為20 ms，占空比為50%。程序流程為對發射器及系統初始化時，設定方波計數標志i=0.20 ms后進入定時器0的中斷，首先重裝定時器0的初值以保證方波頻率為40 kHz，然后對電平進行取反操作；定時器0每中斷一次方波計數標志加1，當方波計數標志大于16，方波傳輸完成。循環上述流程，以實現超聲持續發射。上述流程如圖5所示。

圖5 發射模塊程序流程

接收模塊的功能為將超聲波傳播時間映射為芯片輸出的高電平持續時間。具體流程為對接收器及系統進行初始化，系統進入紅外光信號接收準備狀態。由于光速與聲速的量級差，系統假定接收到紅外光信號時，判定為超聲信號發射，此時芯片引腳的輸出電平由低電平狀態轉換為高電平狀態，進入超聲信號接收準備狀態。接收到超聲信號后，芯片引腳輸出由高電平狀態轉換為低電平狀態，至此單次測量結束。上述過程將在系統啟動后進行循環檢測。上述流程如圖6所示。

圖6 接收模塊程序流程

3 超聲位姿測量系統優化與實驗

基于電動汽車自動充電的需求，系統預期性能指標為：三維坐標誤差±2 mm；姿態角測量誤差±3°。為探究本系統是否能達到預期指標，首先對傳感器分布進行優化，然后進行測距模塊性能實驗以確定測距精度，最終進行了位姿測量實驗。實驗環境為溫度25 ℃，濕度65%RH；平面距離測量工具為直尺和網格紙，最小刻度均為1 mm；高度測量工具為高度游標卡尺，測量精度為0.02 mm；角度測量工具為數顯角度尺，測量精度為3′。

3.1 傳感器布置形式優化

圖7 不同接收模塊布置間距時的測量坐標逆解數據

圖8是不同布置間距d下的最大三維坐標誤差，可以看出當間距為250 mm時，最終造成的三維坐標誤差最大為2.361 0 mm，隨著間距的增大，誤差明顯減小，當間距達到750 mm時，最大誤差為0.844 4 mm，在可以接受范圍內，并且此后再增大間距對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，太大的布置間距會影響超聲波的傳輸，綜合考慮并經過實驗驗證，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誤差

3.2 位姿測量實驗

按照上述位姿測量原理和接收模塊布置間距，搭建位姿測量實驗平臺如圖9所示。

圖9 位姿測量實驗平臺

位姿測量實驗分為充電口中心三維坐標測量實驗和充電口平面角度測量實驗。考慮到電動汽車的自動泊車精度，確定充電口三維坐標變化范圍為：沿接收端坐標系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°]。

三維坐標測量實驗流程如圖10所示，首先將充電口調節至與接收端坐標系的XY平面平行，然后以10 mm為單位確定坐標范圍，并在其范圍內隨機組合100個測量點，對這100個點進行三維坐標測量，最終按上述流程進行實驗，得到每個測量點下的坐標偏差如圖11所示，可以看出，X、Y、Z三坐標的位置偏差均維持在±1.5 mm范圍之內，可以滿足應用要求。

圖10 充電口中心三維坐標測量實驗流程圖

圖11 充電口中心三維坐標測量實驗誤差示意圖

充電口平面角度測量的實驗流程如圖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隨機組合出100個測量點，對這100個測量點進行充電口平面角度測量，進而按上述流程進行實驗，可以得到每個測量點實測角度，最終可計算出角度偏差如圖13所示，可以看出，三個角的角度誤差能夠穩定在±2.4°范圍內，可滿足應用要求。

圖12 充電口平面角度測量實驗流程圖

圖13 充電口平面角度測量實驗誤差示意圖

4 結束語

本文提出了一種采用多點位融合的超聲重構測量技術實現對空間物體高精度位姿測量的方法，該方法采用特定的“三發三收”傳感器布置形式，使用自主研制的高精度超聲測距收發模塊，利用STM32等控制芯片，實現了對電動汽車充電口的位姿測量。實驗結果表明：該系統對X、Y和Z方向的測量精度為±1.5mm，Rx、Ry和Rz方向的測量精度為±2.4°，并可以實現實時聲速測量，同時解決了不同環境下聲速發生變化對定位帶來的測量誤差的問題，提高了自動充電系統充電口定位的穩定性和測量系統的魯棒性，能夠滿足電動汽車充電口位姿測量的工程需求。