自動充電機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)燃料汽車的重要項目。隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展，充電站的設(shè)備缺乏和充電效率低下等問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，為新能源汽車自動充電機器人的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。新能源汽車自動充電機器人不僅能提升了充電的便捷性、效率和安全性，同時也能推動了新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，因此新能源汽車自動充電機器人具有廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景。

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

0 引言

隨著全球加深對于降低碳排放的共識，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，一方面是得益于電池技術(shù)的進步和成本的下降，另一方面還與全球各國政府對綠色交通政策的支持密不可分。但是在自動充電技術(shù)方面存在一些短板。充電過程的自動化不僅能夠提高用戶體驗，減少充電等待時間。自動充電機器人作為智能充電裝備的代表，這類機器人通過高度自動化和智能化的方式實簡化了充電操作流程。不僅如此，自動充電機器人的應(yīng)用還能夠減輕因手動插拔充電槍而導(dǎo)致的安全隱患，從而提升充電過程的安全性和便捷性。

1 發(fā)展新能源汽車自動充電機器人的意義

1.1 自動充電機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，進行插拔等操作，這樣一來不僅耗時耗力，還可能因為操作而導(dǎo)致充電失敗或安全問題。自動充電機器人無需車主參與就能通過識別和定位等技術(shù)，自動尋找充電口并對接，完成充電過程[1]。

1.2 自動充電機器人提高充電的效率

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

1.3 自動充電機器人提升了充電過程的安全性

自動充電機器人具備精確的識別和定位能力，可以確保充電接口的準確對接，避免了車主操作不當(dāng)導(dǎo)致的安全問題。同時，機器人還具備自動斷電、過載保護等安全功能，確保充電過程的安全可靠。

1.4 推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展

隨著新能源汽車市場的不斷擴大，自動充電機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題，從而促進新能源汽車的普及和發(fā)展。

2 新能源汽車自動充電機器人關(guān)鍵技術(shù)

2.1 充電口的空間位置定位系統(tǒng)

用于幫助自動駕駛汽車或機器人等設(shè)備準確地將充電插頭對準充電口以完成充電過程。這種系統(tǒng)通常結(jié)合了多種傳感器和算法，以實現(xiàn)精確的定位和對準。常見的技術(shù)包括激光雷達、攝像頭、超聲波傳感器、慣性測量單元（IMU）等，通過這些傳感器獲取車輛或機器人與充電口之間的相對位置和姿態(tài)信息，并利用算法進行實時計算和調(diào)整，確保插頭正確對準充電口，從而實現(xiàn)可靠的充電連接。

首先是雙目視覺系統(tǒng)，即利用兩部相機來實現(xiàn)定位。對物體上一個特征點，用兩部固定于不同位置的相機攝得物體的像，分別獲得該點在兩部相機像平面上的坐標。只要知道兩部相機精確的相對位置，就可用幾何的方法得到該特征點在固定一部相機的坐標系中的坐標，即確定了特征點的位置。其次是單目視覺系統(tǒng)，首先利用單目對物體進行拍照，再通過前期的標定對比即可實現(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距原理，通過機械臂驅(qū)動激光測距模塊沿直線掃描，測量直線上存在高度差的臨界點[6]，獲取充電口上兩個臨界點之間的弦長K；判斷弦長K是否滿足W＜K＜S，根據(jù)弦長K和充電口的中心的對應(yīng)關(guān)系，得到充電口的位置信息，如圖1所示。

2.2 機械臂模塊

新能源汽車自動充電機器人的機械臂模塊是指該機器人中負責(zé)操控充電插頭的部件。這個模塊通常由多個關(guān)節(jié)組成的機械臂構(gòu)成，能夠在空間中自由運動和調(diào)整姿態(tài)，以完成充電插頭的對準和插拔操作。

由于工業(yè)機械臂不具備碰撞保護，因此不適合運用在自動充電中，那么其他機械臂的特點是什么呢：首先是笛卡爾坐標機械臂，其特點是外形尺寸較大，在實際運用中布置較少；SCARA關(guān)節(jié)機械臂的特點是效率較高，但是負載也小，在自動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，負載不超過15公斤，成本上面也是較高的；蛇形臂的IP等級較高，可以在-40℃到60℃進行工作，造價低，適用范圍廣。

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

2.3 蛇形機械臂

關(guān)節(jié)臂一般由關(guān)節(jié)電機和伺服減速器或諧波減速器構(gòu)成，但是絕大多數(shù)減速器被國外企業(yè)壟斷，受此影響，關(guān)節(jié)臂的成本相對較高。蛇形臂則不同于關(guān)節(jié)臂，它是由繩索來驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)均由繩索實現(xiàn)驅(qū)動轉(zhuǎn)動，通過對轉(zhuǎn)動盤周邊的多根繩索進行斜角控制即可控制機械臂末端的運動軌跡[2]。

3 新能源汽車自動充電機器人應(yīng)用

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

3.1 固定式交流慢充機器人

自動充電機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0.5m×0.3m（L×W），一般適合私家車配合AVP自主代客泊車場景使用。

3.2 固定式直流快充機器人

自動充電機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0.5m×0.4m（L×W），一般適合公共停車場配合AVP自主代客泊車場景使用，也適合出租車、網(wǎng)約車等規(guī)模車隊和港口、礦山、物流車等場景使用[4]。

3.3 移動式自動充電機器人

自動充電機器人停在公共停車場的某一指定位置，當(dāng)有車輛需要充電時，車主可以通過手機APP通過云端調(diào)度系統(tǒng)召喚自動充電機器人。機器人將根據(jù)車輛停放的目標定位位置，自動移動到目標車位。適合公共停車場配合AVP使用[3]。移動式自動充電機器人能夠自主移動并為電動車提供充電服務(wù)的智能設(shè)備。它們被設(shè)計成小型車輛或者機器人的形態(tài)，具備自主導(dǎo)航、充電槍操作、電動車識別等功能。機器人通常配備有激光雷達、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，找到需要充電的電動車。移動式自動充電機器人的出現(xiàn)，提高電動車充電的效率，降低人工成本，并改善用戶體驗。它們?yōu)殡妱榆嚨钠占昂褪褂锰峁┝烁憬荨⒏煽康某潆娊鉀Q方案。

3.4 抓槍式自動充電機器人

一個車位部署一套自動充電機器人，對于公共停車場來說，投資成本較高。為此采用一套自動充電機器人負責(zé)多輛車充電的解決方案，分攤到單車位的成本就會大幅降低。這種機器人通常設(shè)計為移動式或固定式，能夠在充電需求出現(xiàn)時自主地前往車輛位置，并執(zhí)行充電任務(wù)。機器人通過激光、攝像頭或其他傳感器技術(shù)，能夠自動定位到電動車的停放位置。一旦機器人到達目標位置，它會使用視覺或其他感知技術(shù)來識別電動車的充電接口位置和類型。機器人配備有機械臂或其他夾持裝置，可以準確地抓取充電槍，并將其對準電動車的充電接口。機器人會精確地將充電槍插入電動車的充電接口中，開始充電過程。充電完成后，機器人會自動將充電槍取出。在充電過程中，機器人會監(jiān)測電池溫度、充電電流等參數(shù)，確保充電過程安全可靠。電動車抓槍式自動充電機器人的優(yōu)勢在于提高了充電效率，降低了人工成本，增強了用戶體驗，并且有助于減少電動車充電過程中的人為操作錯誤。這種技術(shù)有望為電動交通領(lǐng)域的發(fā)展和普及提供重要支持。

3.5 蛇形自動充電機器人

蛇形自動充電機器人是一種特殊設(shè)計的充電機器人，其外形或運動方式類似于蛇形。蛇形機器人通常采用分段式設(shè)計，每個段落之間通過關(guān)節(jié)連接，使得整個機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。蛇形自動充電機器人既可以采取固定在車位，也可以采取移動方式。蛇形自動充電機器人具有IP65三防等級，可以在-40℃至65℃環(huán)境下穩(wěn)定工作[5]，負載大（超過30kg），壽命長（10年使用壽命）、成本低等優(yōu)點，特別適合無人化自動充電的場景。蛇形自動充電機器人是一種創(chuàng)新的設(shè)計，能夠有效解決傳統(tǒng)充電設(shè)備無法適應(yīng)各種車輛形狀和空間的問題，提高充電過程的自動化程度和效率。

4 促進自動充電機器人在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展的措施和建議

4.1 加強技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新

自動充電機器人的發(fā)展離不開持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新。加大對自動充電機器人技術(shù)的研發(fā)投入，特別是在高精度識別、柔順控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。鼓勵高校、科研機構(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)

自動充電機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。優(yōu)化充電設(shè)施的布局和配置，提高充電效率，降低用戶等待時間。

4.3 加強市場推廣與示范應(yīng)用

自動充電機器人作為新興技術(shù)，需要通過市場推廣和示范應(yīng)用來提高公眾的認知度和接受度。建議選取一些重點城市或區(qū)域，開展自動充電機器人的示范應(yīng)用項目，展示其在實際運行中的優(yōu)勢。鼓勵企業(yè)加強產(chǎn)品宣傳，通過媒體、展覽、論壇等多種渠道，提高自動充電機器人的知名度和影響力。

5 結(jié)語

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

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

參考文獻：

[1]楊磊，渾連明，祖國強，等.電動汽車充電機器人發(fā)展現(xiàn)狀和標準需求[J/OL].中國電力，1-11[2024-03-17].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3265.TM.20231117.1544.014.html.

[2]陳勃言，謝中祥，顧峰，等.自動充電機器人技術(shù)路線及發(fā)展趨勢分析[J].汽車電器，2022（10）：4-6.

[3]李星輝.自動充電機器人插拔過程軌跡規(guī)劃和柔順控制技術(shù)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2020.

[4]李聰利，徐善軍，任書楠，等.基于雙目視覺的電力機器人三維定位方法[J].制造業(yè)自動化，2021，43（10）：138-143.

[5]姚安慶，徐建明.基于雙目視覺的電動汽車充電孔識別定位系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2021，40（07）：81-84.

[6]朱浩. 基于視覺定位的電動汽車自動充電裝置路徑規(guī)劃研究[D].青島：青島大學(xué)，2023.