基于STM32的新能源汽車智能充電臂

賈 琪 董佳琪 付袈銘

（上海電機學院，中國 上海 201306）

1 項目背景及意義

我國電動汽車行業蓬勃發展,此前上海市出臺的電動汽車充電基礎設施發展指南,提出到2020年新增分散式充電樁超過480萬個,滿足500萬輛電動車的充電需求。[1]。縱觀當前電動汽車的充電裝置，充電樁產品以柱式充電樁為主，在使用中雖然操作簡單但仍需人工操作，不能實現智能連接。本設計旨在開發一款機械臂式新型電動汽車充電裝置，機械臂具有中空式的結構，能夠將現有電動汽車的充電槍置入其中，使之具備充電槍與汽車充電接口的自動對接功能，實現對電動汽車安全便捷、智能高效的充電。本裝置可利用視覺識別系統、RFID射頻掃描技術等先進手段，對進入車庫的車型進行智能識別，還可以拓展GPRS等數據通信模塊，使之具備一定的信息交互能力實現與上層控制系統的數據實時傳遞，使裝置更加符合互聯網時代的要求。

1.1 充電問題

2016年1月1日起實施的由國家多部委聯合修訂的有關電動汽車充電接口以及通信協議等問題的5項國家標準，極大程度上解決了充電接口和電壓的不統一的問題，但就目前而言，“充電難”依然是當下電動汽車發展的瓶頸。在對上海市電動汽車使用者進行走訪調研后了解到，造成“充電難”現象的主要原因可以歸結為以下幾點：

（1）充電樁配套建設數量較少，有時需要排隊充電；

（2）部分停車場規模較大，充電車位標識和指引不明顯，尋找充電車位難；

（3）充電槍與電動汽車需手動對接，惡劣天氣下使用存在安全隱患；

（4）充電車位被傳統燃油動力車占用現象頻繁發生；

（5）部分進口車型充電接口與國內充電樁不統一，公共充電樁不能使用

2 系統構成

本裝置主要由核心處理模塊、六自由度機械臂、超聲波測距模塊、狀態顯示模塊和安全防護裝置等幾部分構成。

核心處理模塊為本裝置提供控制與計算功能。

六自由度機械臂是本裝置的主要機械結構，六自由度保證了機械臂能適應復雜多變的停車位置。

超聲波測距模塊作為本裝置的外部傳感器，保障本裝置運行的準確和安全。

狀態顯示模塊由紅色和綠色兩顆LED燈珠組成，主要功能是反映系統的當前狀態

安全防護裝置設置在六自由度機械臂的末端，能夠在汽車充電過程中進行有效的防水、防異物、防觸電等多種保護功能。

3 運行原理

系統初始狀態時機械臂保持封鎖狀態，對充電車位進行封鎖。當系統接收到啟動信號，機械臂從封鎖狀態轉入豎直狀態，解除對充電車位的封鎖，超聲波傳感器開始進行測距工作，顯示模塊中的紅色指示燈亮，表示系統已完成車輛進入的準備工作，車輛可以倒車入庫。當車輛位置滿足某一預設條件時，顯示模塊中的紅色指示燈滅，綠色指示燈亮，表示此時車輛已經到位，系統可以對進行充電操作，同時系統開始計時。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離[2]。根據超聲波模塊返回的測距數據，在系統計時的過程中，如果車輛位置發生變動，系統判定為車未停好，返回狀態等待車輛位置再次滿足預設條件；如果車輛位置在10秒鐘內未發生變動，系統判定為車已停好，控制器根據超聲波傳感器返回的車輛在車位中的位置以及該車型充電口在車身上的位置，得出機械臂運動的目標位置，給舵機發送驅動信號，使機械臂末端的充電槍與電動汽車充電口進行連接，此時超聲波模塊關閉，狀態顯示模塊中的綠色指示燈滅。充電槍與充電口連接成功后進入充電狀態，系統保持充電狀態直到接收到充電完成信號。當系統接收到充電完成信號，控制器驅動舵機將機械臂由充電狀態轉入豎直狀態，超聲波模塊重新開始測距工作。根據超聲波模塊返回的測距數據，系統判斷車輛已完全駛離車位，系統計時器開始計時，計時10秒鐘鐘內如未有車輛進入充電車位，控制器驅動舵機將機械臂從豎直狀態轉入封鎖狀態，充電過程完成。

3.1 充電口定位

本設計的關鍵點在于借住六自由度機械臂將充電槍插入到電動汽車充電口中。為了使機械臂能夠執行充電動作，確定充電口的空間位置的工作至關重要。為了更好地解釋充電口定位的原理，我們不妨定義兩個跟充電口定位有關的名詞：電動汽車充電口在車身上的“固有位置”和電動汽車在當前充電車位中的“實時位置”。我們知道，任何一種電動汽車，其充電口在車身上的位置都是確定的，以電動汽車某一位置為原點建立起車輛的空間直角坐標系，那么充電口在該坐標系中就有了一個確定的坐標值，我們稱之為充電口的“固有位置”。電動汽車充電口“固有位置”的數據可以從汽車廠商處獲得。司機倒車入庫的位置不可能每次都是相同的，因此每次倒車汽車在車位中的位置具有不確定性。以充電車位的某一位置為原點建立起車位的空間直角坐標系，根據超聲波模塊返回的測距數據就可以得出車輛在該坐標系中的當前坐標值，我們稱之為車輛的“實時位置”。依據車輛的“實時位置”和充電口的“固有位置”數據，我們可以將在車輛空間直角坐標系中得出的充電口 “固有位置”數據轉化到車位空間直角坐標系中，這樣就得到了充電口在車位空間直角坐標系中的坐標值。

3.2 車位封鎖

傳統燃油動力車占用充電車位是造成電動汽車“充電難”的一大原因，也是造成公共充電樁使用效率低下的重要因素。當電動汽車充電車位閑置時，本裝置可以將六自由度機械臂伸展開來，減少充電車位被非法占用的情況。

3.3 預留拓展

GPRS技術是通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service)的簡稱,是 GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。[3]通過GPRS技術的引用可以實現本裝置與智能系統的通訊，進而實現APP或微信平臺的在線預定、在線支付、在線查詢等功能，真正實現全自動的對接、安全智能的充電，使機械臂式充電裝置的使用者能享受到便捷、安全、省心的充電服務。