一種基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種利用俯視相機和側部相機對電動汽車內電池進行定位的方法。具體方法是：在電動汽車頂部和電池上分別做上標記，利用頂部相機和側部相機對標記進行拍照，并獲得圖像坐標系下電動汽車和電池的位置坐標，再提取機械手坐標系下的電池坐標，最后將圖像坐標系下電動汽車和電池的坐標和機械手坐標系下的電池坐標進行擬合，最終獲得電池在機械手坐標系下的三維構建。采用本發明的方法不僅定位精度高、成本低并且實施方式簡單。
【專利說明】一種基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用俯視相機和側部相機對電動汽車內電池進行定位的方法。
【背景技術】
[0002]隨著人們對環境保護的意識越來越強，環境污染和資源的問題受到人們的極大關注。汽車行業節能減排形勢的日益嚴峻，發展節能環保型汽車成為汽車產業發展的必然選擇。目前，以電能為代表的新能源的節能環保型汽車作為動力與儲能電池產業終端應用產品，已成為國家鼓勵發展的新興戰略性產業。
[0003]目前，電動汽車的續航能力是電動汽車行業需要解決的一個重要問題，國家電網公司提出了“換電為主、插充為輔、集中充電、統一配送，通過智能電網、物聯網和交通網的‘三網’技術融合，實施信息化、自動化和網絡化的‘三化’管理，實現對電動汽車用戶跨區域全覆蓋的同網、同質和同價的‘三同’服務”的建設方針。電動汽車蓄電電池的充電和換電環節關系到整個電動汽車產業的普及和推廣。
[0004]在電動汽車利 用機械手換電池的過程，對電動汽車內的電池進行定位是關鍵性的一步。目前目前電動汽車電池定位方式主要包括兩種，一種是機械定位，采用導引槽將汽車車輪卡死，固定車身位置，同時采用限位裝置固定車頭位置；第二種是雙目視覺定位，直接獲取電池側面中心點的坐標以及偏向角信息。但是，第一種方法在使用過程中不僅對電動汽車的定位精度不高，而且對司機駕駛水平有一定要求；第二種方法在使用過程中定位精度雖然提高，但是雙目視覺成本較大。
【發明內容】
[0005]為了解決【背景技術】中的缺陷，本發明提出了一種定位精度高、成本低并且實施方式簡單的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法。
[0006]本發明的具體技術方案是:
[0007]一種基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0008]1】獲取圖像坐標系下電動汽車頂部中心坐標、電動汽車偏向角以及電池中心坐標值；
[0009]2】獲取機械手坐標系下的電池的坐標值以及角度值；機械手坐標系是指以機械手三維空間運動的方向搭建的坐標系；
[0010]3】將圖像坐標系下的坐標值以及機械手坐標系下的坐標值進行擬合，獲得電池在機械手坐標系下的三維構建；
[0011]4]機器手基于電池在機器人坐標系下三維構建，對電池進行拾取。
[0012]上述步驟1】的具體步驟是:
[0013]1.1】對電動汽車車頂以及電動汽車電池箱內的電池分別做矩形框條標記和黑色圓形標記；[0014]1.2】頂部照相機采集處理矩形框條標記圖像，獲取電動汽車頂部的中心點坐標以及電動汽車的偏向角；
[0015]1.3】側部照相機采集處理黑色圓形標記圖像，獲取電動汽車電池箱內的電池的中心坐標；
[0016]上述步驟1.2】的具體步驟是:
[0017]1.2.1】頂部照相機拍攝下電動汽車頂部的圖片，提取圖片的感興趣區域；
[0018]1.2.2】對圖片進行高斯平滑處理，去除圖片中的噪點；
[0019]1.2.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；
[0020]1.2.4】在步驟1.2.3】中的黑白圖片中提取圖像輪廓，并判斷該圖像輪廓是否為矩形框條標記，如果是，進行步驟1.2.5 ;
[0021]1.2.5】獲取矩形框條標記的所有矩形邊點坐標，計算所有矩形邊點坐標的平均值確定電動汽車頂部的中心點坐標，通過確定矩形框條標記其中一條邊與圖像輪廓一條邊之間的夾角，確定電動汽車的偏向角。 [0022]上述步驟1.2.4】的具體步驟是:
[0023]1.2.4.1】對圖像輪廓進行多邊形逼近，根據多邊形頂點的個數判斷該多邊形是否為四邊形圖像輪廓；如果是四，則認定該圖像輪廓為四邊形圖像輪廓并保留；如果不是四，則舍棄該圖像輪廓；
[0024]1.2.4.2】判斷四邊形圖像輪廓是否為四邊形凸輪廓；設定一個灰度閾值T2，計算四邊形圖像輪廓的面積，如果面積大于閾值T2，則四邊形圖像輪廓為四邊形凸輪廓；如果面積小于閾值T2，則舍棄該四邊形圖像輪廓；
[0025]1.2.4.3】判斷四邊形凸輪廓是否為矩形框條標記；設定閾值T3，如果四邊形凸輪廓的四個內角余弦值中最大值大于閾值T3，則該四邊形凸輪廓為矩形框條標記，否則不是矩形框條標記。
[0026]上述步驟1.3】的具體步驟是:
[0027]1.3.1】側部相機拍攝下電池箱內電池的圖片，去除會對圖片處理產生干擾的區域；
[0028]1.3.2】對圖片進行高斯平滑處理，去除圖片中的噪點；
[0029]1.3.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；
[0030]1.3.4】在黑白圖片中獲取黑色圓形標記的圖像，并確定電池的中心坐標。
[0031]上述步驟1.3.4】的具體步驟是:
[0032]1.3.4.1】提取黑白圖片中的黑色區域，再找出電池箱與電池之間的黑色縫隙中的中心點坐標；
[0033]1.3.4.2】根據電池距離電池箱上表面固定像素寬度，初步確定黑色圓形標記的中心點坐標；再利用初步確定的黑色圓形標記的中心點坐標設定一個邊長大于黑色圓形標記直徑的正方形區域；
[0034]1.3.4.3】對正方形區域進行灰度閾值分割，提取黑色圓形標記的邊緣；
[0035]1.3.4.4】找出包括邊緣的最小外接圓，該最小外接圓的圓心即為最終電池中心點坐標。
[0036]本發明的優點在于:[0037]1、本發明通過在電動汽車和電池上設定標記點的方法確定電池位置，特征明顯，避免了外界環境光干擾，結果更加可靠。
[0038]2、本發明利用圖像坐標系和機械手坐標系完成電池在機械手坐標系下的三維重建,相比雙目視覺技術的成本更低，精度更高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0039]圖1為本發明中獲取電動汽車頂部的中心點坐標以及電動汽車的偏向角的流程示意圖。
[0040]圖2為本發明中獲取電動汽車電池箱內的電池的中心坐標的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0041]在電動汽車利用機械手換電池的過程，對電動汽車內的電池進行定位是關鍵性的一步。本發明提出了一種定位精度高、成本低并且實施方式簡單的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法。
[0042]本發明采用的方法首先是在換電站區域內設置了用于獲取電動汽車姿態的頂部照相機以及獲取電動汽車內電池的側部照相機；基于上述兩臺照相機對電動汽車中的電池進行精確定位；該方法的具體的步驟如下:
[0043]步驟1】獲取圖像坐標系下電動汽車頂部中心坐標、電動汽車偏向角以及電池中心坐標值；
[0044]步驟1.1】 對電動汽車車頂以及電動汽車電池箱內的電池分別做矩形框條標記和黑色圓形標記；其中，矩形框條標記和黑色圓形標記是汽車出廠本身已經在電動汽車頂部和電池上做好的標記。
[0045]步驟1.2】利用設置在電動汽車頂部的照相機采集處理矩形框條標記圖像，獲取電動汽車頂部的中心點坐標(Χ，Y)以及電動汽車的偏向角(Θ );(根據照相機的性能特點，一般選取電動汽車車頂與照相機之間的距離為lrn)
[0046]結合附圖1對該步驟進行詳述，其具體是:
[0047]步驟1.2.1】頂部照相機拍攝下電動汽車頂部的圖片，提取圖片的感興趣區域；(在該步驟中，如果采用的照相機拍攝的照片為彩色圖像時，該步驟中還需要對R、G、B通道圖片進行處理)
[0048]步驟1.2.2】對圖片進行高斯平滑處理，去除圖片中的噪點；
[0049]步驟1.2.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；
[0050]具體是:設定灰度閾值T1并對灰度閾值進行分割，將大于灰度閾值T1的像素點定義為白色，小于灰度閾值T1的像素點定義為黑色；
[0051]步驟1.2.4】在步驟1.2.3】中的黑白圖片提取圖像輪廓，并判斷該圖像輪廓是否為矩形框條標記；
[0052]該步驟的具體實施如下:
[0053]步驟1.2.4.1】對圖像輪廓進行多邊形逼近，根據多邊形頂點的個數判斷該多邊形是否為四邊形；如果是四，則認定該圖像輪廓為四邊形圖像輪廓并保留；如果不是四，則舍棄該圖像輪廓；[0054]步驟1.2.4.2】四邊形圖像輪廓是否為四邊形凸輪廓；設定一個閾值T2，計算四邊形圖像輪廓的面積，如果面積大于閾值T2，則四邊形圖像輪廓為四邊形凸輪廓；如果面積小于閾值T2，則舍棄該四邊形圖像輪廓；
[0055]步驟1.2.4.3】判斷四邊形凸輪廓是否為矩形框條標記；設定閾值T3，如果四邊形凸輪廓的四個內角余弦值中最大值大于閾值T3，則該四邊形凸輪廓為矩形框條標記，否則不是矩形框條標記。
[0056]步驟1.2.5】獲取矩形框條標記的所有矩形邊點坐標(X1; I)，計算所有矩形邊點坐標的平均值確定電動汽車頂部的中心點坐標，由于汽車偏向角肯定是在±10°以內，因此，通過確定矩形框條標記其中一條邊與其相鄰圖像輪廓一條邊之間的夾角在±10°之內，從而確定電動汽車的偏向角。
[0057]步驟1.3】利用設置在電動汽車側部的照相機采集處理黑色圓形標記圖像，獲取電動汽車電池箱內的電池的中心坐標(X2, Y2);
[0058]以下結合附圖2對該步驟進行詳細描述:
[0059]步驟1.3.1】側部相機拍攝下電池箱內電池的圖片，去除會對圖片處理產生干擾的區域；
[0060]步驟1.3.2】對圖片進行高斯平滑處理， 去除圖片中的噪點；
[0061]步驟1.3.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；
[0062]具體是:設定灰度閾值Τ4并對灰度閾值進行分割，將大于灰度閾值Τ1的像素點定義為白色，小于灰度閾值Τ4的像素點定義為黑色；
[0063]步驟1.3.4】在黑白圖片中獲取黑色圓形標記的圖像，并確定電池的中心坐標；該步驟的具體實施如下:
[0064]步驟1.3.4.1】提取黑白圖片中的黑色區域，再找出電池箱與電池之間的黑色縫隙中的中心點坐標，設黑色縫隙中的中心點坐標為(Χ3, Υ3)；
[0065]步驟1.3.4.2】根據電池距離電池箱上表面固定像素寬度(dh)，初步確定黑色圓形標記的中心點坐標(X3，Y3+dh);再利用初步確定的黑色圓形標記的中心點坐標設定一個邊長大于圓形標記直徑的正方形區域；(設正方形邊長為D，圓形標記直徑為Dl，D > D1);
[0066]步驟1.3.4.3】對正方形區域進行灰度閾值分割，提取黑色圓形標記的邊緣；(此時獲取的黑色圓形標記的邊緣不是平滑整齊的圓形輪廓)
[0067]步驟1.3.4.4】找出包括上述邊緣的最小外接圓，該最小外接圓的圓心即為最終電池中心點坐標(X2, Y2)。
[0068]步驟2】獲取機械手坐標系下的電池的坐標值(Χ4，Υ4，Ζ4)以及角度值(θ ρ ;機械手坐標系是指以機械手三維空間運動的方向搭建的坐標系；機械手設置有人機界面，通過該人機面板可以直接看見機械手移動到的坐標值和角度信息。
[0069]步驟3】將圖像坐標系下的坐標值(電動汽車頂部坐標值(X，Y)、電動汽車的偏向角(Θ )、電池中心點坐標(X2，Y2))以及機械手坐標系下的坐標值(電池的坐標值(Χ4，Υ4，Ζ4)以及角度值(Θ0)通過最小二乘法進行擬合，找出圖像坐標與機械手坐標之間的轉換關系，最終獲得電池在機械手坐標系下的三維構建。
[0070]上述步驟3】中，機械手坐標系和圖像坐標系是投影變換的關系，當汽車在機械手坐標系中變換位置時，坐標值和角度值都是一種線性變換的關系這一特征，采用matlab軟件擬合二次曲線即可得到轉換方程。
[0071 ] 步驟4】機 器手基于電池在機器人坐標系下三維構建，對電池進行拾取。
【權利要求】
1.一種基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于，包括以下步驟:.1】獲取圖像坐標系下電動汽車頂部中心坐標、電動汽車偏向角以及電池中心坐標值；.2】獲取機械手坐標系下的電池的坐標值以及角度值；機械手坐標系是指以機械手三維空間運動的方向搭建的坐標系；.3】將圖像坐標系下的坐標值以及機械手坐標系下的坐標值進行擬合，獲得電池在機械手坐標系下的三維構建；.4】機器手基于電池在機器人坐標系下三維構建，對電池進行拾取。
2.根據權利要求1所述的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于:所述步驟1】的具體步驟是:.1.1】對電動汽車車頂以及電動汽車電池箱內的電池分別做矩形框條標記和黑色圓形標記；.1.2】頂部照相機采集處理矩形框條標記圖像，獲取電動汽車頂部的中心點坐標以及電動汽車的偏向角；.1.3】側部照相機采集處理黑色圓形標記圖像，獲取電動汽車電池箱內的電池的中心坐標。
3.根據權利要求2所述的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于:所述步驟1.2】的具體步驟是:.1.2.1】頂部照相機拍攝下電動汽車頂部的圖片，提取圖片的感興趣區域；.1.2.2】對圖片進行高斯平滑處理，去除圖片中的噪點；.1.2.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；.1.2.4】在步驟1.2.3】中的黑白圖片中提取圖像輪廓，并判斷該圖像輪廓是否為矩形框條標記，如果是，進行步驟1.2.5 ;.1.2.5】獲取矩形框條標記的所有矩形邊點坐標，計算所有矩形邊點坐標的平均值確定電動汽車頂部的中心點坐標，通過確定矩形框條標記其中一條邊與圖像輪廓一條邊之間的夾角，確定電動汽車的偏向角。
4.根據權利要求3所述的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于:所述步驟1.2.4】的具體步驟是:.1.2.4.1】對圖像輪 廓進行多邊形逼近，根據多邊形頂點的個數判斷該多邊形是否為四邊形圖像輪廓；如果是四，則認定該圖像輪廓為四邊形圖像輪廓并保留；如果不是四，則舍棄該圖像輪廓；.1.2.4.2】判斷四邊形圖像輪廓是否為四邊形凸輪廓；設定一個灰度閾值T2，計算四邊形圖像輪廓的面積，如果面積大于閾值T2，則四邊形圖像輪廓為四邊形凸輪廓；如果面積小于閾值T2，則舍棄該四邊形圖像輪廓；.1.2.4.3】判斷四邊形凸輪廓是否為矩形框條標記；設定閾值T3，如果四邊形凸輪廓的四個內角余弦值中最大值大于閾值T3，則該四邊形凸輪廓為矩形框條標記，否則不是矩形框條標記。
5.根據權利要求2所述的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于:所述步驟1.3】的具體步驟是:.1.3.1】側部相機拍攝下電池箱內電池的圖片，去除會對圖片處理產生干擾的區域；.1.3.2】對圖片進行高斯平滑處理，去除圖片中的噪點；.1.3.3】通過灰度閾值分割的方法，將圖片處理為黑白圖片；.1.3.4】在黑白圖片中獲取黑色圓形標記的圖像，并確定電池的中心坐標。
6.根據權利要求5所述的基于俯視和側視相機的電動汽車電池定位方法，其特征在于:所述步驟1.3.4】的具體步驟是:.1.3.4.1】提取黑白圖片中的黑色區域，再找出電池箱與電池之間的黑色縫隙中的中心點坐標；.1.3.4.2】根據電池距離電池箱上表面固定像素寬度，初步確定黑色圓形標記的中心點坐標；再利用初步確定的黑色圓形標記的中心點坐標設定一個邊長大于黑色圓形標記直徑的正方形區域；.1.3.4.3】對正方形區域進行灰度閾值分割，提取黑色圓形標記的邊緣；.1.3.4.4】找出包 括邊緣的最小外接圓，該最小外接圓的圓心即為最終電池中心點坐標。
【文檔編號】B25J13/08GK103692447SQ201310743786
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】張棟棟, 羅華, 燕小強, 郭靜 申請人:西安航天精密機電研究所