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技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其涉及一种全自动导航式无人驾驶电动 汽车的使用方法。

背景技术

近年来，电动汽车发展速度很快，也出现了一些无人驾驶电动汽车。 由于无人驾驶电动汽车发展时间较短，在行驶中的一些问题在现有技术中 仍没有得到妥善的解决，甚至还需要人工参与完成：基于引导轨迹的无人 驾驶电动汽车控制精度不高，偏离引导轨迹的情况时有发生；导航功能不 够完备，例如在电量不足时，无法确定附近最合适的充电站作为目标充电 站以前往充电；缺少充电站内充电桩的定位设备，无法完成自动充电控制 功能。

因此，需要一种新型无人驾驶电动汽车，能够建立新的基于引导轨迹 的电动汽车驱动控制结构，提高无人驾驶的引导精度，能够在确定附近各 个充电站位置的同时，自行选择最方便的目标充电站；同时能够定位充电 站内充电桩的位置，实现电动汽车的自动充电，从而解决上述三个问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种全自动导航式无人驾驶电动汽 车，首先，引入信号采集器、光电传感器和方向电机控制器提高电动汽车 的无人驾驶效率，其次，引入无线接收设备和GPS收发设备完成对电动汽 车附近充电站的导航，再次，引入图像检测设备实现对充电站内充电桩的 识别，最后，采用包括定位器、位移驱动器、机械手和充电头的自动充电 设备完成对无人驾驶电动汽车的自动化充电。

根据本发明的一方面，提供了一种全自动导航式无人驾驶电动汽车， 所述电动汽车包括自动导航系统、自动充电系统和自动驱车系统，所述自 动驱车系统用于实现对电动汽车的无人驾驶，所述自动导航系统用于实现 对电动汽车附近充电桩的自动定位，所述自动充电系统用于在电动汽车无 人驾驶到附近充电桩后，实现对电动汽车的自动充电，采用AVR32芯片实 现对自动导航系统、自动充电系统和自动驱车系统的同时控制操作。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中，包括：齿轮齿 条转向器，设置在电动汽车的驱动车轮上方，用于将转向驱动电机与电动 汽车的驱动车轮连接；光源设备，设置在电动汽车的底盘，由多个高亮白 光LED组成，多个高亮白光LED组成矩形LED矩阵且等间距排列，对电 动汽车车下道路进行照明；光电传感器，设置在电动汽车的底盘，由80 个光敏电阻组成，80个光敏电阻组成矩形光敏电阻矩阵且等间距排列，每 一个光敏电阻组成一个光电检测通道，用于检测电动汽车车下道路反射光 源设备照明光的反射光强度，其中，对于每一个光电检测通道，其正下方 的道路有无引导轨迹，反射光强度不同，其检测出的光电检测电压也不同； 信号采集器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与光电传感器连接，用于 采样并输出每一个光电检测通道输出的光电检测电压，信号采集器的采样 频率为1毫秒；运算放大器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与信号采 集器连接，用于将每一个光电检测通道的光电检测电压进行放大；8位模 数转换器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与运算放大器连接，用于将 放大后的每一个光电检测电压转换为数字信号，以获得对应的数字通道电 压；方向电机控制器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与AVR32芯片连 接，用于基于电动汽车的横向偏差或驱动方向计算电动汽车的转向齿轮转 角；转向电机驱动器，设置在电动汽车的驱动车轮上方，与方向电机控制 器连接，用于基于电动汽车的转向齿轮转角确定电机驱动控制信号；转向 驱动电机，设置在电动汽车的驱动车轮上方，与转向电机驱动器和电动汽 车的驱动车轮分别连接，用于基于电机驱动控制信号控制驱动车轮的转向 角度；AVR32芯片，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与8位模数转换器 连接，接收每一个光电检测通道的数字通道电压，将每一个光电检测通道 的数字通道电压与预设数字电压阈值比较，当一个光电检测通道的数字通 道电压大于等于预设数字电压阈值时，将对应光电检测通道的偏差标志设 为1，当一个光电检测通道的数字通道电压小于预设数字电压阈值时，将 对应光电检测通道的偏差标志设为0，基于相邻光电传感器的间距、光电 检测通道的数量和每一个光电检测通道的偏差标志计算电动汽车的横向 偏差，电动汽车的横向偏差用于将电动汽车从偏离引导轨迹状态恢复到位 于引导轨迹正上方状态；无线接收设备，设置在电动汽车的外侧，用于基 于电动汽车的当前GPS位置从远端的充电站管理服务器处接收电动汽车 的当前GPS位置附近各个充电站的占用百分比，还从远端的交通管理服务 器处接收抵达当前GPS位置附近各个充电站所分别对应的各个路段的拥 堵程度；GPS收发设备，用于接收GPS定位卫星实时发送的、电动汽车的 当前GPS位置，还用于接收GPS电子地图中、电动汽车的当前GPS位置 附近各个充电站的GPS位置；电量检测设备，设置在电动汽车的蓄电池上， 用于检测蓄电池的实时剩余电量；行驶控制仪，设置在电动汽车的前端仪 表盘内，与电动汽车的方向电机控制器和速度电机控制器连接，用于接收 位置控制信号，基于位置控制信号确定驱动方向和驱动速度，并将驱动方 向和驱动速度分别发送给方向电机控制器和速度电机控制器；图像检测设 备，用于对电动汽车前方景象进行拍摄以获得前方图像，并对前方图像进 行图像识别以确定前方是否存在充电桩，相应地，发出存在充电桩信号或 不存在充电桩信号；超声波检测设备，设置在电动汽车前部，用于检测电 动汽车前部距离充电桩的实时相差距离；ZIGBEE通信设备，设置在电动 汽车上，用于与充电桩的ZIGBEE通信接口进行握手操作，握手成功则发 出充电桩合格信号，握手失败则发出充电桩不合格信号；自动充电设备， 设置在电动汽车上，包括定位器、位移驱动器、机械手和充电头，定位器、 位移驱动器和充电头都设置在机械手上，定位器用于检测机械手与充电桩 的充电插座之间的相对距离，位移驱动器与定位器连接，用于基于相对距 离驱动机械手前往充电桩的充电插座，机械手用于在抵达充电桩的充电插 座后将充电头插入充电桩的充电插座中；AVR32芯片还与无线接收设备、 电量检测设备、行驶控制仪、GPS收发设备、图像检测设备、超声波检测 设备、ZIGBEE通信设备和自动充电设备分别连接，当实时剩余电量小于 等于第一预设电量阈值时，进入自动导航模式；其中，AVR32芯片在自动 导航模式中，启动无线接收设备、GPS收发设备和图像检测设备，从GPS 收发设备处接收当前GPS位置和附近各个充电站的GPS位置，将当前GPS 位置发送给无线接收设备以获得附近各个充电站的占用百分比以及附近 各个充电站分别对应的各个路段的拥堵程度，基于当前GPS位置和附近各 个充电站的GPS位置确定当前GPS位置到附近各个充电站的GPS位置的 各个充电站GPS距离，基于每一个充电站对应的路段的拥堵程度、拥堵程 度权重、附近每一个充电站的占用百分比、占用百分比权重、附近每一个 充电站的GPS距离和距离权重计算附近每一个充电站的便利程度，拥堵程 度越低，便利程度越高，占用百分比越低，便利程度越高，GPS距离越短， 便利程度越高，选择便利程度最高的附近充电站作为目标充电站；AVR32 芯片还基于当前GPS位置和目标充电站的GPS位置确定位置控制信号， 将位置控制信号发送给行驶控制仪以控制电动汽车前往预存电子地图中 最近充电站，当从图像检测设备处接收到存在充电桩信号时，启动超声波 检测设备和ZIGBEE通信设备，在接收到充电桩合格信号且实时相差距离 小于等于预设距离阈值时，启动自动充电设备以将充电头插入充电桩的充 电插座中，AVR32芯片退出自动导航模式；拥堵程度权重、占用百分比权 重和距离权重均为预设固定数值。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中：图像检测设备 包括CMOS摄像头和目标识别器件。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中：图像检测设备 设置在电动汽车前部。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中：AVR32芯片在 实时剩余电量大于等于第二预设电量阈值，控制自动充电设备的机械手以 将充电头拔离充电桩的充电插座。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中：第二预设电量 阈值大于第一预设电量阈值。

更具体地，在所述全自动导航式无人驾驶电动汽车中，还包括：并行 通信接口，位于图像检测设备和AVR32芯片之间。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的全自动导航式无人驾驶电动汽车的 结构方框图。

附图标记：1自动导航系统；2自动充电系统；3自动驱车系统

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的全自动导航式无人驾驶电动汽车的实施 方案进行详细说明。

当前，无人驾驶电动汽车制造商的研发方向主要在于电动汽车正常行 驶时一些自动功能的实现，但由于发展时间有限，这些自动功能本身不够 完善，例如基于引导轨迹的无人驾驶电动汽车在行驶过程中还是会出现偏 离轨迹的情况，无法面对复杂的路面环境，且结构仍需要改进。

另外，对于一些特定的应用的场景就更缺乏关注，例如，无人驾驶电 动汽车电力不足需要充电时，现有技术中仅仅采用卫星导航设备提供一些 基本的导航服务，包括附近各个充电站的位置和相关路线，但无法为电动 汽车选择最合适的充电站进行充电，更无法自动选择最近的充电桩实现电 动汽车的自动充电。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种全自动导航式无人驾驶电动汽 车，一方面，对基于引导轨迹的无人驾驶电动汽车的驱动控制结构进行优 化，提高控制精度以应对各种复杂的路面环境，另一方面，在GPS导航的 基础上增加了充电站方便程度比较的功能，为无人驾驶电动汽车选择出能 够最快为其提供充电服务的目标充电站，更为关键的是，能够基于图像识 别技术准确定位充电站内最近的充电桩位置，并采用机械控制方式实现对 电动汽车的自动充电，从而完成对无人驾驶电动汽车的整体上的自动化改 造。

图1为根据本发明实施方案示出的全自动导航式无人驾驶电动汽车的 结构方框图，所述电动汽车包括自动导航系统、自动充电系统和自动驱车 系统，所述自动驱车系统用于实现对电动汽车的无人驾驶，所述自动导航 系统用于实现对电动汽车附近充电桩的自动定位，所述自动充电系统用于 在电动汽车无人驾驶到附近充电桩后，实现对电动汽车的自动充电，采用 AVR32芯片实现对自动导航系统、自动充电系统和自动驱车系统的同时控 制操作。

接着，继续对本发明的全自动导航式无人驾驶电动汽车的具体结构进 行进一步的说明。

所述电动汽车包括：齿轮齿条转向器，设置在电动汽车的驱动车轮上 方，用于将转向驱动电机与电动汽车的驱动车轮连接；光源设备，设置在 电动汽车的底盘，由多个高亮白光LED组成，多个高亮白光LED组成矩 形LED矩阵且等间距排列，对电动汽车车下道路进行照明。

所述电动汽车包括：光电传感器，设置在电动汽车的底盘，由80个 光敏电阻组成，80个光敏电阻组成矩形光敏电阻矩阵且等间距排列，每一 个光敏电阻组成一个光电检测通道，用于检测电动汽车车下道路反射光源 设备照明光的反射光强度，其中，对于每一个光电检测通道，其正下方的 道路有无引导轨迹，反射光强度不同，其检测出的光电检测电压也不同； 信号采集器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与光电传感器连接，用于 采样并输出每一个光电检测通道输出的光电检测电压，信号采集器的采样 频率为1毫秒。

所述电动汽车包括：运算放大器，设置在电动汽车的前端仪表盘内， 与信号采集器连接，用于将每一个光电检测通道的光电检测电压进行放 大；8位模数转换器，设置在电动汽车的前端仪表盘内，与运算放大器连 接，用于将放大后的每一个光电检测电压转换为数字信号，以获得对应的 数字通道电压。

所述电动汽车包括：方向电机控制器，设置在电动汽车的前端仪表盘 内，与AVR32芯片连接，用于基于电动汽车的横向偏差或驱动方向计算电 动汽车的转向齿轮转角；转向电机驱动器，设置在电动汽车的驱动车轮上 方，与方向电机控制器连接，用于基于电动汽车的转向齿轮转角确定电机 驱动控制信号；转向驱动电机，设置在电动汽车的驱动车轮上方，与转向 电机驱动器和电动汽车的驱动车轮分别连接，用于基于电机驱动控制信号 控制驱动车轮的转向角度。

所述电动汽车包括：AVR32芯片，设置在电动汽车的前端仪表盘内， 与8位模数转换器连接，接收每一个光电检测通道的数字通道电压，将每 一个光电检测通道的数字通道电压与预设数字电压阈值比较，当一个光电 检测通道的数字通道电压大于等于预设数字电压阈值时，将对应光电检测 通道的偏差标志设为1，当一个光电检测通道的数字通道电压小于预设数 字电压阈值时，将对应光电检测通道的偏差标志设为0，基于相邻光电传 感器的间距、光电检测通道的数量和每一个光电检测通道的偏差标志计算 电动汽车的横向偏差，电动汽车的横向偏差用于将电动汽车从偏离引导轨 迹状态恢复到位于引导轨迹正上方状态。

所述电动汽车包括：无线接收设备，设置在电动汽车的外侧，用于基 于电动汽车的当前GPS位置从远端的充电站管理服务器处接收电动汽车 的当前GPS位置附近各个充电站的占用百分比，还从远端的交通管理服务 器处接收抵达当前GPS位置附近各个充电站所分别对应的各个路段的拥 堵程度。

所述电动汽车包括：GPS收发设备，用于接收GPS定位卫星实时发送 的、电动汽车的当前GPS位置，还用于接收GPS电子地图中、电动汽车 的当前GPS位置附近各个充电站的GPS位置。

所述电动汽车包括：电量检测设备，设置在电动汽车的蓄电池上，用 于检测蓄电池的实时剩余电量；行驶控制仪，设置在电动汽车的前端仪表 盘内，与电动汽车的方向电机控制器和速度电机控制器连接，用于接收位 置控制信号，基于位置控制信号确定驱动方向和驱动速度，并将驱动方向 和驱动速度分别发送给方向电机控制器和速度电机控制器。

所述电动汽车包括：图像检测设备，用于对电动汽车前方景象进行拍 摄以获得前方图像，并对前方图像进行图像识别以确定前方是否存在充电 桩，相应地，发出存在充电桩信号或不存在充电桩信号；超声波检测设备， 设置在电动汽车前部，用于检测电动汽车前部距离充电桩的实时相差距 离。

所述电动汽车包括：ZIGBEE通信设备，设置在电动汽车上，用于与 充电桩的ZIGBEE通信接口进行握手操作，握手成功则发出充电桩合格信 号，握手失败则发出充电桩不合格信号。

所述电动汽车包括：自动充电设备，设置在电动汽车上，包括定位器、 位移驱动器、机械手和充电头，定位器、位移驱动器和充电头都设置在机 械手上，定位器用于检测机械手与充电桩的充电插座之间的相对距离，位 移驱动器与定位器连接，用于基于相对距离驱动机械手前往充电桩的充电 插座，机械手用于在抵达充电桩的充电插座后将充电头插入充电桩的充电 插座中。

其中，AVR32芯片还与无线接收设备、电量检测设备、行驶控制仪、 GPS收发设备、图像检测设备、超声波检测设备、ZIGBEE通信设备和自 动充电设备分别连接，当实时剩余电量小于等于第一预设电量阈值时，进 入自动导航模式。

其中，AVR32芯片在自动导航模式中，启动无线接收设备、GPS收发 设备和图像检测设备，从GPS收发设备处接收当前GPS位置和附近各个 充电站的GPS位置，将当前GPS位置发送给无线接收设备以获得附近各 个充电站的占用百分比以及附近各个充电站分别对应的各个路段的拥堵 程度，基于当前GPS位置和附近各个充电站的GPS位置确定当前GPS位 置到附近各个充电站的GPS位置的各个充电站GPS距离，基于每一个充 电站对应的路段的拥堵程度、拥堵程度权重、附近每一个充电站的占用百 分比、占用百分比权重、附近每一个充电站的GPS距离和距离权重计算附 近每一个充电站的便利程度，拥堵程度越低，便利程度越高，占用百分比 越低，便利程度越高，GPS距离越短，便利程度越高，选择便利程度最高 的附近充电站作为目标充电站。

其中，AVR32芯片还基于当前GPS位置和目标充电站的GPS位置确 定位置控制信号，将位置控制信号发送给行驶控制仪以控制电动汽车前往 预存电子地图中最近充电站，当从图像检测设备处接收到存在充电桩信号 时，启动超声波检测设备和ZIGBEE通信设备，在接收到充电桩合格信号 且实时相差距离小于等于预设距离阈值时，启动自动充电设备以将充电头 插入充电桩的充电插座中，AVR32芯片退出自动导航模式；拥堵程度权重、 占用百分比权重和距离权重均为预设固定数值。

可选地，在所述电动汽车中：图像检测设备包括CMOS摄像头和目标 识别器件；图像检测设备设置在电动汽车前部；AVR32芯片在实时剩余电 量大于等于第二预设电量阈值，控制自动充电设备的机械手以将充电头拔 离充电桩的充电插座；第二预设电量阈值大于第一预设电量阈值；所述电 动汽车还可以包括：并行通信接口，位于图像检测设备和AVR32芯片之间。

另外，电动汽车的组成包括：电力驱动及控制系统、驱动力传动等机 械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的 核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动 电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本 与内燃机汽车相同。

电动汽车的电源为电动汽车的驱动电动机提供电能。电动汽机将电源 的电能转化为机械能。应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电汽车技 术的发展，铅酸蓄电池由于能量低，充电速度慢，寿命短，逐渐被其他蓄 电池所取代。正在发展的电源主要有钠硫电池、镍镉电池、锂电池、燃料 电池等，这些新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。

电动汽车的驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传 动装置或直接驱动车轮和工作装置。但直流电动机由于存在换向火花，功 率小、效率低，维护保养工作量大；随着电机控制技术的发展，势必逐渐 被直流无刷电动机(BLDCM)、开关磁阻电动机(SRM)和交流异步电 动机所取代，如无外壳盘式轴向磁场直流串励电动机。

采用本发明的全自动导航式无人驾驶电动汽车，针对现有技术无人驾 驶电动汽车行驶效率低下且无法自动充电的技术问题，一方面，对电动汽 车的驱动机构和道路参数检测设备进行改造，提高电动汽车的行驶控制精 度，另一方面，引入了多个高精度导航设备、检测设备和机械化设备，从 而在电量不足的情况下能够实现对无人驾驶电动汽车的全自动充电。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施 例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离 本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术 方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的 范围内。