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作品简介
近年来#xff0c;电动汽车的发展得到了很多国家和车企的大力支持#xff0c;但其仍然存在充电时间长、充电设施不齐全等问… 本作品介绍参与极术社区的有奖征集|分享研电赛作品扩大影响力更有重磅电子产品免费领取! 参赛单位北京交通大学
作品简介
近年来电动汽车的发展得到了很多国家和车企的大力支持但其仍然存在充电时间长、充电设施不齐全等问题。同时虽然无线充电技术的发展有效地解决了传统式充电面临的接口限制问题但静态无线充电依然无法解决电动汽车续航不足的问题尤其在长途出行过程中如节假日高峰出行等电动汽车的续航不足将会成为制约其发展的主要因素。动态无线充电系统DWCS则可以解决上述问题同时随着自动驾驶技术的不断发展动态无线充电技术与智能驾驶相融合将成为未来的主要应用趋势。
动态无线充电管理的初级能量变换机构采用分段导轨式结构利用零电压自激谐振方案ZVS实现能量的发送副边采用双线圈接收的方案通过采用相互重叠的双接收线圈补偿单线圈在移动中的互感零点并结合切换控制算法从而实现恒功率管理输出设计通过浅冲浅放来有效提升车体电池的续航能力。自动驾驶导航平台在机械结构上采用阿克曼转向结构模拟电动汽车的真实行驶状态通过搭载激光雷达、摄像头、里程计等传感器实现小车的自主导航与规划避障等功能采用Gmapping算法实现自主建图功能在路径规划上采用改进评价函数法来改善局部路径规划效果并结合全局路径规划来提升小车对路段环境的适应力。
本项目实现了上述功能的软硬件设计并搭建小型化实物来验证方案的可行性通过实际的调试本项目能够实现小功率的动态充电管理以及在模拟场景中实现小车的自主建图、路径规划、动态避障等功能。在未来自动驾驶电动汽车逐步盛行的时代动态无线充电技术将在电动汽车远途出行电能补给中扮演着重要角色。
总体方案 其中充电管理层采用动态无线充电技术发射装置采用分段式导轨结构选取ZVS自激方案进行能量的发送接收装置采用双接收线圈的结构并利用恒功率控制电路实现稳定的输出并在升降压模块的变换下为运动控制层和自主导航层提供稳定的电源支持。自主导航层选取树莓派4B搭载ROS系统该部分平台中包含了激光雷达、摄像头、IMU等传感器通过激光雷达获取实时的环境信息采取Gmapping算法建立2D平面图在此基础上利用改进的动态窗口法规划出最优路线通过UART串口通信将数据传输至运动控制层。运动控制层中利用增量式编码器、IMU等实时获取小车的运动状态使用增量式PID控制算法实现速度闭环控制通过PD算法实现转向控制。通过PWM波来实现运动状态的实时调整WiFi模块便于用户的远程访问。
硬件设计 上图为系统的动态无线充电系统结构图系统由三部分组成分别为导轨切换系统、电能变换系统、接收端控制系统。其中导轨切换系统由STM32控制、驱动控制、光电传感器位置识别、继电器切换系统组成。电能变换系统由ZVS电能变换电路组成。接收控制系统由接收整流电路、恒功率控制电路、BOOST电路组成。
系统的工作流程为当小车以一定速度通过导轨时位置传感器识别小车的实时位置并将位置信息返回至切换控制系统中通过继电器打开对应的电能变换系统接收装置将双拾取线圈产生的交流电经过整流电路转化为系统可用的直流电其次通过接收端的控制器检测实时的电路参数并通过输出占空比可变的PWM波来控制接收端的功率恒定输出。
关键技术
1、恒功率充电管理在以下两方面体现其一采用双接收线圈结构引入线圈互感零点实现接收部分前级的稳定输出其二在后级输出端通过控制器采集输出系统中的电压和电流参数从而控制锂电池的充电功率恒定。
2、充电路段自驾驶跟踪与避障技术 在汽车沿充电线路行驶的过程中为提升充电效率要求车体的接收线圈能够与地面线圈实现最大耦合因此本项目在地面铺设轨迹线使得自动驾驶汽车能够通过车载摄像头实现轨迹巡线。
本项目在自主巡线中使用OpenCV开源库其基本原理是通过摄像头采集充电路段图像利用算法实现灰度化、二值化、膨胀、腐蚀操作提取出最终二值化后的道路图像并通过运动控制系统实现动态充电线路自主跟随由于充电线路的特殊性在汽车移动的动态充电过程中车速与行驶方向应尽量减少人工干预降低由于偏移造成的功率不稳定等现象。
同时本项目考虑到在充电的过程中极可能出现路面障碍物因此本设计通过搭载车载激光雷达实现小车在面临前方障碍物时能够自主进行路径规划与动态避障等功能。此外自主路径规划的前提是能够进行实时建图导航本项目采用Gmapping建图算法实现SLAM建图导航。在路径规划算法上通过采用改进评价函数的动态窗口法来实现局部路径规划提升系统在充电路段中对路面环境的适应能力。
系统测试 未来展望
随着人工智能、车联网、无人驾驶技术的快速发展人们可以尝试通过整合这些新技术来提升电动汽车动态无线充电系统的性能。未来将对该项目的功率、效率继续做出优化同时增加本项目的应用场景。
参赛感想
首先想说的是自己的作品能获得华北赛区一等奖实属幸运记得我们前往济南前我和队友说咱们能进决赛就已经很幸运了去济南的目的就是能够拿回属于我们的二等奖顺便去山大转一圈哈哈哈。到了之后在会场看了一圈别人的作品过于震撼以至于装在箱子里的作品不好意思拿出来了。在现场评审的时候发现评委老师对我们的创意很感兴趣顿时感觉有希望信心倍增。最后得知自己能拿一等奖之后更是喜出望外回来还被导师夸了一顿。
其实本科的时候做过很多比赛有了竞赛的经验对于研电赛自然是很感兴趣从开始选题、创意筛选、到最后的系统制作与调试确实花了不少时间期间的创意点也发生过改动有很顺利的地方也有调试无果的时候研电赛不像是本科电赛时间给的很充裕但对于作品的要求上也会更高从生活中找创意从论文中“磨”创新。最后还得感谢老师的无条件支持和两位队友的配合每做一场比赛都会有很多收获。 矫情点讲很难忘也很难得 更多研电赛作品请查看2021年研电赛获奖作品合集
