随着汽车自动化技术的不断普及和大功率充电技术的日益完善,电动汽车的自动充电技术得以迅速发展。目前的自动充电过程主要利用视觉系统来实现对电动汽车充电口位姿的定位,但是该系统布置成本高昂,对雨雾天气适应性不佳。为促进电动汽车自动充电技术的进一步普及,亟需开发一种成本低、精度高并且环境适应性好的位姿定位系统。因此,研究超声测量技术实现低成本、高精度的充电口位姿三维重构和定位具有重要理论意义和工程应用价值。通过对超声声场特性的研究与仿真,得出了超声传感器的选型依据。通过对超声定位技术的研究,提出了以红外信号作为时间基准信号的超声测距方案,设计了“三发三收”超声定位节点的布置形式,并以此为基础建立了位姿定位系统的坐标系,确定了电动汽车充电口的三维坐标和姿态角的解算算法并验证了算法的正确性。通过对姿态解算算法的误差分析,确定了超声定位接收节点的布置形式。设计了收发分体式高精度超声测距模块,并通过逻辑分析仪验证了测距模块的稳定性。研究了实时声速测量模块,消除了温湿度传感器带来的超声声速测量误差。研制了位姿定位系统发射端和接收端的控制电路,实现了系统的稳定工作。编写了位姿超声定位系统关键芯片的控制程序、超声波传播时间测量主程序以及RS232串口通信程序,使系统可以顺利完成位姿定位。开发了基于QT的上位机位姿定位结果显示软件,实现了实验结果的可视化。通过改进的实验数据处理平均值滤波算法,将实验数据滤波的精度提高了16%。在200~1200 mm范围内对超声测距模块进行了轴向和径向直线测距实验,实验结果表明超声测距模块的轴向直线测距精度为±0.30 mm,径向直线测距精度为±0.47 mm。分别在室内环境和不同的室外环境中对位姿定位系统进行了验证实验,结果表明位姿定位系统的三维坐标测量精度可达±1.93 mm,角度测量精度可达±2.85°,达到了设计的预期目标。