Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ «Специальное машиностроение»

КАФЕДРА СМ9 «Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы»

Научно-исследовательская работа на тему:

Создание цифрового двойника робота и исследование

энергоэффективности его работы в различных

эксплуатационных циклах

Студент ____СМ9-91_____ _________________ _____А. Д. Новиков____

(Группа) (Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Руководитель НИР _________________ _____К. Е. Бяков______

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Ответственный за НИР кафедры СМ9 _________________ _____А. А. Стадухин___

(Подпись, дата) (И.О.Фамилия)

Реферат

Отчет 38 с., 23 рис., 7 источн.

ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК, РОБОТ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ, MATLAB SIMULINK, МОДЕЛЬ ШЕФЕРДА, АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ, КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ, ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ЦИКЛЫ

Объектом исследования является цифровой двойник мобильного робота, оснащенного аккумуляторной батареей, с целью исследования энергоэффективности полученной модели в различных эксплуатационных циклах.

Цель работы: Разработка цифрового двойника робота в среде Matlab Simulink, включающего математическую модель аккумуляторной батареи, кинематическую модель движения и систему управления, для анализа характеристик ячейки тяговой аккумуляторной батареи.

По результатам исследования были построены графики зависимости пройденного пути робота, линейной и угловой скорости его колес, а также напряжения на клеммах батареи в процессе движения робота по эксплуатационному циклу FTP75.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ 2

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Обзор методов создания цифровых двойников 6

1.1 Цифро-аналоговые методы 6

1.2 Цифровые методы 7

1.3 Методы на основе машинного обучения 8

2 Разработка робота для исследования энергоэффективности ячейки тяговой аккумуляторной батареи 9

3 Создание цифрового двойника робота в Matlab Simulink 21

3.1 Математическая модель аккумуляторной батареи (модель Шеферда) 21

3.2 Кинематика робота 23

3.3 Система управления роботом 24

3.4 Реализация модели в Matlab 26

4 Исследование энергопотребления робота на основе цифрового двойника 29

5 Анализ полученной цифровой модели робота 32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 37

Перечень сокращений и обозначений

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;

НРЦ – напряжение разомкнутой цепи;

ТАБ – тяговая аккумуляторная батарея;

ХИТ – химический источник тока;

ЭДС – электродвижущая сила;

Li-Ion – литий-ионная аккумуляторная батарея;

Ni-Cad – никель-кадмиевая аккумуляторная батарея;

Ni-MH – никель-металлгидридная аккумуляторная батарея;

CC – Constant Current – постоянная сила тока;

CV – Constant Voltage – постоянное напряжение;

– сила тока, А;

– напряжение, В;

– максимальное напряжение аккумулятора, В;

– внутреннее сопротивление, Ом;

K – поляризационная составляющая, В;

А – экспоненциальная составляющая, В;

В – инверсная экспоненциальная составляющая, А ;

Q – полная емкость аккумулятора, Ач;

– ток разряда аккумулятора, А;

– максимально допустимое напряжение аккумулятора, В;

– экспоненциальное напряжение аккумулятора, В;

– номинальное напряжение аккумулятора, В;

– номинальная емкость аккумулятора, Ач;

– минимальная емкость аккумулятора, Ач;

– КПД аккумулятора, %.