Введение

С развитием робототехники и автоматизации процессов, задача создания цифровых двойников роботов становится все более актуальной. Цифровой двойник — это виртуальная модель физического объекта, которая позволяет имитировать его поведение в различных условиях, оптимизировать параметры работы и прогнозировать возможные сбои. Одним из ключевых аспектов при проектировании роботов является их энергоэффективность, так как от этого зависит продолжительность автономной работы и общая производительность системы.

Целью данной работы является создание цифрового двойника простейшего робота в Matlab и дальнейшее исследование энергоэффективности данной цифровой модели при движении в различных эксплуатационных циклах. В рамках работы будут рассмотрены методы моделирования, проведены эксперименты по оценке энергопотребления и предложены рекомендации по уточнению цифровой модели робота.

Данная работа призвана расширить и углубить познания в области эксплуатации тяговых ячеек аккумуляторных батарей в составе комплексной системы – робота, оборудованного датчиками и электромоторами, а так же микроконтроллером для управления всеми бортовыми системами.

1 Обзор методов создания цифровых двойников

В современном мире цифровые двойники играют значимую роль в проектировании, оптимизации и управлении сложными техническими системами. Регламентируются цифровые двойники по ГОСТ Р 57700.37 – 2021. Согласно определению из данного стандарта цифровой двойник изделия – система, состоящая из цифровой модели изделия и двухсторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями. Если говорить более широко, цифровые двойники представляют собой виртуальные копии физических объектов, которые позволяют моделировать их поведение в различных условиях, прогнозировать возможные сбои и оптимизировать параметры работы. Они используются в различных отраслях, включая робототехнику, автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность и энергетику. Цифровые двойники позволяют сократить время обслуживания системы путем предварительного анализа цифровой копии с использованием продвинутых систем цифровой диагностики, значительно снизить затраты на тестирование и в целом повысить надежность самых разных систем. В данной работе рассматриваются основные методы создания цифровых двойников, которые могут быть применены для моделирования простейшего робота на основе микроконтроллера Arduino и исследования его энергоэффективности.

Методы создания двойников можно разделить на несколько категорий. Рассмотрим их подробнее:

1.1 Цифро-аналоговые методы

Цифро-аналоговые методы моделирования основаны на создании сочетания физических и цифровых моделей, которые имитируют поведение робота. Эти методы включают в себя использование механических макетов, электрических схем и других физических компонентов для воспроизведения работы части системы. Данные методы полезны для начального этапа проектирования, но имеют ограниченную гибкость и сравнительно низкую точность при экстраполировании данных на полноценную систему. Примеры цифро-аналоговых методов:

1. Создание экспериментальных физических стендов, включающих в себя отдельную часть большой системы, и исследование цифрового двойника данного стенда. Примером такого подхода может служить стенд для исследования системы гидравлического управления транспортным средством.

2. Применение экспериментальных электрических схем для моделирования управления транспортного средства. Пример – создание симулятора управления сложным транспортным средством с использованием реальных систем ввода и вывода в отрыве от самого транспортного средства.

3. Создание частичных прототипов системы с использованием реальных компонентов, и исследование данных прототипов в тех случаях, когда экономическая целесообразность постройки полноценной системы будет обусловлена результатами исследования данного частичного прототипа. Пример – создание транспортной платформы без создания и монтирования устройств, для которых данная платформа предназначена, в целях испытания ходовых свойств.