4 Исследование энергопотребления робота на основе цифрового двойника
На рисунке 20 изображена зависимость перемещения робота от времени при движении по циклу FTP75. На данном графике отчетливо видна изначальная структура цикла, содержащая как периоды резкого ускорения и движения на большой скорости, так и периоды движения на минимальной скорости, близкой к нулю.
Перемещение робота, м
Время, с
Рисунок 20 – Зависимость перемещения робота от времени при движении по циклу FTP75.
На рисунках 21-22 изображена зависимость линейной скорости робота и угловых скоростей колес робота от времени. Данные рисунки полностью повторяют собой внешний вид заданного цикла движения, но отличаются по высоте – максимальной скорости движения, в силу малого размера робота.
Угловая скорость колес,
рад/с
Время, с
Рисунок 21 – Зависимость угловой скорости колес (осей) робота от времени при движении по циклу FTP75
Линейная скорость робота,
м/с
Время, с
Рисунок 22 – Зависимость линейной скорости робота от времени при движении по циклу FTP75
Время, с
Рисунок 23 – Зависимость напряжения на аккумуляторе от времени при движении робота по циклу FTP75
На
рисунке 23 отображена ключевая в данной
работе зависимость – график, отражающий
напряжение на аккумуляторе от времени
движения робота, и демонстрирующий как
падение напряжения при высокой нагрузке
от электромоторов, так и постепенную
разрядку аккумулятора от наличия
постоянного минимального тока,
протекающего в цепи управления от
микроконтроллера. Данный ток был
реализован путем добавления минимальной
скорости движения
,
так как модель в силу особенностей
используемых уравнений не может быть
полностью остановлена, и так же данный
подход не уменьшает точность моделирования,
поскольку энергопотребление в пассивном
режиме микроконтроллера Arduino
Nano и всех используемых
компонентов составляет примерно 15 мА.
5 Анализ полученной цифровой модели робота
Разработанная модель цифрового двойника робота показала высокую точность в предсказании энергопотребления и поведения робота в различных эксплуатационных циклах. Это подтверждает корректность выбранных подходов к моделированию аккумуляторной батареи и кинематики робота.
Анализ энергопотребления робота показал, что наибольшие потери энергии происходят при ускорении и торможении, а также при движении с высокой скоростью. Это указывает на необходимость оптимизации алгоритмов управления для снижения энергопотребления в динамических режимах, в частности, добавление системы плавного пуска электромоторов.
Модель Шеферда, несмотря на свою простоту и удобство, имеет ограничения при моделировании батареи в условиях высоких токов разряда и значительных изменений температуры. Для более точного моделирования в будущих работах рекомендуется использовать более сложные модели, такие как модель Томаса-Ферми (ETFM).
Разработанный цифровой двойник может быть использован для оптимизации конструктивных параметров робота, таких как масса, размеры и тип аккумуляторной батареи, а также для тестирования различных алгоритмов управления перед их реализацией на реальном роботе.
Рекомендации по дальнейшей работе: для повышения точности моделирования следует использовать более сложные модели аккумуляторных батарей, учитывающие температурные эффекты и деградацию батареи со временем. Также, необходимо разработать и протестировать алгоритмы управления, которые минимизируют энергопотребление робота в динамических режимах. В будущих работах можно добавить подсистемы для управления роботом дистанционно, без использования подключения к компьютеру, например, использовав микроконтроллер на базе ESP32 с встроенным модулем Wi-FI подключения. Так же следовало бы добавить систему контроля температуры батареи и дополнительное охлаждение Н-моста.