Новый НИРС / NIRS_Novikov_SM9-91

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.

2

3

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;

0 – максимальное напряжение аккумулятора, В;

0 – внутреннее сопротивление, Ом;

K – поляризационная составляющая, В;

А – экспоненциальная составляющая, В;

В – инверсная экспоненциальная составляющая, Ач−1; 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, %.

4

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.

5

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

6

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.

1.2 Цифровые методы

Цифровые методы создания двойников позволяют создавать точные виртуальные модели, которые могут быть легко изменены и адаптированы под различные условия. В частности, Matlab предоставляет широкий набор инструментов для моделирования динамики самых разных систем, включая

Simulink и Robotics System Toolbox. Эти методы позволяют проводить сложные расчеты и анализировать поведение системы в реальном времени.

Примеры чисто цифровых методов:

1.Моделирование в Matlab с использованием среды Simulink.

2.Применение специализированных библиотек, предназначенных для

создания цифровых двойников, таких как Robotics System Toolbox.

7

3. Использование численных методов для решения дифференциальных уравнений, описывающих движение системы. Примером такого подхода может служить программный комплекс WinTrak.

1.3 Методы на основе машинного обучения

Машинное обучение может быть использовано для создания более сложных моделей, которые учитывают нелинейные зависимости и адаптируются к изменяющимся условиям. Эти методы требуют больших вычислительных ресурсов и данных для обучения, но позволяют создавать модели, способные предсказывать поведение системы в реальных условиях.

Примеры методов на основе машинного обучения:

1.Использование нейронных сетей для управления роботом.

2.Применение методов регрессии для анализа данных.

3.Использование алгоритмов кластеризации для выявления закономерностей в работе системы.

8

2 Разработка робота для исследования энергоэффективности

ячейки тяговой аккумуляторной батареи

Разрабатываемый робот является не только объектом исследования для создания цифрового двойника, но и экспериментальной установкой, которая будет использоваться для более детального изучения энергоэффективности ячейки тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ). Робот будет оснащён необходимыми датчиками и системами управления, что позволит проводить эксперименты по измерению энергопотребления в различных эксплуатационных циклах.

Для проведения исследований ТАБ необходим специализированный лабораторный стенд, который позволит измерять и анализировать ключевые параметры цикла зарядки-разрядки ячейки аккумуляторной батареи, такие как сила тока, напряжение, текущий уровень заряда. В данном проекте используется ранее разработанный лабораторный стенд на основе микроконтроллерной платы Arduino Nano и датчика тока ACS712, которые войдут в состав разрабатываемого робота, что позволит получить все необходимые данные для анализа и моделирования характеристик батарей при различном энергопотреблении во время движения робота.

Перед разработкой робота был создан план, по которому велся дальнейший процесс разработки.

2.1 Определение требований

Для успешного проведения исследований энергоэффективности ячейки ТАБ робот должен соответствовать следующим требованиям:

1. Измерение параметров ячейки ТАБ:

а) Ток: робот должен быть оснащён датчиком тока для измерения силы тока в цепи зарядки и разрядки ТАБ.

б) Напряжение: необходимо измерять напряжение на клеммах ячейки ТАБ с помощью аналоговых входов микроконтроллера.

9

в) Уровень заряда: робот должен иметь возможность отслеживать текущий уровень заряда батареи на основе измерений тока и напряжения.

2. Управление движением:

а) Робот должен быть способен двигаться по заданным траекториям с различными скоростями и ускорениями, чтобы имитировать различные эксплуатационные циклы.

б) Для управления движением робот будет оснащён двумя двигателями постоянного тока с возможностью регулировки скорости и направления вращения.

в) Для контроля положения и скорости робота могут использоваться энкодеры или датчики скорости.

3. Регистрация данных:

а) Робот должен быть способен записывать данные в реальном времени с датчиков тока и напряжения, а также синхронизовать эти данные с системой управления двигателями.

б) Данные должны передаваться на компьютер для дальнейшей обработки и анализа. Для этого будет использоваться последовательный интерфейс

(UART) и программное обеспечение для логирования данных (например,

PuTTY).

4. Энергоснабжение:

а) Робот будет питаться от исследуемой ячейки ТАБ, что позволит напрямую измерять её характеристики в процессе работы.

б) Для зарядки ячейки ТАБ будет использоваться внешний источник постоянного тока с регулируемыми параметрами (например, АКИП-1101).

5. Программное обеспечение:

а) Микроконтроллер робота должен быть запрограммирован для управления двигателями, сбора данных с датчиков и передачи их на компьютер.

б) Программное обеспечение должно включать алгоритмы фильтрации данных для повышения точности измерений.

10