НИР: Создание цифрового двойника робота и исследование энергоэффективности его работы в различных эксплуатационных циклах

Тема НИР: Создание цифрового двойника робота и исследование энергоэффективности его работы в различных эксплуатационных циклах

Цель работы: Разработка робота для исследования энергоэффективности ячейки тяговой аккумуляторной батареи при движении в различных эксплуатационных циклах вождения, создание цифрового двойника разработанного робота в среде Matlab Simulink и исследование энергоэффективности его работы на основе математического моделирования.

Задачи работы:

- разработать робота на основе микроконтроллерной платы Arduino, оборудованного необходимым набором датчиков для исследования характеристик ячейки тяговой аккумуляторной батареи (ТАБ) при движении в различных эксплуатационных циклах,

- разработать цифровой двойник полученного робота в ПО Matlab Simulink, включающий в себя модель ячейки ТАБ, модель ходовой части, а так же модель, симулирующую различные циклы движения робота.

- провести серию экспериментов по исследованию энергопотребления робота при различных циклах движения,

- провести анализ результатов моделирования и предложить рекомендации по улучшению точности полученной модели.

Отчёт по НИР должен содержать:

1) обзор современных методов создания цифровых двойников роботов,

2) описание разработанного робота для исследования характеристик ячейки ТАБ: определение требований, выбор компонентов, схема их подключения, описание управляющей программы,

3) описание процесса создания цифрового двойника в Matlab Simulink,

4) результаты экспериментов по исследованию энергопотребления робота на основе данных, полученных от цифрового двойника,

5) анализ полученной цифровой модели робота.

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.

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.

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.
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.