CN111702782A - 一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明的主要目的是在综合考虑换电机器人机械结构参数与控制系统参数，保证机器人举升机构的动力学性能在满足设计要求的情况下达到最优，即公开了一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，对电动汽车换电机器人电池举升装置进行运动分析，建立运动学模型和动力学模型，并设计相应的控制器，以举升机构动力学性能为目标，建立举升机构尺寸及控制参数协同优化模型，采用优化算法进行优化求解。

Description

一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及电动汽车换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化。

背景技术

在全球石油储量有限的条件下，石油紧缺也会限制传统燃油汽车的发展。电动汽车作为汽车产业转型升级的重要方向，得到了世界各国的高度重视。为了在现有技术基础上解决电动汽车大面积推广面临的瓶颈，电动汽车换电运营模式应运而生。为了保证重量较重的电池包能够快速精确举升到特定位置且电池快换插头不受较大冲击，换电机器人的动力学性能要求苛刻，合理设计换电机器人的举升机构尺寸参数及控制参数尤为重要。

发明内容

本发明的主要目的是在综合考虑换电机器人机械结构参数与控制系统参数，保证机器人举升机构的动力学性能在满足设计要求的情况下达到最优。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，即一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：

对电动汽车换电机器人电池举升装置进行运动分析，建立运动学模型和动力学模型，推导举升机构动力学性能的控制律并设计相应的控制器，以举升机构动力学性能为目标，建立举升机构尺寸及控制参数协同优化模型，采用优化算法进行优化求解。

优选地，电动汽车换电机器人电池举升装置运动学模型和动力学模型以及举升机构动力学性能的控制器为：

将举升机构简化，如图2所示，θ₀为举升机构处于初始状态时曲柄的位置，A₀为举升机构处于初始状态时滑块中心点A的位置，β₀为连杆AB段与BC段的固定夹角。电机M通过平行轴齿轮将力矩传递到丝杆，齿轮1的齿数为Z₁，角位移为θ₁，齿轮2的齿数为Z₂，角位移为θ₂，齿轮1、齿轮2的中心距为d，电池托盘及电池等效载荷距离节点C的距离为h。

举升机构的运动学关系为：

式中，S为丝杆导程，P为丝杆螺距，χ为丝杆线数；

整个举升系统的动力学方程为：

式中，J_e为电机转子等效转动惯量，B_v表示为黏滞摩擦系数，T_m为电机输出转矩。

根据电池举升高度期望值解算举升电机期望角位移，通过模糊 PID控制器对举升机构进行控制。

优选的，举升机构尺寸及控制参数协同优化模型为：

(1)决策变量

优化变量为齿轮1的齿数Z₁、齿轮2的齿数Z₂、丝杆导程P、连杆AB段长度l₁、连杆BC段长度l₂、曲柄OB长度l₃，控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd，控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数 K_d，优化变量用X表示如下：

X＝[Z₁，P，l₁，l₂，l₃，K_kp，K_ki，K_kd，K_p，K_i，K_d]

(2)目标函数

换电池机器人向电动汽车更换动力电池时，需要保证电池举升高度准确并且举升过程迅速，以保证电池能够准确固定在电动汽车底盘并尽可能减少车辆在更换电池时的等待时间。因此，选择换电池机器人举升机构系统的阶跃响应特性中的上升时间及稳态误差作为其动力学性能指标，如图3所示。

1)上升时间t_r

上升时间t_r即举升系统的阶跃响应曲线首次达到目标值所需的时间；

2)稳态误差δ

稳态误差δ即系统达到稳定时系统期望输出与实际输出之间的差值；

上升时间及稳态误差的数值无直接的数学表达，在优化过程中通过举升机构控制器的阶跃响应仿真曲线得到；

(3)约束条件

考虑到举升机构伺服电机的安装布置空间有限且为了尽可能避免改变该伺服电机的安装位置，齿轮1和齿轮2的中心距设置为固定值d，且齿轮1的齿数应小于齿轮2的齿数，以达到减速增扭的效果。齿轮1和齿轮2的齿数满足以下约束条件：

Z₁＜Z₂

滚珠丝杆推荐的导程范围(单位：mm)为：

5≤P≤12，P∈{5，6，8，10，12}

连杆AB段、BC段以及OB段的长度范围(单位：mm)为：

70≤l₁≤110

140≤l₂≤180

100≤l₃≤140

为了保证举升机构的举升高度达到要求，当连杆AB竖直时，连杆AB段和BC段的长度应满足一定的约束条件：

控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd的范围为：

控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d的范围为：

0≤K_p≤400

0≤K_i≤4

0≤K_d≤25

综上，面向电池举升动力学性能的换电池机器人结构参数与控制参数协同优化模型为：

minf(Z₁，P，l₁，l₂，l₃，K_kp，K_ki，K_kd，K_p，K_i，K_d)＝min(t_r，δ)

s.t.

优选地，换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：使用优化算法进行优化求解，包括但不限于进化算法，采用优化后的加工参数进行加工。

附图说明

图1协同优化基本框架

图2举升机构简化图

图3举升机构系统动力学性能指标示意图

图4四组参数下动力学性能对比

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

本实施例以重庆某电动车换电科技有限公司全自动换电机器人为研究对象：

图2中，齿轮1、齿轮2、丝杆和滑块均只具有动能，势力不做功。系统中动能T表示为：

v_j(j＝1，2，...，8)为举升机构各组成部分质心的速度，以O点为重力势零势位，系统中势函数V为：

式中，g为重力加速度。

电机负载扭矩T_L为系统中的广义力。该举升机构为单自由度系统，选择伺服电机输出角位移量θ₁为广义坐标，则举升机构系统(不含电机部分)的动力学方程为：

令J_eq和G_eq满足：

简化为：

电机系统状态方程式为：

式中，J_e为电机转子等效转动惯量，B_v表示为黏滞摩擦系数，T_m为电机输出转矩。

整个举升系统的动力学方程为：

在设计举升过程模糊PID控制器时，主要设计思想是通过模糊控制的输出，对PID控制中K_p、K_i、K_d三个控制参数在小范围内进行调整，以提高控制器的灵活性和适应性。

采用模拟退火-量子粒子群混合算法进行举升机构动力学性能优化时，对离散优化变量Z₁和P采用模拟退火算法的相邻解生成规则进行迭代。在离散变量的每一次迭代完成后，采用量子粒子群算法的粒子位置更新方式进行连续性变量l₁、l₂、l₃、K_kp、K_ki、K_kd、K_p、K_i和 K_d的迭代和寻优。在量子粒子群算法迭代部分，采用非劣解集QPSO_Archive存储迭代过程中产生的非劣解，并在量子粒子群算法终止时从中选择一组解作为离散优化变量确定时连续性优化变量的最优解，从而完成一次所有优化变量的迭代。

以原始结构参数和控制参数为基础，进行三组对比优化，共四组对照组：

第一组：原始结构参数和控制参数；

第二组：在第一组的基础上，保持控制参数不变，仅进行结构参数的优化；

第三组：在第一组的基础上，保持结构参数不变，仅进行控制参数的优化；

第四组：同时针对结构参数和控制参数进行协同优化。

通过模拟退火-量子粒子群算法协同优化，上述四组对照组的结构参数及控制参数如表1所示，其动力学性能对比图如图4所示。

表1四组对照组的结构参数及控制参数

从表1可以看出，单独优化换电机器人举升机构的结构参数时，能够提升响应速度并小幅度降低响应误差；单独优化换电机器人举升机构的控制器参数时，能够比较显著的提升响应速度和改善响应误差，优化效果好于单独优化举升机器人结构参数，说明响应速度和响应误差的更多地受举升机构控制参数的影响；通过举升机构结构参数和控制参数的协同优化，相比于单独优化控制参数，能够进一步在一定范围内提高响应速度并降低响应误差，优化效果好于单独优化控制参数和单独优化结构参数。

Claims (3)

1.一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：

对电动汽车换电机器人电池举升装置进行运动分析，建立运动学模型和动力学模型，设计相应的控制器，以举升机构动力学性能为目标，建立举升机构尺寸及控制参数协同优化模型，采用优化算法进行优化求解。

2.根据权利要求1所述的一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：举升机构尺寸及控制参数协同优化模型为：

(1)决策变量

换电机器人举升装置由直流伺服电机、一对齿轮、丝杆螺母机构、曲柄滑块机构组成，分列于电池托盘两侧，其中同侧的两个曲柄滑块机构由一个直流伺服电机驱动。举升系统由直流伺服电机通过一对齿轮带动丝杆旋转，进而驱动滑块沿着导轨作直线运动，使连杆作平面运动；

优化变量为齿轮1的齿数Z₁、齿轮2的齿数Z₂、丝杆导程P、连杆AB段长度l₁、连杆BC段长度l₂、曲柄OB长度l₃，控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd，控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数k_d，优化变量用X表示如下：

X＝[Z₁，P，l₁，l₂，l₃，K_kp，K_ki，K_kd，K_p，K_i，K_d]

(2)目标函数

1)上升时间t_r

上升时间t_r即举升系统的阶跃响应曲线首次达到目标值所需的时间；

2)稳态误差δ

稳态误差δ即系统达到稳定时系统期望输出与实际输出之间的差值；

上升时间及稳态误差的数值无直接的数学表达，在优化过程中通过举升机构控制器的阶跃响应仿真曲线得到；

(3)约束条件

齿轮1和齿轮2的齿数满足以下约束条件：

Z₁＜Z₂

滚珠丝杆推荐的导程范围(单位：mm)为

5≤P≤12，P∈{5，6，8，10，12}

连杆AB段、BC段以及OB段的长度范围(单位：mm)为：

70≤l₁≤110

140≤l₂≤180

100≤l₃≤140

为了保证举升机构的举升高度达到要求，当连杆AB竖直时，连杆AB段和BC段的长度应满足一定的约束条件：

控制器中比例因子K_kp、K_ki、K_kd的范围为：

控制器中的比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d的范围为：

0≤K_p≤400

0≤K_i≤4

0≤K_d≤25

3.根据权利要求1所述的一种换电机器人举升装置结构及控制参数协同优化方法，其特征在于：使用优化算法进行优化求解，包括但不限于进化算法。

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