CN113110630A - 一种换电机器人举升系统节能性集成参数优化方法 - 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，保证机器人举升系统的举升控制精度和节能效果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系统节能性集成参数优化方法，对电动汽车换电机器人电池举升系统进行参数初步匹配，并设计相应的控制器，以举升系统角位移稳态误差和能耗为目标，建立举升系统结构及控制参数集成优化模型，采用多目标优化算法进行优化求解。

Description

一种换电机器人举升系统节能性集成参数优化方法

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节能优化设计。

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尽可能地提升换电机器人续航能力，对换电机器人进行节能优化设计就显得尤为重要。

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，保证机器人举升系统的举升控制精度和节能效果在满足设计要求的情况下达到最优，具体过程如图1所示。

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系统节能性集成参数优化方法，其特征在于：

对电动汽车换电机器人举升系统结构进行参数初步匹配，设计相应的控制器，以举升系统能耗和角位移稳态误差为目标，建立举升系统尺寸结构及控制参数集成优化模型，采用多目标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系统能耗模型和角位移稳态误差模型为：

优选地，举升系统结构及控制参数集成优化模型为：

(1)决策变量

优化变量为举升系统中齿轮的减速比i，丝杆导程P_h、连杆AB段长度l₁、连杆BC段长度l₂、曲柄OB长度l₃,控制器中滑模控制参数ε、λ和k，优化变量用X表示如下：

X＝[i,P_h,l₁,l₂,l₃,ε,λ,k]

(2)目标函数

换电池机器人向电动汽车更换动力电池时，在满足其举升系统控制精度的同时保证换电机器人续航能力，以保证电池能够准确固定在电动汽车底盘并尽可能减少换电机器人的能量消耗、提升其续航里程。因此，选择换电机器人举升系统举升电池过程中的能耗以及稳态误差作为目标函数。

1)举升系统能耗E

举升系统能耗E即换电机器人举升系统举升电池过程中的能耗；

2)稳态误差e_ss

角位移稳态误差e_ss即系统达到稳定时系统期望输出与实际输出之间的差值；

(3)约束条件

齿轮减速比满足以下约束条件：

滚珠丝杆推荐的导程范围为：

5≤P_h≤12,P_h∈{5,6,8,10,12}

连杆AB段、BC段以及OB段的长度范围(单位：mm)为：

90≤l₁≤130

180≤l₂≤220

140≤l₃≤170

模控制中的控制参数ε、λ和k需要满足一定的范围：

0.1≤ε≤6

4000≤λ≤16000

0.1≤k≤5

为了保证举升系统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：

系统上升时间t_r需要满足一定的范围：

t_r≤10

综上，面向节能的换电机器人举升系统结构及控制参数集成优化模型为：

minf(i,P_h,l₁,l₂,l₃,ε,λ,k)＝min(E,e_ss)

优选地，换电机器人举升系统结构及控制参数集成优化方法，其特征在于：使用多目标优化算法进行求解，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集成优化基本框架

图2举升机构简化图

图3四组参数下举升伺服电机功率图

图4四组参数下角位移误差对比图

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：

在对换电机器人举升系统参数进行初步匹配时，首先，根据举升电池需要的举升力进行电机的选型；然后，根据举升时间进行齿轮和丝杠的参数设计；最后，根据举升高度及强度要求进行连杆的参数设计。

换电机器人举升系统需要举升的电动汽车动力锂电池包质量为80kg，初步选用一款400W的永磁交流伺服电机。根据举升时间、电机转速以及负载质量，初步选用公称直径为12mm导程为10mm的丝杠，齿轮减速比定为1.2:1。另外，根据设计举升高度h≥220，将连杆l₁、l₂、l₃尺寸分别定为110mm、180mm、130mm。

不考虑伺服电机、联轴器、丝杠、滑块、连杆等机械部件的弹性变形，换电机器人举升系统的状态方程可以表示为：

其中，J_e为举升系统各部分等效到电机轴的转动惯量，B_v表示为等效阻尼系数，

为伺服电机轴的角加速度，

为伺服电机轴的角速度，T_L为负载转矩，u(t)为伺服电机控制转矩。

该举升机构为单自由度系统，选择伺服电机输出角位移量θ_m为广义坐标，伺服电机的负载扭矩T_L为系统中的广义力，忽略摩擦力损耗，根据拉格朗日方程建立举升机构系统不含电机部分的动力学方程为：

L＝T-V

式中，L是朗格朗日函数，T为系统动能，V为势函数。

图2中，齿轮1、齿轮2、联轴器、丝杆和滑块均只具有动能，势能不做功。因此，系统中动能可以表示为：

以O点为重力势零势位，系统中势函数V为：

通过以上分析可得，负载力矩T_L为：

式中，m_i为举升机构中各组成部分的质量，v_i为举升机构中各组成部分的质心速度，J_i为举升机构中各组成部分的转动惯量，y_i为举升机构中各组成部分的质心y坐标，g为重力加速度。

因此，可得到伺服电机轴的角加速度：

将角位移稳态误差作为评价电机角位移响应性能优劣的指标，稳态误差表达式为：

其中，e_ss为伺服电机角位移稳态误差；θ_i为第i个采样时刻的伺服电机角位移值；θ_ri为i个采样时刻点的期望的伺服电机角位移值；n为采样时刻点的总数量。

建立换电机器人举升系统的功率流方程如下所示：

其中，P_m-out为举升伺服电机的输出功率；P_loss为电机的损耗功率，η为伺服电机效率

伺服电机输出功率为：

由此，可得到换电机器人举升系统举升电池过程的能耗为：

主要思想是建立以举升系统能耗和角位移稳态误差为目标的优化模型，并利用多目标优化算法进行求解以获得举升能耗和角位移稳态误差最优的结构和控制参数组合。

采用多目标量子粒子群算法进行举升系统多目标集成优化模型求解时，用波函数来描述粒子的搜索状态。在每一次迭代过程中，采用量子粒子群算法的粒子位置更新方式进行变量的迭代和寻优，调用Simulink仿真模型，将结构参数和控制参数带入角位移响应仿真模型，通过仿真得到伺服电机的角位移和角速度，再计算举升过程能耗及角位移稳态误差，从而完成一次迭代过程。

基于换电机器人举升系统初步匹配参数进行对比优化，共设四组参数进行对比：

第一组：初步匹配的结构参数和控制参数；

第二组：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；

第三组：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；

第四组：同时针对结构参数和控制参数进行集成优化。

通过多目标量子粒子群算法集成优化，上述四组对照组的结构参数及控制参数如表1所示，其电机功率对比图如图3所示，角位移误差对比图如图4所示。

表1四组对照组的结构参数及控制参数

由表1可以看出，单独优化控制参数时，能够降低角位移稳态误差并且小幅度降低举升系统的能耗；单独优化换电机器人举升系统结构参数时，能够比较显著的降低举升系统的能耗和角位移稳态误差，能耗的优化效果好于单独优化举升系统的控制参数，说明能耗更多的受举升系统结构参数的影响；通过集成优化换电机器人举升系统结构和控制参数时，能够在降低角位移稳态误差的同时，大幅度降低举升系统能耗，结构和控制参数集成优化相比于单独优化结构参数和控制参数，能够在保证机器人举升系统的动力学性能的前提下，使举升系统能耗最低。

Claims (2)

1.一种换电机器人举升系统节能性集成参数优化方法，其特征在于：

对电动汽车换电机器人举升系统结构进行参数初步匹配，设计相应的控制器，以举升系统能耗和角位移稳态误差为目标，建立举升系统结构及控制参数集成优化模型，采用多目标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系统节能性集成参数优化方法，其特征在于：举升系统结构及控制参数集成优化模型为：

(1)决策变量

换电机器人举升系统优化变量为举升系统中齿轮的减速比i，丝杆导程P_h、连杆AB段长度l₁、连杆BC段长度l₂、曲柄OB长度l₃,伺服控制器中滑模控制参数ε、λ和k，优化变量用X表示如下：

X＝[i,P_h,l₁,l₂,l₃,ε,λ,k]

(2)目标函数

1)举升系统能耗E

举升系统能耗E即换电机器人举升系统举升电池过程中的能耗；

其中P_m-in为举升伺服电机的输入功率，P_m-out为举升伺服电机的输出功率，η为伺服电机效率。

2)角位移稳态误差e_ss

角位移稳态误差e_ss即系统达到稳定时系统期望输出与实际输出之间的差值；

其中e_ss为伺服电机角位移稳态误差，θ_i为第i个采样时刻的伺服电机角位移，θ_ri为第i个采样时刻点的期望的伺服电机角位移值，n为采样时刻点的总数量。

3)约束条件

齿轮减速比满足以下约束条件：

滚珠丝杆推荐的导程范围为：

P_h∈{5,6,8,10,12}

连杆AB段、BC段以及OB段的长度范围(单位：mm)为：

90≤l₁≤130

180≤l₂≤220

140≤l₃≤170

模控制中的控制参数ε、λ和k需要满足一定的范围：

0.1≤ε≤6

4000≤λ≤16000

0.1≤k≤5

为了保证举升系统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：

β为连杆AB和连杆BC之间的夹角；

系统上升时间t_r需要满足一定的范围：

t_r≤10。

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