[發明專利]一種基于電流控制的移動式機器人能量控制方法

無效

• 申請號: 200910077375.7
• 申請日: 2009-02-19
• 公開（公告）號: CN101474793A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 黃姣英;袁海文;王秋生;崔勇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B25J13/00
• 分類號: B25J13/00;B25J5/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明提供一種基于電流控制的移動式機器人能量控制方法，它適用于利用直流變換裝置進行實時能量管理的控制方法，屬于自動控制技術領域。

背景技術

在國防、醫療、工業、海洋探測、航空航天、交通等諸多方面，移動機器人顯示出越來越廣闊的應用前景，它已經引起了世界各國的極大關注。隨著世界人口的增長，社會發展對能源的需求也不斷增加。世界能源的短缺問題，機器人的能源消耗及其能量管理成為機器人應用領域亟待解決的問題之一。

一般地，機器人的能量控制算法常使用DC/DC電壓控制，其原理如下：當機器人電機的輸出功率小于P_max時，DC-DC變換器輸出始終恒定在某一預設電壓U0；當DC-DC變換器輸出功率達到對應于蓄電池最大功率點時，DC-DC變換器輸出電壓和電流成反比關系，輸出功率保持恒定；當功率需求繼續增加，由于DC-DC變換器的電流I_max限制，輸出功率下降快速。該方法控制簡單，能量在電機和蓄電池之間進行自動分配，母線恒定值限制了蓄電池的過放。此方法也包含很大的缺陷在其中：動態響應時，只控制母線電壓無法精確控制各部件的能量分配；由于缺乏對蓄電池內壓、內阻和SOC(state?of?charge：電荷容量)實時準確估計，只依靠母線電壓一個量無法做到對蓄電池功率的精確控制，蓄電池在實際運行中經常會出現過放現象，對蓄電池使用壽命造成影響。另外，目前機器人的使用中還存在以下的問題：一是機器人的頻繁啟制動中，短短的幾秒鐘內完成啟動與制動，需要很大的功率，而蓄電池不能提供這樣大的瞬時功率，而且頻繁地啟動對蓄電池的壽命而言也是很大的威脅；二是機器人頻繁的制動過程中，制動反饋的再生能量只能通過能耗電阻消耗掉，沒有達到能源的再生利用，電阻發熱消耗再生能量既浪費了能源又增加了整個機器人的熱污染。

因此，在機器人的動力系統中需要在蓄電池的基礎上加入超級電容器，新的機器人整機能量控制方法需要解決蓄電池、電機和超級電容器三者之間的能量明確分配的問題，而本發明提出的直流變換器電流控制可以很好的解決這個問題。

發明內容

為了實現機器人內部各個模塊之間實時通訊，本發明的目的在于針對移動式機器人，結合能量回饋，采用工業標準的CAN總線連接各個工作模塊，給出一種基于電流控制的能量控制方法，以實現各模塊之間的實時通訊。

本發明的能量控制方法原理如下：直流電機、蓄電池和超級電容器三個能量單元，并聯在同一母線上，其中，蓄電池包括鎳氫電池和鋰離子電池。因此，只要確定了三個之中的兩個能量單元輸入輸出功率，那么整個動力系統能量流動就會確定。直流電機功率反映機器人作業要求，可以根據機器人運動速度與電機轉速通過標定MAP圖得出；母線直接接在蓄電池兩端口上，其電壓直接反映了蓄電池內部電壓大小，因為蓄電池輸出功率由蓄電池的放電電流決定；超級電容器的輸入、輸出功率由超級電容器的充、放電電流決定。綜上，可以考慮在蓄電池和直流電機之間并聯一個直流電力變換裝置(雙向DC/DC變換器)，由它來控制母線上蓄電池側輸出電壓或電流大小。

電機功率P_motor、雙向直流變換器DC/DC功率P_DC/DC和蓄電池功率P_bat之間供求關系如下：

P_motor＝P_DC/DC+P_bat

其中電機功率P_motor可通過查表方法確定，只有確定P_DC/DC量值，那么根據此關系式，即可確定蓄電池輸入輸出功率P_bat，同時由于這三者并聯于母線上，電壓相等，則功率關系可以轉換為電流供求關系：

I_motor＝I_DC/DC+I_bat

因此，本方法的核心是確定雙向DC/DC的輸出電流I_DC/DC目標值，即可確定整個機器人動力系統的功率分配問題。也就是說，本發明能讓整機控制器在限定的采樣間隔(50ms)內，根據CAN總線傳遞的各部件狀態信號，求解出明確的能量控制數值，并最終發送給執行部件DC/DC變換器實現能量控制。

本發明的技術方案如下：

本發明提供一種基于電流控制的移動式機器人能量控制方法，其硬件主要包括直流電機、超級電容器、鎳氫電池、鋰離子電池和雙向DC/DC直流變換器，它們并聯于母線之上，完成功率供求轉換關系，從而滿足移動式機器人作業需求，其特征在于，該方法包括以下步驟：