[发明专利]一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，它适用于利用直流变换装置进行实时能量管理的控制方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

在国防、医疗、工业、海洋探测、航空航天、交通等诸多方面，移动机器人显示出越来越广阔的应用前景，它已经引起了世界各国的极大关注。随着世界人口的增长，社会发展对能源的需求也不断增加。世界能源的短缺问题，机器人的能源消耗及其能量管理成为机器人应用领域亟待解决的问题之一。

一般地，机器人的能量控制算法常使用DC/DC电压控制，其原理如下：当机器人电机的输出功率小于P_max时，DC-DC变换器输出始终恒定在某一预设电压U0；当DC-DC变换器输出功率达到对应于蓄电池最大功率点时，DC-DC变换器输出电压和电流成反比关系，输出功率保持恒定；当功率需求继续增加，由于DC-DC变换器的电流I_max限制，输出功率下降快速。该方法控制简单，能量在电机和蓄电池之间进行自动分配，母线恒定值限制了蓄电池的过放。此方法也包含很大的缺陷在其中：动态响应时，只控制母线电压无法精确控制各部件的能量分配；由于缺乏对蓄电池内压、内阻和SOC(state of charge：电荷容量)实时准确估计，只依靠母线电压一个量无法做到对蓄电池功率的精确控制，蓄电池在实际运行中经常会出现过放现象，对蓄电池使用寿命造成影响。另外，目前机器人的使用中还存在以下的问题：一是机器人的频繁启制动中，短短的几秒钟内完成启动与制动，需要很大的功率，而蓄电池不能提供这样大的瞬时功率，而且频繁地启动对蓄电池的寿命而言也是很大的威胁；二是机器人频繁的制动过程中，制动反馈的再生能量只能通过能耗电阻消耗掉，没有达到能源的再生利用，电阻发热消耗再生能量既浪费了能源又增加了整个机器人的热污染。

因此，在机器人的动力系统中需要在蓄电池的基础上加入超级电容器，新的机器人整机能量控制方法需要解决蓄电池、电机和超级电容器三者之间的能量明确分配的问题，而本发明提出的直流变换器电流控制可以很好的解决这个问题。

发明内容

为了实现机器人内部各个模块之间实时通讯，本发明的目的在于针对移动式机器人，结合能量回馈，采用工业标准的CAN总线连接各个工作模块，给出一种基于电流控制的能量控制方法，以实现各模块之间的实时通讯。

本发明的能量控制方法原理如下：直流电机、蓄电池和超级电容器三个能量单元，并联在同一母线上，其中，蓄电池包括镍氢电池和锂离子电池。因此，只要确定了三个之中的两个能量单元输入输出功率，那么整个动力系统能量流动就会确定。直流电机功率反映机器人作业要求，可以根据机器人运动速度与电机转速通过标定MAP图得出；母线直接接在蓄电池两端口上，其电压直接反映了蓄电池内部电压大小，因为蓄电池输出功率由蓄电池的放电电流决定；超级电容器的输入、输出功率由超级电容器的充、放电电流决定。综上，可以考虑在蓄电池和直流电机之间并联一个直流电力变换装置(双向DC/DC变换器)，由它来控制母线上蓄电池侧输出电压或电流大小。

电机功率P_motor、双向直流变换器DC/DC功率P_DC/DC和蓄电池功率P_bat之间供求关系如下：

P_motor＝P_DC/DC+P_bat

其中电机功率P_motor可通过查表方法确定，只有确定P_DC/DC量值，那么根据此关系式，即可确定蓄电池输入输出功率P_bat，同时由于这三者并联于母线上，电压相等，则功率关系可以转换为电流供求关系：

I_motor＝I_DC/DC+I_bat

因此，本方法的核心是确定双向DC/DC的输出电流I_DC/DC目标值，即可确定整个机器人动力系统的功率分配问题。也就是说，本发明能让整机控制器在限定的采样间隔(50ms)内，根据CAN总线传递的各部件状态信号，求解出明确的能量控制数值，并最终发送给执行部件DC/DC变换器实现能量控制。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种基于电流控制的移动式机器人能量控制方法，其硬件主要包括直流电机、超级电容器、镍氢电池、锂离子电池和双向DC/DC直流变换器，它们并联于母线之上，完成功率供求转换关系，从而满足移动式机器人作业需求，其特征在于，该方法包括以下步骤：