DESPRE ACTIVITĂȚI CU DISIPARE OPTIMĂ DE ENERGIE EFECTUATE DE ROBOȚI
Eduard-Andrei Tănase, Gadiela-Daiana Uță, Mihai Rebenciuc
În această lucrare, propunem o estimare a stării de încărcare (SOC) a bateriilor litiu-ion găsite în roboți pe baza unui model de ordin fracționar pentru a estima mai bine procentajul bateriei. Utilizând algoritmi evolutivi (EA), urmărim să creăm un program care utilizează valorile estimate ale procentajului de baterie pentru a determina cel mai eficient traseu pe care trebuie să-l urmeze robotul. Fiabilitatea sistemului de gestionare a bateriei este direct afectată de acuratețea estimării stării de încărcare (SOC), astfel încât a fost aleasă o abordare care utilizează un filtru Kalman extins (EKF) pentru a facilita precizia dorită a estimării.
Roboții au devenit o direcție de dezvoltare în creștere rapidă pentru majoritatea industriilor, motiv pentru care am decis să ne bazăm lucrarea pe acest subiect. Robotul pe care ne vom concentra este o mașină automată care are 4 roți, dintre care două sunt acționate de motoare de curent continuu, un computer de bord, senzori și, în funcție de scenariul în care este plasat robotul, o cameră de luat vederi.
Astfel, alegerea unui tip de baterie corespunzător pentru cazurile de utilizare ale robotului este un pas crucial în funcționarea adecvată a acestuia. Există 3 tipuri diferite de baterii pe care le-am luat în considerare pentru robotul nostru: baterii litiu-ion (Li-Ion), baterii litiu-polimer (Li-Poly), baterii nichel-hidrură metalică (NiMH). Bateriile NiMH nu sunt o alegere bună, deoarece raportul energie/greutate este sub așteptări în comparație cu celulele pe bază de litiu, iar energia este o prioritate pentru robotul nostru. Bateriile Li-Poly nu au nevoie de o carcasă metalică, astfel încât sunt mult mai ușoare decât celelalte opțiuni și oferă o greutate și un volum mai mici, însă energia specifică este mai slabă și nu este suficientă pentru scopul robotului. Așadar, cea mai bună alegere este bateria Li-Ion, deoarece raportul dintre capacitatea de energie specifică și greutate este mult mai mare decât cel necesar pentru componentele robotului.
Calculul fracționar, așa cum l-a descris Igor Podlubny(1999), este un nume pentru teoria integralelor și derivatelor de ordin arbitrar (numite integrale și derivate fracționare), care unifică și generalizează diferențierea de ordin întreg și integrarea de ordin n. Cu alte cuvinte, derivatele și integralele fracționare pot fi considerate ca o „interpolare” a secvenței infinite de integrale și derivate clasice de ordin n.
Derivatele fracționare sunt un instrument excelent pentru descrierea proprietăților de memorie și ereditare ale diferitelor materiale și procese, în timp ce în modelele de ordinul numerelor întregi aceste efecte sunt neglijate, Mariya K. Ishteva(2005).
Astfel, în cazul unui sistem în care apar incertitudini și zgomote atât de stare, cât și de măsurare, precum este cazul unei baterii, un model de ordin fracționar este cea mai buna alegere pentru a lua în calcul toate posibilitățile.
Utilizând Algoritmi Evolutivi (EA), am creat un program ce determină drumul cel mai scurt ce trebuie parcurs de robot, astfel încât acesta să treacă prin locațiile cerute și să se întoarcă în punctul inițial.
Utilizând un filtru Kalman extins de ordin fracționar, ne propunem să furnizăm o estimare SOC pentru pachetul de baterii care se va găsi în interiorul robotului. Integrând estimarea stării de încărcare in algoritm se obține o a doua versiune a acestuia concepută pentru determinarea drumului ce va fi parcurs de robot menținându-se un consum optim de energie pe durata acestuia.
Algoritmul folosește aceeași structură de bază, dar de data aceasta au fost folosiți vectori. Dacă vectorii ar fi aranjați pe coloane ar deveni o matrice de tipul celei folosite în determinarea celui mai scurt drum. Vectorul se schimbă după fiecare drum, fiind introdus de la tastatură, algoritmul decide care este minimul energetic astfel încât locația aleasă să nu fie una dintre cele ce au fost deja vizitate.
Timpul este o variabilă foarte importantă în estimarea procentajului de baterie, așa că algoritmul afișează pe ecran timpul parcurs de la începutul întregului traseu și până la punctul în care se află.
Pentru îmbunătățirea algoritmului va fi necesară implementarea unui sistem care permite robotului sa transmită procentajul bateriei rămase în fiecare locație în care se oprește și să decidă pe baza citirilor anterioare dacă are suficientă baterie să continue drumul sau dacă va trebui să se întoarcă în punctul inițial pentru încărcare.
