基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动系统及方法与流程

本发明涉及一种移动焊接机器人驱动系统及方法，尤其是涉及一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动系统及方法。

背景技术：

移动焊接机器人在现代造船、石油、机械、化工以及航天等领域应用越来越广泛，如进行大型舰船舱体、甲板、船身的焊接、大型球罐的焊接以及大型石油输送管道的野外对接作业、水下作业等，但是移动焊接机器人普遍采用蓄电池作为其动力或者电缆供电进行驱动，而蓄电池具有功率密度低、单次充电时间长、使用寿命短、体积重量大等缺点，电缆供电受电缆长度及环境影响，这两方面都极大地限制了移动焊接机器人在以上领域的应用。

为了更好地解决移动焊接机器人的动力系统存在是以上问题，使移动焊接机器人更加快速有效和稳定地执行各种任务，需要研究一种比能高、轻便的可移动能源动力，快速响应移动焊接机器人所需功率，从而有效提高移动焊接机器人的焊接精度。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动系统，包括移动焊接机器人本体、驱动控制器和供电电源单元，所述的供电电源单元通过驱动控制器连接焊接机器人本体，所述的供电电源单元包括主电源、辅助电源和能量管理单元，所述的主电源为燃料电池，所述的辅助电源为蓄电池，所述的燃料电池输出端通过Buck型DC/DC变换器连接至驱动控制器，所述的蓄电池并联于Buck型DC/DC变换器输出端，所述的能量管理单元分别连接所述的移动焊接机器人、燃料电池、蓄电池和Buck型DC/DC变换器；

能量管理单元根据移动焊接机器人实时功率以及燃料电池和蓄电池自身情况进行功率分配，确定燃料电池输出电流参考值Iref1以及蓄电池输出电流参考值Iref2，进而得到Buck型DC/DC变换器输出电流给定值Iref＝Iref1+Iref2，从而控制Buck型DC/DC变换器按输出电流为Iref工作，蓄电池按输出电流为Iref2工作。

所述的Buck型DC/DC变换器通过可拓变换器控制其按输出电流为Iref工作。

一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人的驱动方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取移动焊接机器人的实时功率Probot；

(2)对实时功率Probot进行功率分配，确定燃料电池输出功率给定值Pfuelout以及蓄电池输出功率给定值Pbat，Probot＝Pfuelout+Pbattery；

(3)根据燃料电池输出功率给定值Pfuelout和燃料电池输出电压Ufuel确定燃料电池输出电流参考值Iref1；

(4)根据蓄电池输出功率给定值Pbattery、蓄电池SOC以及蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2；

(5)确定Buck型DC/DC变换器输出电流给定值Iref＝Iref1+Iref2；

(6)控制Buck型DC/DC变换器输出电流按Iref大小进行工作，同时蓄电池输出电流按Iref2大小进行工作。

一旦移动焊接机器人减速或制动时，立即启动蓄电池充电。

步骤(2)进行功率分配具体为：

判断燃料电池最大输出功率Pfueloutmax是否小于移动焊接机器人的实时功率Probot，若是，则Pfuelout＝Pfueloutmax，否则，Pfuelout＝Probot，Pbattery＝Probot-Pfuelout。

步骤(4)具体为：

判断蓄电池输出功率给定值Pbattery是否大于0，若是，则蓄电池放电，蓄电池实际放电功率Pout＝Pbattery，Iref2＝Pout/Ubattery，Ubattery为蓄电池端电压，否则根据蓄电池SOC以及蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2，进而调整Iref，具体地：

首先，根据蓄电池实时SOC判定蓄电池充放电状态：若蓄电池实时SOC小于60％，蓄电池充电，若蓄电池实时SOC大于等于60％且小于90％，蓄电池不充电也不放电，若蓄电池实时SOC大于等于90％，蓄电池放电；

然后，在蓄电池充电或放电期间，根据蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2：蓄电池充电时，判断Pfueloutmax-Probot>Pimax是否成立，若是，蓄电池实际充电功率给定值为Pin＝Pimax，否则实际充电功率给定值为Pin＝Probot-Pfueloutmax，Pimax为蓄电池最大充电功率；蓄电池放电时，判断Probot>Poutmax是否成立，若是，蓄电池实际放电功率给定值为Pout＝Poutmax，否则实际放电功率给定值为Pout＝Probot，Poutmax为蓄电池最大放电功率；

最后，当蓄电池充电时Iref2＝Pin/Ubattery，当蓄电池放电时Iref2＝Pout/Ubattery，Ubattery为蓄电池端电压。

Buck型DC/DC变换器通过可拓控制器控制其输出电流按Iref大小进行工作。

所述的可拓控制器构建步骤具体如下：

(a)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，e＝Iref-Idd，ec＝de/dt，其中，Idd为DC/DC变换器的实际输出电流；

(b)设e与ec的特征平面的原点为S0(0,0)，则定义：

其中，eom为经典域的偏差，ecom为经典域的偏差微分，em为可拓域的偏差，ecm为可拓域的偏差微分；

(c)设S(e,ec)为e与ec的特征平面上的任意一点，得到关联函数为：

其中，|SS0|为特征平面的原点S0到可拓域内任意一点S的加权距离，Roy为经典域，k1、k2为加权系数；

(d)得到可拓控制器的控制模型公式为：

其中，t表示对DC/DC变换器的实际输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器在t时刻的输出值，u(t-1)为可拓控制器在t-1时刻的输出值，ε为修正量，KI、KP为适当常数，δ为正小数，uM为大于0的常数。

eom的典型值为0.001，ecom的典型值为0.005，em的典型值为0.5，ecm的典型值为0.1，k1的典型值为0.3，k2的典型值为0.1，KI的典型值为0.026，KP的典型值为6.25，δ的典型值为0.002，uM的典型值为1。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明移动焊接机器人采用燃料电池和蓄电池的混合动力驱动系统，解决了燃料电池不能实现能量的方向流动，无法回收制动能量的问题以及燃料电池工作机理为化学反应，动态响应具有一定的时滞，电堆工况变化剧烈，性能衰退快的问题，通过蓄电池提供瞬时能量并回收制动能量，而且因此需设置可辅助能源以将小容量的蓄电池作为储存能量的环节，与燃料电池组成的混合动力系统驱动移动焊接机器人，可以优势互补并克服两者的不足，更好地满足移动焊接机器人的功率需求，实现燃料电池蓄电池功率合理分配，充分发挥混合动力系统的效能，使移动焊接机器人在各种工况下平稳高效运行而获得更好的性能；

(2)本发明移动焊接机器人驱动系统和驱动方法采用混合动力系统对移动焊接机器人进行驱动控制，对变化剧烈负荷情况的具有更好的动态响应性能，充分发挥混合动力系统的效能，使移动焊接机器人在各种工况下平稳高效运行而获得更好的性能；

(3)本发明驱动控制方法中对燃料电池和蓄电池能量分配时充分考虑蓄电池的荷电状态(SOC)，从而在满足对负载功率快速响应的同时，提高蓄电池寿命；

(4)将可拓控制方法应用到燃料电池混合动力驱动的移动焊接机器人系统中对DC/DC变换器进行控制，控制精度高，响应速度快，鲁棒性强，从而快速响应移动焊接机器人的功率，提高移动焊接机器人的焊接精度。

附图说明

图1为本发明基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动系统结构框图；

图2为本发明基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人的驱动方法的流程框图；

图3为本发明中可拓控制器结构框图；

图4为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人焊缝跟踪轨迹曲线图；

图5为本发明差速驱动的移动焊接机器人结构示意图；

图6为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人焊缝跟踪误差曲线图；

图7为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人焊炬速度曲线图；

图8为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人功率分配曲线图；

图9为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人蓄电池SOC曲线图；

图10为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人氧气氢气消耗速率曲线图；

图11为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人左轮转速曲线图；

图12为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人右轮转速曲线图；

图13为本发明燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人可拓控制DC/DC变换器输出电压电流曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

燃料电池因具有能量转换效率高，清洁环保、无需充电等优点被认为是21世纪最有前途的“绿色能源”，近些年来来受到各国政府的高度重视，列为未来十大科技之首。质子交换膜燃料电池因具有燃烧效率高，能量密度大，完全零排放，能量转化效率高，低温运行，快速启动，稳定性高，易高度模块化等优点在航天、航海、电动机车以及机器人方面有着巨大的市场潜力，成为近年来发展最快的燃料电池。

如图1所示，本发明一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人驱动系统，包括移动焊接机器人本体、驱动控制器和供电电源单元，所述的供电电源单元通过驱动控制器连接焊接机器人本体，所述的供电电源单元包括主电源、辅助电源和能量管理单元，所述的主电源为燃料电池，所述的辅助电源为蓄电池，所述的燃料电池输出端通过Buck型DC/DC变换器连接至驱动控制器，所述的蓄电池并联于Buck型DC/DC变换器输出端，所述的能量管理单元分别连接所述的移动焊接机器人、燃料电池、蓄电池和Buck型DC/DC变换器；能量管理单元根据移动焊接机器人实时功率以及燃料电池和蓄电池自身情况进行功率分配，确定燃料电池输出电流参考值Iref1以及蓄电池输出电流参考值Iref2，进而得到Buck型DC/DC变换器输出电流给定值Iref＝Iref1+Iref2，从而控制Buck型DC/DC变换器按输出电流为Iref工作，蓄电池按输出电流为Iref2工作。所述的Buck型DC/DC变换器通过可拓变换器控制其按输出电流为Iref工作。

如图2所示，一种基于燃料电池混合动力的移动焊接机器人的驱动方法，该方法包括如下步骤：

(1)获取移动焊接机器人的实时功率Probot；

(2)对实时功率Probot进行功率分配，确定燃料电池输出功率给定值Pfuelout以及蓄电池输出功率给定值Pbat，Probot＝Pfuelout+Pbattery；

(3)根据燃料电池输出功率给定值Pfuelout和燃料电池输出电压Ufuel确定燃料电池输出电流参考值Iref1；

(4)根据蓄电池输出功率给定值Pbattery、蓄电池SOC以及蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2；

(5)确定Buck型DC/DC变换器输出电流给定值Iref＝Iref1+Iref2；

(6)控制Buck型DC/DC变换器输出电流按Iref大小进行工作，同时蓄电池输出电流按Iref2大小进行工作。

步骤(2)进行功率分配具体为：

判断燃料电池最大输出功率Pfueloutmax是否小于移动焊接机器人的实时功率Probot，若是，则Pfuelout＝Pfueloutmax，否则，Pfuelout＝Probot，Pbattery＝Probot-Pfuelout。

步骤(4)具体为：

判断蓄电池输出功率给定值Pbattery是否大于0，若是，则蓄电池放电，蓄电池实际放电功率Pout＝Pbattery，Iref2＝Pout/Ubattery，Ubattery为蓄电池端电压，否则根据蓄电池SOC以及蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2，进而调整Iref，具体地：

首先，根据蓄电池实时SOC判定蓄电池充放电状态：若蓄电池实时SOC小于60％，蓄电池充电，若蓄电池实时SOC大于等于60％且小于90％，蓄电池不充电也不放电，若蓄电池实时SOC大于等于90％，蓄电池放电；

然后，在蓄电池充电或放电期间，根据蓄电池最大充放电功率确定蓄电池输出电流参考值Iref2：蓄电池充电时，判断Pfueloutmax-Probot>Pimax是否成立，若是，蓄电池实际充电功率给定值为Pin＝Pimax，否则实际充电功率给定值为Pin＝Probot-Pfueloutmax，Pimax为蓄电池最大充电功率；蓄电池放电时，判断Probot>Poutmax是否成立，若是，蓄电池实际放电功率给定值为Pout＝Poutmax，否则实际放电功率给定值为Pout＝Probot，Poutmax为蓄电池最大放电功率；

最后，当蓄电池充电时Iref2＝Pin/Ubattery，当蓄电池放电时Iref2＝Pout/Ubattery，Ubattery为蓄电池端电压。

Buck型DC/DC变换器通过可拓控制器控制其输出电流按Iref大小进行工作。

所述的可拓控制器构建步骤具体如下：

(a)定义可拓控制器的控制偏差为e，偏差微分为ec，e＝Iref-Idd，ec＝de/dt，其中，Idd为DC/DC变换器的实际输出电流；

(b)设e与ec的特征平面的原点为S0(0,0)，则定义：

其中，eom为经典域的偏差，ecom为经典域的偏差微分，em为可拓域的偏差，ecm为可拓域的偏差微分；

(c)设S(e,ec)为e与ec的特征平面上的任意一点，得到关联函数为：

其中，|SS0|为特征平面的原点S0到可拓域内任意一点S的加权距离，Roy为经典域，k1、k2为加权系数；

(d)得到可拓控制器的控制模型公式为：

其中，t表示对DC/DC变换器的实际输出电流进行采样的采样时刻，u(t)为可拓控制器在t时刻的输出值，u(t-1)为可拓控制器在t-1时刻的输出值，ε为修正量，KI、KP为适当常数，δ为正小数，uM为大于0的常数。

eom的典型值为0.001，ecom的典型值为0.005，em的典型值为0.5，ecm的典型值为0.1，k1的典型值为0.3，k2的典型值为0.1，KI的典型值为0.026，KP的典型值为6.25，δ的典型值为0.002，uM的典型值为1。

图3为燃料电池混合动力驱动的移动焊接机器人DC/DC可拓控制器结构框图，基础层主要完成基本的控制功能。其中，特征量是表征系统运动状态的变量；特征模式是由特征量表示系统运动状态的典型模式；关联度表示当前的特征状态与系统控制目标可拓集合之间的关系；测度模式是根据特征状态关联度划分的模式。上层主要完成对基本控制的优化，保证良好的控制效果，同时反映可拓控制所强调的矛盾转化问题。

移动焊接机器人对焊缝进行跟踪过程中保持稳定的姿态，本实施例采用如图4所示夹角为120°的折线形移动焊接机器人焊缝跟踪轨迹进行跟踪。混合动力系统中，燃料电池功率为500w；蓄电池的荷电状态的设定值为50％，燃料电池和蓄电池具体参数见表1；Buck型DC/DC变换器的电路参数为，L＝0.012H，C＝0.0025F，开关频率为10KHz。设置焊炬期望速度为10mm/s，焊炬与跟踪轨迹初始横向偏差约为0.5mm，本体与跟踪轨迹姿态角初始偏差2°，机器人本体的最大调整角速度ω＝0.02rad/s，采样周期为0.2s，机器人本体转动惯量I＝2.6kg.mm2，系统总质量m＝30kg，电机和传动机构之间的粘性摩擦系数cm＝0.01，驱动轮的转动惯量Id＝0.04kg.mm2；驱动轮半径r＝50mm，焊炬点与机器人本体中轴线的距离为b＝190mm，两驱动轮之间的距离2l＝234mm，驱动轮轴上B点到S点的距离a＝390mm。

表1燃料电池和蓄电池具体参数

如图5所示为差速驱动的移动焊接机器人结构示意图，两后轮分别由两个电机差速驱动，前两轮为辅助轮；两个步进电机分别驱动焊炬的横向和高低方向调节；焊炬安装于机器人本体一侧。AXY、BX1Y1分别为如图5所建立的全局坐标系和移动坐标系。移动焊接机器人本体的质心为C点，焊炬在W点，位于移动焊接机器人本体的S点的为十字滑块。

移动焊接机器人本体和十字滑块的联合调节，两者的协调控制实现焊缝的精确实时跟踪，将滑模变结构控制应用于机器人本体和十字滑块的协调控制中，建立基于动力学模型的机器人本体和十字滑块联合调节焊缝偏差的滑模变结构控制器。单独驱动的两驱动轮进行横向偏差的粗调，十字滑块进行细调，焊炬的横向偏差控制滑块左右移动，消除偏差。当横向滑块的偏差小于设定值时，横向滑块单独进行偏差调节，两驱动轮已设定的线速度保持匀速直行，当横向滑块的偏差大于设定值且移动焊接机器人本体方位角达到一定值时，两驱动轮和横向滑块联合参与偏差调节。十字滑块采用带死区阀值的比例调节策略。避免在微小偏差附近震荡，焊炬的横向偏差小于一定值，滑块不动作，偏差大于一定值，滑块按系统设定的上下限偏差进行调节。

轨迹跟踪初期存在初始偏差，焊炬没有对中焊缝路径中心线，开始焊接之前有自寻迹过程。通过与焊炬固定在一起的激光视觉传感器检测焊炬位置与焊缝路径中心线的轨迹线之间的偏差，然后移动焊接机器人本体和十字滑块的联合调节，使焊炬点的位置输出跟踪焊缝路径中心线，确定移动焊接机器人期望位姿和相应的期望速度，根据移动焊接机器人焊炬点速度，由运动学逆解可以求出相应的两驱动轮的速度以及转矩和十字滑块调节速度，控制左右两驱动轮速度可以控制移动焊接机器人的线速度和角速度，同时可以确定任意时刻的位姿和控制移动焊接机器人的运动轨迹，根据十字滑块调节速度，对跟踪偏差进行细调。将得到左右两驱动轮速度以及转矩作为直流永磁伺服电机的控制参数，两个驱动轮所需要的转矩作为直流永磁伺服电机的输入转矩，两个驱动轮的所需要速度转化为所需要的电压，通过两个模糊PID控制的双向DC/DC来实现。十字滑块调节同样以此来实现。

根据移动焊接机器人实时功率，通过燃料电池功率输出管理策略和蓄电池充放电管理策略实现混合动力系统合理的能量分配。燃料电池功率输出管理策略：燃料电池的功率输出跟随移动焊接机器人的功率变化，并且优先将燃料电池作为第一能量供给单元。蓄电池充放电管理策略：蓄电池通过蓄电池的荷电状态(SOC)对蓄电池的充放电进行管理控制：移动焊接机器人减速或者制动时，蓄电池回收能量进行充电。为保护蓄电池，延长其使用寿命，最大充放电电流5A，并设置必须充电和放电SOC极限值。

燃料电池和蓄电池的输出功率的分配原则如下；

原则1：尽可能禁止燃料电池的输出功率出现大幅度的波动；

原则2：对蓄电池的充放电电流进行控制，避免过充过放；

原则3：应当优先将燃料电池作为满足移动焊接机器人功率需求的能量供给单元，即蓄电池在满足原则2的条件下对于移动焊接机器人功率需求仅起“削峰填谷”的作用或在保证原则1的情况下工作。

图6为燃料电池混合动力驱动移动焊接机器人焊缝跟踪误差曲线图，由图6可知，移动焊接机器人焊缝跟踪误差在开始以及转弯时出现波动并迅速调整，误差小于0.01mm，能够实现实时、高精度跟踪。由图7可知，燃料电池混合动力驱动的移动焊接机器人焊炬速度在开始以及转弯过程中焊炬速度能够迅速调整并在期望焊炬速度0.01m/s保持恒定，实现移动焊接机器人平稳运行。

图8为蓄电池初始SOC为50％时移动焊接机器人折线焊缝轨迹跟踪过程中混合动力系统功率分配情况，由图可知，移动焊接机器人在稳定运行功率为390W，燃料电池以最大功率500W运行，开始启动的0-0.5s，蓄电池迅速响应供电，并在燃料电池达到最大功率后，两者同时工作。在开始启动调整、转弯以及稳定运行过程中，燃料电池以移动焊接机器人的稳态功率需求为依据跟随移动焊接机器人的稳态功率需求变化而变化，蓄电池起到“削峰填谷”的作用，避免燃料电池输出功率出现较大波动，并在启动调整(2.5-7.5s)、转弯(100-102s)回收能量，并且稳定运行过程中对蓄电池进行恒流充电。

图9为移动焊接机器人在对折线焊缝轨迹跟踪过程中混合动力系统蓄电池SOC变化曲线图，蓄电池初SOC为50％，小于设定极限值，需要对蓄电池进行充电，在开始启动调整、转弯以及稳定运行过程中，蓄电池的SOC保持在在理想的范围内变动，在移动焊接机器人功率突变时补偿了瞬时的功率差额。在开始启动调整的0-7.5s内，在0-1.5s，蓄电池放电补偿功率差额，随后并开始对蓄电池进行充电，并在启动调整(2.5-7.5s)、转弯减速(100-102s)或制动过程中，蓄电池回收能量，在其他移动焊接机器人稳定运行时间内，以恒流方式对蓄电池进行充电。

图10为燃料电池氧气氢气消耗速率，与燃料电池功率输出变化情况相对应。

图11与图12分别对应仿真过程中移动焊接机器人左轮转速和右轮转速变化。由图可知，在开始启动调整及转弯过程中，两驱动轮转速根据焊缝跟踪实时状态在0-7.5s迅速调整后两驱动轮转速稳定在1.9r/min，在100-102.5s实现差速转弯后转速也稳定在1.9r/min，移动焊接机器人实现匀速平稳运行。图13为仿真过程中移动焊接机器人可拓控制DC/DC变换器输出电压电流曲线图，输出电压稳定在24v，输出电流跟随移动焊接机器人功率变化，通过控制输出电流控制燃料电池功率输出，实现合理的功率分配。可拓控制提高了输出端电流的响应速度，从而改善燃料电池混合动力系统的动态响应特性；在稳态条件下有效的抑制变换器输出电流的波动，避免了燃料电池功率输出频繁变化的状态；提高了燃料电池对移动焊机机器人功率的跟踪的精度，从而更好地实现负载功率需求在燃料电池与蓄电池间的合理分配。

从实验结果可知：燃料电池混合动力驱动的移动焊接机器人系统采用燃料电池和蓄电池混合动力系统，能够实现对焊缝的实时、高精度跟踪，满足跟踪误差的要求，并可以通过燃料电池功率输出管理策略和蓄电池充放电管理策略实现混合动力系统合理的能量分配，兼具两者的优点同时弥补各自的不足，提高了能量利用率、快速起动性能、稳定性，延长使用寿命，对变化剧烈负荷情况的具有更好的动态响应性能，充分发挥混合动力系统的效能，使移动焊接机器人在各种工况下平稳高效运行而获得更好的性能。