基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法技术

本发明专利技术公开了基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法，属于电机控制领域。本发明专利技术首先，通过角度传感器的方式，获取两电机的位置差距，作为控制系统误差，并初始化粒子群速度、位置和个数N。其次，通过公式不断对粒子群的速度和位置进行更新，计算并评价每个粒子的适应度，并选取其中最适合的粒子作为PID参数。最后，根据输出的PID的值进行计算，输出电机输出占空比，改变主电机的运行速度，使得双电机处于平稳运行状态。本发明专利技术提高了获取位置偏差效率，实现PID参数对环境的自适应，较大的提高了双电机运行的稳定性与鲁棒性，保证了设备的安全运行。了设备的安全运行。了设备的安全运行。

【技术实现步骤摘要】
基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法


[0001]本专利技术属于电机控制领域，具体涉及一种基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法。

技术介绍

[0002]光伏板表面所堆积的灰尘，会严重降低发电效率，严重时甚至还会产生热斑，造成光伏板的损坏。因此需要光伏清洁机器人对光伏板表面进行定期清洁。但目前光伏清洁机器人的智能化程度较低，在面对大规模的复杂多变的情况下，例如戈壁滩、沙漠等，电机与轨道之间的摩擦系数各不相同，导致双电机运行不同步，甚至会卡死在轨道上，严重干扰清洁系统的正常运行。产生这个问题的原因在于两个电机之间的速度不同步，或者同步的过程较为缓慢，不能及时响应相对位置偏差过大，从而导致电机运行过程中出现的抖动、卡顿，甚至卡死的现象产生。
[0003]目前处理这个问题的主要实现方式有物理方法和常规PID方法。现有的物理方法主要是对整个清洁机器人的机构做出改变，设计一种可以使电机旋转的结构，当两个电机位置偏差过大时，不会卡死轨道上，继续稳定运行。现有的物理方法存在的问题是对已经投入使用的产品需要全部替换，改动成本高，另一个方面是有很大的不确定因素，只能减小卡死在轨道上的风险，但对于保证双电机的同步运行没有什么帮助。常规的PID方法的问题在于，当被控对象处于经常变化的环境中时，无法根据环境的变化来调整PID增益，会导致超调，或者变化缓慢。面对放置于恶劣环境下的光伏清洁机器人，无法很好的控制其稳定运行。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决光伏清洁机器人适应各种复杂环境的问题，提高清洁过程中的可靠性与稳定性，提出了基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人双电机控制方法，能有效地避免这种情况的发生，用于控制光伏清洁机器人的双电机，实现双电机的同步运行。
[0005]本专利技术的技术方案包括如下步骤：
[0006]步骤1：通过角度传感器的方式获取两电机的位置差距，作为控制系统误差。
[0007]步骤2：初始化粒子群速度、位置和个数N。
[0008]步骤2.1：根据控制系统的参数，调试出一个PID参数作为基准,使双电机在正常情况下能平稳运行。
[0009]步骤2.2：根据上述的PID参数，分别设置Kp、Ki和Kd三个维度的最大搜索范围，也即粒子群的位置范围，根据收敛速度，设置的速度的搜索范围，对这三个搜索范围进行检测，即使是最差的情况，也不会导致系统失控。
[0010]步骤2.3：在这个搜索范围中，对每个粒子的Kp、Ki和Kd三个维度进行随机选取，作为其初始位置，并选取速度的搜索范围，对每个粒子进行速度初始化。
[0011]步骤3：对粒子群的速度和位置进行更新。
[0012]由于步骤2中，已经调试出了一个较为合适的PID的值，因此可以将整个粒子群的寻优过程只进行一次，选取其中的最优值。
[0013]步骤4：计算每个粒子的适应度。
[0014]步骤5：评价每个粒子的适应度。
[0015]对每个粒子，将其适应值与其经过的最优值pbest作比较，如果更好，则将其作为当前的最优位置pbest。
[0016]对每个粒子，将它的pbest与所有粒子经过的最优位置gbest作比较，如果更好，则将其作为当前的最优位置gbest。
[0017]步骤6：通过每个粒子的最优值，选出全局的最优值，作为PID的参数。
[0018]步骤7：根据输出的PID的值进行计算，输出电机输出占空比，改变主电机的运行速度，使得双电机处于平稳运行状态。
[0019]本专利技术具有如下有益效果：
[0020](1)本专利技术通过装在主电机上的角度传感器的方式获取两个电机之间的位移差距，比传统的每个电机都需要安装速度传感器的方式来说节省了大量成本。并且，通过角度传感器可以直观的获取位置偏差，比起两个速度传感器获取数据后做计算，获取位置偏差效率提高不少。
[0021](2)本专利技术采用的自适应PID的方法，相较于经典的PID算法来说，克服了经典算法中PID固定不变造成的超调过大，变化较慢的问题，能根据双电机的不同的位置差距，选定不同的更合适的PID参数，更快调整至平稳运行状态。光伏清洁机器人运行在复杂多变的野外环境中，负载扰动，遇到障碍物等情况时有发生，PID参数能随着外部环境的变化能进行在线调整，以满足实时控制的需求十分重要。
[0022](3)本专利技术采用的改进型粒子群算法，去除了原算法中的次数计算，相较于标准粒子群算法需要进行至少几十次的寻优计算来说，加速了整个过程的运算。一般的粒子群算法定整PID时，初始化的Kp、Ki和Kd范围较大，并且是通过多次的寻优过程来确定PID的数值在合适的范围内，运行时间较长，不适用于实时性较强的任务中。本专利技术的改进的粒子群算法，在获取了较为合适的PID的数值的基础上，再对Kp、Ki和Kd进行初始化，范围较小，命中准确度较高，因此寻优过程即使只有一次，也能获得较为合适的参数，但是对他的运算效率来说是极大的提升。
[0023](4)本专利技术采用的改进型粒子群算法，其中的计算粒子适应度的公式，参考了误差、误差变化率以及本次粒子的实时位置这三个因子，并通过赋予不同的权重来体现不同的因子对系统的重视程度。误差越小，说明系统的准确性越高；误差变化率越大，说明系统的反应越快；本次粒子的实时位置，体现的系统的稳定性。可以通过修改不同参数的权重，来获得想要的结果。
[0024](5)本专利技术提出的基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人双电机控制方法，与传统的PID双电机控制相比，具有实时性高，鲁棒性强，易于实现等优势。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的光伏清洁机器人运行的具体设计图；
[0026]图2为本专利技术的基于改进粒子群自适应PID的双电机控制方法的流程图；
[0027]图3为本专利技术simulink模拟图；
[0028]图4为本专利技术的基于改进粒子群自适应PID控制方法与普通的PID控制方法的对比示意图。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施案例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。
[0030]如图1所示，对整个光伏清洁机器人的运行逻辑进行详细说明。
[0031]如图1所示，光伏清洁机器人有主从两个电机，运行在光伏板的行走梁上。其中的角度传感器与主电机绑定，是获取主电机与从电机的相对位置偏差，也即控制系统的误差。当光伏板运动时，两电机之间会因为摩擦系数、电机差异、轨道上存有障碍物等多种原因，导致两个电机产生相对位置偏差。角度传感器实时读取主从电机之间的相对位置偏差，并与提前设置的加速点，减速点作对比，当相对偏差值小于设置的加减速点时，认为电机处于平稳运行的状态，不需要做额外的加速减速的处理。当位置相对偏差值大于设置的加速点减速点的值时，主电机需要根据具体偏差值的大小，通过基于改进粒子群自适应PID的方法，来实时更新PID的值，从而改变主电机的运行速度，最终使得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过角度传感器的方式获取两电机的位置差距，作为控制系统误差；步骤2：初始化粒子群速度、位置和个数N；步骤3：对粒子群的速度和位置进行更新；将整个粒子群的寻优过程只进行一次，选取其中的最优值；步骤4：计算每个粒子的适应度；步骤5：评价每个粒子的适应度；对每个粒子，将其适应值与其经过的最优值pbest作比较，如果更好，则将其作为当前的最优位置pbest；对每个粒子，将它的pbest与所有粒子经过的最优位置gbest作比较，如果更好，则将其作为当前的最优位置gbest；步骤6：通过每个粒子的最优值，选出全局的最优值，作为PID的参数；步骤7：根据输出的PID的值进行计算，输出电机输出占空比，改变主电机的运行速度，使得双电机处于平稳运行状态。2.根据权利要求1所述的基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法，其特征在于，步骤2中，初始化粒子群速度、位置具体过程如下：步骤2.1、根据控制系统的参数，调试出一个PID参数作为基准，使双电机在正常情况下能平稳运行；步骤2.2、根据上述的PID参数，分别设置Kp、Ki和Kd三个维度的最大搜索范围，也即粒子群的位置范围，根据收敛速度，设置的速度的搜索范围；对这三个搜索范围进行检测，即使是最差的情况，也不会导致系统失控；步骤2.3、在这个搜索范围中，对每个粒子的Kp、Ki和Kd三个维度进行随机选取，作为其初始位置，并选取速度的搜索范围，对每个粒子进行速度初始化。3.根据权利要求1所述的基于改进粒子群自适应PID的光伏清洁机器人电机同步方法，其特征在于，在步骤3中，粒子群的第i个粒子的速度、位置公式如下：v
i
(t+1)＝w*v
i
(t)+c1*r1*(pbest
i
‑
x
i
(t))+c2*r2*(gbest
i
‑
x
i
(t))x
i

【专利技术属性】
技术研发人员：陈科明，庞若雷，王佳敏，齐玲玲，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：