一种搭载镁基复合固态储氢瓶的具身智能体能源舱及自主续航控制方法

本发明涉及燃料电池氢能控制，具体为一种搭载镁基复合固态储氢瓶的具身智能体能源舱及自主续航控制方法。

背景技术：

1、随着具身智能体技术不断发展，机器人平台对高能量密度氢能供给系统的实际需求持续提升。镁基复合固态储氢凭借储氢密度高、储运安全性好的特点，逐步成为面向移动智能装备的供氢技术路线。具身智能体在作业过程中会持续执行行走、负重、越障等多样化动作，整机负载会跟随任务流程发生持续性改变，这就要求配套能源舱可以跟随任务时序动态输出氢气，匹配燃料电池的实时功率需求。镁基固态储氢材料放氢过程高度依赖温度条件，系统内部存在的热惯性，阀门执行机构同样具备固有的响应延迟。智能体主控单元能够输出完整未来任务动作序列、运动轨迹以及负载相关信息，但现有能源控制系统尚未充分挖掘利用这类前置任务信息，大多只依靠实时采集传感器数据开展闭环调节，制约固态储氢供氢系统在动态负载场景下的实际使用效果。

2、传统固态储氢能源舱控制方案大多采用单纯闭环反馈控制架构，仅依据当下时刻的压力、温度、氢气流量传感信号完成调节运算。当具身智能体出现负载突变时，控制系统需要等到功率波动实际发生之后才启动调节动作，热惯性与阀门滞后会造成供氢输出出现滞后偏移，氢气供给与燃料电池功率需求出现失配，容易引发系统压力振荡。同时传统控制缺少对未来任务工况的预判能力，无法提前识别后续时域内的负载扰动，难以主动对放氢过程进行预补偿。另外多数控制策略采用固定权重的控制目标，不会跟随瓶内剩余储氢状态动态调整控制侧重，储氢材料经过多次吸放氢循环之后会出现性能衰减，环境温度漂移也会带来模型偏差，常规控制方式缺少周期性参数校正环节，长期运行之后控制精度会逐步劣化，难以同时兼顾材料防护、氢气供给稳定以及整机续航能力。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了一种搭载镁基复合固态储氢瓶的具身智能体能源舱及自主续航控制方法，该方法融合任务工况强度系数与任务功率波动扰动系数，动态计算实时放氢速率，并基于前馈-反馈复合控制策略，结合热泵升温与电加热套辅助供热，精准调控加热功率与放氢阀开度。同时，采用带约束滚动优化与自适应权重调节，在保障燃料电池供氢压力与储氢瓶温度安全的前提下，有效抑制系统振荡，提升能源利用效率，延长智能体续航能力，并具备参数在线修正与环境自适应性。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一种搭载镁基复合固态储氢瓶的具身智能体能源舱及自主续航控制方法，该方法的具体步骤为：

3、s100、工况信息采集：获取智能体任务规划数据与能源舱全部传感器实测数据，融合生成任务工况强度系数；

4、s200、需求功率预测：基于智能体任务规划数据生成燃料电池需求功率曲线，求解得到任务功率波动扰动系数；

5、s300、前馈参量求解：基于任务工况强度系数与任务功率波动扰动系数计算实时动态放氢速率，反推加热功率前馈量与放氢阀开度前馈量；

6、s400、滚动优化计算：以实时动态放氢速率作为输入构建优化目标，在约束边界内求解得到本周期最优控制量；

7、s500、叠加反馈执行：将加热功率前馈量、放氢阀开度前馈量与最优控制量叠加下发执行，依据传感器实测数据修正放氢相关计算参数。

8、进一步地，所述智能体任务规划数据包含具身智能体未来时域动作序列、各驱动关节力矩指令、质心三维运动轨迹、行驶路径坡度参数、路面障碍参数及实时负载质量，由具身智能体主控任务规划单元通过总线周期性主动下发；能源舱全部传感器实测数据包含镁基复合固态储氢瓶壁面温度、瓶内气相温度、储氢瓶出气口压力、燃料电池阳极进气压力、氢气实时流量、燃料电池冷却液出口温度与燃料电池实时输出功率，由能源管理控制器以固定通信周期轮询采集全部传感器实时电信号并完成模数转换、数据解析，控制器对两类数据进行时序对齐、异常数据剔除处理。

9、更进一步地，所述任务工况强度系数采用多维度工况特征加权融合方式生成，基于采集得到的智能体驱动关节力矩波动幅值、质心三维加速度均值、路径地形坡度数值、实时负载质量四类核心特征量完成归一化处理，消除不同特征量纲差异；依据具身智能体运动耗能特性配置固定融合权重，对四类归一化特征量分别加权求和，通过线性融合运算实时生成任务工况强度系数。

10、更进一步地，所述燃料电池需求功率曲线依托智能体时序任务规划数据时序化构建，先将连续的整体任务动作序列按照动作基元时间边界分割为独立时序动作片段，提取各动作片段对应的关节力矩特征、质心运动特征、地形环境特征与负载特征，组成标准化输入特征组；通过预训练完成的工况功率映射关系匹配各动作片段对应的稳态需求功率，所述工况功率映射关系为离线采集工况-功率样本构建的查找表或者神经网络模型；结合动作片段的持续时长与时序节点完成全时段功率初值拼接；对拼接后的连续功率曲线进行时序平滑与等间隔离散采样处理，针对动作切换、地形突变对应的功率阶跃位置加密采样节点，修正时序衔接误差，最终生成覆盖完整预测时域、时序连续、精度均匀的燃料电池动态需求功率曲线，为后续任务功率波动扰动系数求解提供精准功率时序数据支撑。

11、更进一步地，所述任务功率波动扰动系数依托燃料电池需求功率曲线与稳态基准功率对比求解，控制器调取预先存储的智能体平稳行走工况对应的稳态基准功率，遍历需求功率曲线预测时域内部全部离散采样点，逐点求取采样点功率数值相对稳态基准功率的功率偏移量，式中为第i个采样点的需求功率数值；统计预测时域内全部偏移量的分布情况，结合各采样点对应的时间权重完成加权统计运算，数学表达式为：，得到能够表征整体波动水平的统计结果，将统计结果做归一化约束处理，限定输出数值处于零至一的数值区间，得到任务功率波动扰动系数，该系数反映未来时域负载突变带来的功率扰动程度，直接用于修正放氢速率计算结果，抵消未来功率波动对储氢放氢过程带来的不利影响，式中为预测时域内离散采样点序号，n代表预测时域内总采样点数量，为第个采样点的时间权重，采用时间衰减权重配置，距离当前控制时刻越近的采样点权重赋值越高，也可根据任务类型选择全部采样点均等权重。

12、更进一步地，所述实时动态放氢速率通过公式计算得到，式中代表实时动态放氢速率；代表镁基复合储氢材料放氢特性常数，由储氢材料配比以及储氢瓶本体结构标定得到；代表任务工况强度系数，反映具身智能体运动负载的综合强度；t代表能源管理控制器的实时控制时刻；代表储氢瓶实时工作温度；代表储氢临界启始放氢温度；代表非线性能量耦合指数，表征燃料电池余热与镁基储氢瓶吸热放氢之间的匹配关系；代表任务功率波动扰动系数，表征未来负载变化对于储氢放氢过程带来的扰动作用；所述修正因子用于在负载扰动增大时动态匹配燃料电池实际需氢量，以暂缓峰值放氢速率并抑制系统振荡；依据得到的放氢速率序列开展热平衡推演，计算加热功率前馈量，结合放氢调节阀流量特性映射得到放氢阀开度前馈量，同时缓存预测时域平均放氢速率。

13、更进一步地，所述加热功率前馈量与放氢阀开度前馈量依托实时动态放氢速率反推获得，控制器获取由放氢速率计算得到的预测时域各时刻放氢速率数值，结合镁基复合固态储氢瓶本体热容量、隔热层散热损耗参数开展逐时刻热平衡推演，计算维持对应放氢速率所需的热量供给总量，扣除瓶体自身蓄热可释放热量后，得到每一时刻加热功率前馈量；控制器调取储氢瓶下游放氢调节阀出厂标定流量对应关系，将各时刻实时动态放氢速率映射转换为阀门的行程占比，形成时序对应的放氢阀开度前馈量，生成的加热功率前馈量与放氢阀开度前馈量保持时序一一对应，用于提前补偿储氢瓶热惯性与阀门响应滞后，为后续控制叠加运算提供前置控制参量。

14、更进一步地，所述优化目标值通过公式计算得到，式中代表滚动优化目标值，目标值数值越小代表系统控制性能越优；代表自适应权重系数，跟随剩余储氢容量以及任务工况强度完成动态调节；代表预测时域平均放氢速率；代表储氢瓶温度均方根波动值，表征储氢瓶内部温度波动剧烈程度；代表剩余储氢容量占比，为储氢瓶内部剩余氢气容量与标称储氢容量的比值，其取值范围限定为大于等于0且小于1；控制器以最小为目标构建带约束非线性规划问题，采用序列二次规划算法迭代求解，单次最大迭代50步、计算时限100ms，收敛后得到40点最优控制序列，取首元素作为本周期最优控制量，其余元素丢弃并于下一周期重新求解。

15、更进一步地，所述自适应权重系数σ依据剩余储氢容量占比自适应分配，当不低于20%时σ取0.4，当低于20%时σ取0.2，权重调整使储氢余量充足时优先抑制温度波动以保护镁基材料，储氢余量不足时优先压低氢耗以延长续航；控制变量包含冷却液循环泵目标流量、储氢瓶总加热功率目标值与放氢调节阀目标开度三个维度，控制时域取5s共10个离散点，控制时域外控制量保持末值。

16、更进一步地，所述约束条件包括储氢瓶出气口压力不低于0.25mpa，储氢瓶瓶壁温度不超过330℃，储氢瓶总加热功率不超过500w，放氢阀开度限制在0%至100%范围内，冷却液流量限制在2l/min至8l/min范围内，非线性规划算法设置最大迭代步数以及单周期最大求解时限，超出求解时限直接输出当前迭代收敛结果，舍弃预测时域控制序列除首个元素以外的其余控制量，在下一控制周期重新完成全部优化计算。

17、更进一步地，所述叠加反馈执行步骤中，当总加热功率扣除辅助加热功率得到的计算结果小于0时，电加热套输出功率置为0，由热泵升温回路独立承担储氢瓶供热任务；本控制周期结束后采集储氢瓶温度、出气口压力、氢气流量实测平均值，将实测放氢速率与s300步骤计算得到的放氢速率开展偏差比对，依据偏差结果更新放氢特性常数与非线性能量耦合指数，补偿储氢材料循环老化以及环境温度漂移带来的计算偏差，更新储氢瓶温度均方根波动值以及剩余储氢容量占比，完成全部校正之后跳转至s100步骤开启新一轮控制周期。

18、更进一步地，所述叠加反馈执行步骤中，控制器将加热功率前馈量与滚动优化输出的加热功率控制量相加得到总加热功率指令，将阀开度前馈值与滚动优化输出的阀开度控制量相加并经0%至100%限幅得到放氢阀指令，冷却液流量直接取滚动优化输出值；三条指令经脉冲宽度调制与数模转换下发至电加热套、电磁比例放氢阀与无刷直流冷却液循环泵；热泵升温回路实时监测冷却液出口温度，当温度高于55℃时压缩机启动，蒸发器侧吸收冷却液余热，冷凝器侧将导热油升温至120℃送入电加热套金属夹层提供辅助加热，控制器依据导热油流量与进出口温差计算辅助加热功率。

19、与现有技术相比，该一种搭载镁基复合固态储氢瓶的具身智能体能源舱及自主续航控制方法具备如下有益效果：

20、一、本发明通过任务工况与功率波动的双层预测机制，融合智能体任务规划数据与能源舱多源传感器采集信息，构建工况强度与功率扰动两类特征系数，实现对未来时段负载变化的提前感知。依托两类系数推演得到放氢速率，反推生成加热功率以及放氢阀开度的前馈参量，提前补偿储氢瓶热惯性与阀门动作滞后带来的控制时延，弱化负载突变对镁基储氢放氢过程造成的冲击。区别于单纯依赖传感器反馈的滞后控制模式，前馈环节能够依据未来任务特征预先调整控制基准，降低后续闭环调节的修正负担，减少振荡出现的概率，适配具身智能体运动过程中负载频繁变化的运行场景，保障氢气供给环节与燃料电池端需求在时序上相互匹配，提升能源舱供氢过程的动态跟随能力。

21、二、本发明通过前馈参量与滚动优化最优控制量相互叠加的控制架构，构建兼顾放氢速率与瓶体温度波动的优化目标，结合剩余储氢状态动态分配目标权重，在多维度边界约束下完成非线性规划求解。控制输出后基于实际传感采集数据开展参数迭代校正，补偿储氢材料循环老化、环境条件漂移引入的模型误差，持续维护放氢计算模型的准确度。能够在储氢余量充足时侧重抑制瓶内温度波动，维护储氢材料工作状态，在储氢余量有限时侧重管控氢耗水平，延长智能体整体续航时长。整套控制逻辑适配镁基固态储氢的氢耦合特性，兼顾供氢响应速度、材料保护与续航需求，提升能源舱在复杂运动工况下运行稳定性。

22、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。