自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统技术方案

本发明专利技术属于太阳能光伏发电设备技术领域，公开了一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统，自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统包括控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、电源部分、吸附与清扫部分。本发明专利技术能够完成对太阳能板的清洁，与传统清洁手段相比极大节省了水资源；清洁机器人通过预设好的路线并辅以边沿检测传感器进行路径修正从而完成清洁工作；工作人员可以通过移动客户端实时监控并调整清洁机器人的工作状态，也可以对区域内的多个清洁机器人进行工作分配和统一管理调度，以此取得更加高效的清洁效果。

Intelligent Clean Robot and Control System for Adaptive Solar Photovoltaic Power Generation Equipment

The invention belongs to the technical field of solar photovoltaic power generation equipment, and discloses an intelligent cleaning robot and control system of adaptive solar photovoltaic power generation equipment. The intelligent cleaning robot control system of adaptive solar photovoltaic power generation equipment includes control module, walking driving module, information acquisition module, power supply part, adsorption and cleaning part. The invention can clean solar panels and save water resources greatly compared with traditional cleaning methods; the cleaning robot completes the cleaning work by preset route and path correction with edge detection sensor; the staff can monitor and adjust the working state of the cleaning robot in real time through mobile client, and can also carry out multiple cleaning machines in the area. In order to achieve a more efficient cleaning effect, robots are assigned jobs and managed in a unified manner.

【技术实现步骤摘要】
自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统
本专利技术属于太阳能光伏发电设备
，尤其涉及一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：近几年，光伏作为一种可再生清洁能源，已成为全球能源变革的重要力量。但太阳能电池板表面容易积累风沙、灰尘等污垢，若没有科学及时的清洁，最高可导致组件发电功率衰减40％～60％，发电量下降20％～30％。同时如果无法清洗得干净彻底，留下死角，未被清洗边角部分电池板会由发电单元变为耗电单元，被遮蔽的光伏电池会变成不发电的负载电阻，消耗相连电池产生的电力，造成发热，也这就是“热斑效应”。此过程会加剧电池板老化，减少光电转化率，严重时会引起火灾。据统计，全球太阳能电站每年因无效清洁或清洁不及时产生的直接经济损失高达约100亿美元，截止2020年，预计这一损失则将达200亿。同时因太阳能电池板表面积累污垢导致发电效率下降而浪费的能源更是难以想象，数据显示，2016年，我国光伏产业发电量达到622亿瓦，也就意味着这一年当中有240亿瓦本可利用太阳能没有被合理利用而浪费。以我国武威某年发电量50兆瓦的光伏电站为例，清洁一次，需要工人2500人/天，用水量5000立方米；如果是清洁车则需要350人/天，用水量25000立方米。由此看来，目前针对太阳能板清洁这一问题还没有一种较好的方式被推广。当前太阳能电池板清洗主要有人工水洗和工业清洗设备冲洗两种方式，都各有优缺点，总结如下：(1)人工清洁简单，清洁效果较好。但是清洁难度大、效率低、需要清洁人员数量多、成本高并且清洁人员存在安全隐患，光伏发电厂大多位于较偏僻地带难以有充足的劳动力来满足清洁需要。(2)工业清洗设备进行冲洗具有较好的清洁效果，清洁效率也较高。但是清洁设备需大量的资金，清洁需消耗大量的水资源，清洁设备在凹凸不平的山地中环境适应能力差，考虑国家太阳能发电厂的地理位置大多在西北地区，难以有充足的水资源用于清洗。(3)清洁太阳能需浪费大量人力物力。而且太阳能板清洁工作不是一劳永逸的，是需要周期性的进行。在不同地理环境下太阳能电池板的安装倾斜角度不同，对于不同倾角的太阳能板的清洁又是一大难点。解决上述技术问题的难度和意义：针对上面提到的问题，可以看到在考虑国家实际情况的前提下，在较少劳动力、较少水资源、环境适应能强、适应不同安装倾斜角的情况下能够有效清洁太阳能板积灰问题，是一件非常有意义的事情。正是为了解决这一问题，本专利技术设计了一款自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人(以下简称为“清洁机器人”)。它是一种高智能化、高性价比的太阳能电池板清洁方案，在太阳能电池板清洁维护领域具有巨大的市场价值，并且该项目将对光伏发电产业具有十分重要的意义：(1)清洁机器人实现了对太阳能电板的全面清洁，提高了太阳能电池的光电转化效率，从而提高了光伏发电的效益与能量利用率。(2)清洁机器人清洁系统选用质地柔软的高效清洁材料、毛刷以及风机三重结构相结合的无水化清洁方式以有效清除太阳能电板上的污渍，节省了大量的水资源。同时减轻对电板的磨损能够，能够有效避免“热斑效应”的产生，提高了发电能力和电池板的寿命。(3)清洁机器人在清洁过程中实现了机械自动化，与目前采用的方式相比减少了所需的劳动力，减轻了劳动强度，提高了单位时间内的清洁效率，降低了清洁成本
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统。本专利技术是这样实现的，一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统包括控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、电源部分、吸附与清扫部分；所述控制模块根据预先设定路线与传感器采集的反馈信息进行路径修正，向行走和清扫部分发送控制信号；行走驱动模块由H桥电路组成，通过改变两路输入信号的高低电平以及电平持续时间就可以达到改变电机运行方向与调整电机速度的目的。信息采集模块由姿态传感器MPU6050和红外传感器组成。MPU6050采集清洁机器人本身的位姿信息，用来修正清洁轨道以及调整机身姿态；红外传感器检测太阳能板边缘，当清洁机器人到达太阳能板边缘时，红外传感器输出信号跳变，控制模块由此信息来进行下一清洁轨道的切换。电源部分为系统各个模块进行供电。由于整个系统的各个模块电压要求不一致，因此要满足各个模块的正常工作需要做电压转换。系统输入是+24V直流电压，直接为H桥的母线电压，将+24V直流电压转换成+5V为控制模块、信息采集模块等供电，再将+5V转换为+3.3为控制芯片供电灯。电源部分是整个系统正常工作的前提。吸附与清扫部分，通过接收控制模块的控制信号实现机器人的吸附与稳定。进一步，控制模块包括：stm32系统为主控，用于处理所有的传感器数据，以及控制整个系统的运行逻辑，是整个系统的核心处理单元。正交编码器用于获取电机速度以达到准确的运动控制。通过正交编码器获取电机速度是借助STM32内部集成的正交解码单元实现的。当电机正向转动时，编码器A项输出超前B项输出，解码器通过相位判断可知电机运动方向，通过对固定时间内脉冲个数的统计，就可以计算出电机当前的速度，固定时间越短计算的速度精度越高。陀螺仪用于太阳能板的倾斜角测量与清洁轨道的修正，光电传感器检测太阳能板边缘，防止机器人跌落；陀螺仪用于反馈智能清洁机器人角度将智能清洁机器人机身以及智能清洁机器人姿态进行调整；光电传感器用于太阳能板清洁度的反馈量。进一步，由高速电机和L298驱动器共同组成吸附与清扫部分，吸附电机高速运转，带动离心风扇高速旋转，使得机器人底部与太阳能板之间的空间中产生较大负压以完成机器人的斜面吸附，并且根据陀螺仪的数据调整负压值以满足不同倾斜角下的吸附力，从而实现了清洁机器人的自适应。清扫部分的鼓风机与吸尘器原理类似，通过鼓风机旋转产生的吸力吸取底层清洁抹布边缘的灰尘与太阳能板上的浮灰进入灰尘收集仓。进一步，电源部分使用DC/DC模块将锂电池电压降低，为控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、采集模块、吸附与清扫部分供电。进一步，控制模块包括：主控模块，通过各传感器的采集量对系统进行控制与调整，输出的控制信号通过光耦进行隔离，防止行走驱动模块对主控模块的干扰；温度检测模块，检测系统的运行温度，高于安全工作温度时，停止工作并报警；电压电流监控模块，用于欠压报警，过压过流报警和保护；电源部分包括电量监控模块，实时监测系统电量，设有低电量报警，并且有一定的续航能力，防止智能清洁机器人跌落；本专利技术的另一目的在于提供一种所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统的控制方法，所述控制方法包括：系统开始运行时，首先系统通过反复调整机身方向寻找太阳能板左下角，找到左下角之后开始清洁任务。在每一个直线清洁轨道中采用速度换与角度环双环PID算法修正机身位姿，以达到精确的运行姿态。到达上边缘时，机器人开始切换至下一清洁轨道，通过S弯的变轨方式完成轨道切换，在S弯过程中通过检测陀螺仪角度来判断S弯的旋转角度，最终以完成轨道切换。系统整个运行流程包括：硬件的初始化：对stm32核心控制卡和陀螺仪进行参数初始化；行走控制：直线清扫控制；转弯控制；清扫路径规划控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统包括控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、电源部分、吸附与清扫部分；所述控制模块根据预先设定路线与传感器采集的反馈信息进行路径修正，向行走和清扫部分发送控制信号；行走驱动模块，包括H桥电路，通过改变两路输入信号的高低电平以及电平持续时间改变电机运行方向与调整电机速度；信息采集模块，包括姿态传感器和红外传感器；姿态传感器采集清洁机器人本身的位姿信息，用来修正清洁轨道以及调整机身姿态；红外传感器检测太阳能板边缘，当清洁机器人到达太阳能板边缘时，红外传感器输出信号跳变，控制模块由此信息来进行下一清洁轨道的切换；电源部分，为系统各个模块进行供电；吸附与清扫部分，通过接收控制模块的控制信号进行机器人的吸附与稳定。

【技术特征摘要】
1.一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统包括控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、电源部分、吸附与清扫部分；所述控制模块根据预先设定路线与传感器采集的反馈信息进行路径修正，向行走和清扫部分发送控制信号；行走驱动模块，包括H桥电路，通过改变两路输入信号的高低电平以及电平持续时间改变电机运行方向与调整电机速度；信息采集模块，包括姿态传感器和红外传感器；姿态传感器采集清洁机器人本身的位姿信息，用来修正清洁轨道以及调整机身姿态；红外传感器检测太阳能板边缘，当清洁机器人到达太阳能板边缘时，红外传感器输出信号跳变，控制模块由此信息来进行下一清洁轨道的切换；电源部分，为系统各个模块进行供电；吸附与清扫部分，通过接收控制模块的控制信号进行机器人的吸附与稳定。2.如权利要求1所述的自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，控制模块包括：包括：主控stm32系统，用于处理所有的传感器数据，以及控制整个系统的运行逻辑；正交编码器，用于获取电机速度以达到准确的运动控制，通过正交编码器获取电机速度并借助STM32内部集成的正交解码单元实现解码；当电机正向转动时，正交编码器A项输出超前B项输出，正交解码单元的解码器通过相位判断电机运动方向，通过对固定时间内脉冲个数的统计，计算出电机当前的速度；陀螺仪，用于太阳能板的倾斜角测量与清洁轨道的修正，还用于反馈智能清洁机器人角度将智能清洁机器人机身以及智能清洁机器人姿态进行调整；光电传感器，检测太阳能板边缘，用于防止机器人跌落；还用于太阳能板清洁度的反馈量。3.如权利要求1所述的自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，吸附与清扫部分，包括高速电机和L298驱动器，高速电机运转中，带动离心风扇高速旋转，使得机器人底部与太阳能板之间的空间中产生负压完成机器人的斜面吸附，并且根据陀螺仪的数据调整负压值以满足不同倾斜角下的吸附力，实现清洁机器人的自适应；清扫部分的鼓风机产生的吸力吸取底层清洁抹布边缘的灰尘与太阳能板上的浮灰进入灰尘收集仓。4.如权利要求1所述的自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，电源部分使用DC/DC模块将锂电池电压降低，为控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、采集模块、吸附与清扫部分供电。5.如权利要求1所述的自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，控制模块包括：主控模块，通过各传感器的采集量对系统进行控制与调整，输出的控制信号通过光耦进行隔离，防止行走驱动模块对主控模块的干扰；温度检测模块，检测系统的运行温度，高于安全工作温度时，停止工作并报警；电压电流监控模块，用于欠压报警，过压过流报警和保护；电源部分包括电量监控模块，实时监测系统电量，设有低电量报警，并且有一定的续航能力，防止智能清洁机器人跌落。6.一种如权利要求1所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统的控制方法，其特征在于，运行时，通过反复调整机身方向寻找太阳能板左下角，找到左下角之后开始清洁任务；在每一个直线清洁轨道中采用速度换与角度环双环PID算法修正机身位姿；到达上边缘时，机器人开始切换至下一清洁轨道，通过S弯的变轨方式完成轨道切换，在S弯过程中通过检测陀螺仪角度来判断S...

【专利技术属性】
技术研发人员：张和平，
申请(专利权)人：张和平，
类型：发明
国别省市：湖北,42