一種新型太陽能光伏板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閆九祥,王亞麗*,魏盼盼,張國輝,姬芳

(1.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.愚公機(jī)械股份有限公司，山東 滕州 277500；3.山東華冶冶金設(shè)備制造有限公司，山東 滕州 277500)

一種新型太陽能光伏板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閆九祥1,王亞麗1*,魏盼盼2,張國輝3,姬芳2

(1.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；2.愚公機(jī)械股份有限公司，山東 滕州 277500；3.山東華冶冶金設(shè)備制造有限公司，山東 滕州 277500)

設(shè)計(jì)了一種新型的用于大型太陽能光伏電站光伏板清潔工作的機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤調(diào)平、直線行走、機(jī)械臂清潔、清掃和吸塵等全自動(dòng)化作業(yè)。控制系統(tǒng)采用專用運(yùn)動(dòng)控制器TTC60作為控制核心，利用電控比例閥組成的液壓系統(tǒng)，使機(jī)器人按清洗工序順序動(dòng)作，結(jié)合機(jī)械調(diào)平機(jī)構(gòu)，能夠在地面不平時(shí)對(duì)平面光伏板進(jìn)行自動(dòng)清掃和吸塵，以1 km/h可以實(shí)現(xiàn)3 000 m2/h的清掃。

光伏板；機(jī)器人；自主行走；電控比例閥

目前太陽能發(fā)電的規(guī)模已達(dá)到了前所未有的程度。隨著太能發(fā)電站的不斷建設(shè)，太陽能光伏板的清潔工作成為了新的研究課題。清潔機(jī)器人是一種特殊的智能服務(wù)機(jī)器人，作業(yè)對(duì)象是附著或者粘附在物體表面的污垢、污泥等有害、較難清洗的物質(zhì)[1]。由于光伏電站一般都位于較為惡劣的自然環(huán)境中，例如荒漠電站還面臨著非常嚴(yán)重的缺水問題，而光伏電站的太陽能板數(shù)量高達(dá)上萬塊乃至數(shù)十萬塊，即便有充足的水源、設(shè)備和人力，要完成一次全面人工清洗，工作量之大，也出乎一般人的想象，因此，傳統(tǒng)的人工清洗方式既危險(xiǎn)、效率又低而且成本很高。國外已經(jīng)研發(fā)了一些用于光伏板清洗的移動(dòng)機(jī)器人，比如以色列的太陽能電池板清理系統(tǒng)Ecoppia E4機(jī)器人(圖1)和日本Miraikikai公司開發(fā)的機(jī)器人(圖2)，但目前普及性還不高。究其原因，機(jī)器人的移動(dòng)范圍、實(shí)用性、清洗工藝和效率等關(guān)鍵問題制約了清洗機(jī)器人的發(fā)展。

圖1 Ecoppia E4機(jī)器人Fig.1 Ecoppia E4 robots

圖2 日本Miraikikai公司開發(fā)的機(jī)器人Fig.2 Robots developed by Miraikikai,Japan

國內(nèi)開發(fā)的車載式清潔機(jī)器人多存在以下缺陷：行駛作業(yè)速度不均勻；清洗工作裝置與太陽能板間距及高度距離調(diào)節(jié)滯后嚴(yán)重；大量用水；車身不具備調(diào)平功能，路面不平時(shí)工作裝置擺動(dòng)過大；末端工作裝置與太陽能板靠“伺服電機(jī)-齒輪絲杠”電機(jī)機(jī)械傳動(dòng)調(diào)節(jié)，存在傳動(dòng)速度慢，無法實(shí)現(xiàn)高效行走清洗作業(yè)的調(diào)節(jié)需求。要達(dá)到較好的清潔效果，要求所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有克服復(fù)雜路面狀況的能力，同時(shí)具有操作簡便、用水量少等等[2]。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的清潔機(jī)器人具有智能化程度高、功能集成性好、工作效率高等特點(diǎn)，能夠降低光伏電站維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，并改善其工作環(huán)境,對(duì)降低人力成本具有重要作用。

1 光伏板清潔機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

國內(nèi)外的太陽能板清洗機(jī)器人大多是爬行式結(jié)構(gòu)，此種方案大多不方便移動(dòng)、清潔效率低下，針對(duì)此現(xiàn)狀，本文采用了一種高性價(jià)比的機(jī)器人系統(tǒng)，在降低成本的同時(shí)還考慮清洗機(jī)器人的質(zhì)量和穩(wěn)定性的優(yōu)化。該機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1 輥刷；2 刷架旋轉(zhuǎn)電機(jī)；3 調(diào)幅液壓缸；4 三級(jí)伸縮液壓缸；5 二級(jí)液壓缸；6 一級(jí)液壓缸；7 主臂回轉(zhuǎn)液壓缸；8 車身調(diào)平液壓缸；9 第一行走馬達(dá)；10 第二行走馬達(dá)；11 刷架。圖3 光伏板清潔機(jī)器人構(gòu)成Fig.3 Architecture of cleaning robots for photovoltaics

太陽能板清洗機(jī)器人采用履帶式底盤，由四輪兩帶、行走馬達(dá)及機(jī)架組成，用于整機(jī)行走；行走機(jī)構(gòu)上安裝了速度傳感器，用于行走速度的反饋；平臺(tái)主體框架主要由左、右和前、后共4個(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)支撐和調(diào)節(jié)；在平臺(tái)主體上安裝了雙軸傾角傳感器，用于反饋平臺(tái)的平面度，通過控制液壓缸可以實(shí)現(xiàn)左右和前后兩個(gè)坐標(biāo)軸的調(diào)整，使整個(gè)車身保持在一個(gè)相對(duì)水平的平面內(nèi)，此設(shè)計(jì)主要是為了保證平臺(tái)的平穩(wěn)性；動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是由三級(jí)液壓缸、調(diào)幅液壓缸和旋轉(zhuǎn)電機(jī)等組成，通過對(duì)這幾個(gè)液壓缸和電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整，使其滿足清潔動(dòng)作的要求；配以噴霧、吸塵、清掃等機(jī)構(gòu)，主要是來完成機(jī)器人的清潔功能，通過三級(jí)清潔配合，使清潔效果達(dá)到要求。其中，三級(jí)伸縮臂處安裝有距離傳感器，用以反饋三級(jí)臂的伸縮狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)電機(jī)處安裝有行程開關(guān)，用以判斷執(zhí)行末端的轉(zhuǎn)向；刷架上安裝有距離傳感器，用以檢測執(zhí)行末端與太陽能板之間的距離，保證機(jī)器人能安全工作，提高可靠性。

2 光伏板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)組成

光伏板清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)與其他清潔機(jī)器人相比，具有抗干擾性能高、總線控制擴(kuò)展方便、一鍵行走控制操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

光伏板清潔機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由液壓系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)包括執(zhí)行元件、控制元件等。把各液壓元件通過油管連接起來即組成機(jī)器人的液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功能是以油液為介質(zhì)把發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能通過油泵轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?，再傳送給液壓缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和工作過程。機(jī)器人液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件主要由能實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的液壓缸和能實(shí)現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)[3]構(gòu)成。液壓缸和液壓馬達(dá)的速度和方向由電控液壓比例閥控制，為了增加臂架動(dòng)作的平穩(wěn)性和安全性，在液壓缸和液壓馬達(dá)上加裝了平衡閥[4-5]。在清潔機(jī)器人工作過程中，負(fù)載壓力和油源壓力都不是固定的，對(duì)于期望的油缸速度和馬達(dá)轉(zhuǎn)速，存在一個(gè)最佳的主控制閥開度與平衡閥開啟壓力相配合。

由于清洗機(jī)器人工作環(huán)境的特殊性，要求控制系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、易于功能擴(kuò)展等特點(diǎn)[6-7]，因此選用工程機(jī)械專用的控制器TTC60。其主控系統(tǒng)主要包括：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元。通過CAN總線與控制器通訊，接收控制器的指令，完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)油門的自動(dòng)控制，同時(shí)該單元還負(fù)責(zé)整個(gè)機(jī)器人的空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)功能。

(2)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。主要分布在太陽能板清洗機(jī)器人本體上，用于采集光伏板清洗機(jī)器人的環(huán)境數(shù)據(jù)，并發(fā)送至控制器解析。

(3)控制器。作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，用于接收數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，控制機(jī)器人作業(yè)，整個(gè)控制系統(tǒng)的算法也需通過控制器來實(shí)現(xiàn)。

(4)顯示器。通過CAN總線與控制器進(jìn)行通訊，主要用于顯示整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及工作狀況。

(5)傳感器和執(zhí)行元件。用來采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行動(dòng)作，而最終的執(zhí)行元件是液壓缸、馬達(dá)和電機(jī)。

2.2 運(yùn)行流程

光伏板清潔機(jī)器人的運(yùn)行流程為接通電源后，先根據(jù)工作環(huán)境選擇運(yùn)行速度(高速或低速)；再根據(jù)工作需求在人機(jī)界面選擇工作模式，包括手動(dòng)行走、姿態(tài)調(diào)整和一鍵行走，機(jī)器人根據(jù)模式的選擇進(jìn)行判斷并調(diào)用相關(guān)的子程序。手動(dòng)行走時(shí)，直接操作手柄進(jìn)行前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎操作；姿態(tài)調(diào)整時(shí)，已經(jīng)將各動(dòng)作的操作與手柄的操作一一分組對(duì)應(yīng)，執(zhí)行某元件的動(dòng)作時(shí)，直接操作手柄上的切換鍵和操作手柄控制即可；一鍵行走時(shí)，先將機(jī)器人的姿態(tài)手動(dòng)調(diào)整到近似目標(biāo)姿態(tài)，再選擇人機(jī)界面上的一鍵行走模式，通過各傳感器的反饋和控制算法的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人無需人員操作，即可完成直線行走以及光伏板的清潔工作，其中行走控制和末端清潔控制是獨(dú)立分開的，只有在特殊情況下才進(jìn)行停車調(diào)節(jié)。機(jī)器人持續(xù)不斷地進(jìn)行監(jiān)測和動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板的清潔工作。

手動(dòng)操作時(shí)，操作人員通過兩個(gè)手柄輸入信號(hào)來控制各個(gè)執(zhí)行元件的動(dòng)作；一鍵行走時(shí)，操作人員只需坐在操作室里，機(jī)器人會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的反饋來調(diào)節(jié)機(jī)器人左右行走馬達(dá)按照直線行走，同時(shí)也會(huì)根據(jù)機(jī)器人上安裝的傾角傳感器來調(diào)節(jié)車身平衡。當(dāng)處于一鍵行走模式時(shí)，清洗機(jī)器人會(huì)根據(jù)機(jī)器人末端的超聲波傳感器測量執(zhí)行末端與清洗表面之間的距離，通過控制距離值來調(diào)節(jié)執(zhí)行末端的動(dòng)作。機(jī)器人通過輥刷清掃、馬達(dá)吸塵、高壓噴霧三級(jí)來完成太陽能板的清洗，能徹底的清洗太陽能板的表面灰塵。電氣控制系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 光伏板清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)方案Fig.4 Control-system scheme of cleaning robots for photovoltaics

2.3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括以下3項(xiàng)：

(1) 車身的自動(dòng)調(diào)平。對(duì)于行走和作業(yè)于非水平環(huán)境的機(jī)械，車身狀態(tài)還直接影響著駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、工作裝置作業(yè)范圍、燃油等液體的安全儲(chǔ)備等性能。實(shí)現(xiàn)任何狀態(tài)下的車身自動(dòng)調(diào)平，是行走類機(jī)械的共性關(guān)鍵技術(shù)。車身采用四只對(duì)稱布置的液壓調(diào)平油缸、連接底架和平臺(tái)的十字形萬向節(jié)、雙軸傾角傳感器、電控比例閥、主控閥等來控制車身平衡，利用雙軸傾角傳感器來檢測車身的平面度，根據(jù)車身的姿態(tài)反饋，經(jīng)過控制器的處理轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)傳給電控比例閥來控制液壓缸的動(dòng)作，整個(gè)控制過程通過算法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)快速的響應(yīng)，使車身始終維持在一個(gè)相對(duì)的平面內(nèi)。車身實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平后，當(dāng)路面有崎嶇不平路況時(shí)，將會(huì)減少對(duì)執(zhí)行清潔的末端的影響，保證末端工作裝置——清洗刷組件的可靠作業(yè)。

(2) 自主行走技術(shù)。光伏板清潔機(jī)器人是由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)搭載清潔系統(tǒng)，在平臺(tái)的行走過程中，還要進(jìn)行光伏板的清潔工作，加入自主行走技術(shù)，移動(dòng)平臺(tái)將會(huì)根據(jù)實(shí)際的行走路線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使移動(dòng)平臺(tái)能依靠數(shù)字傳感控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定速直線巡航作業(yè)，具備自動(dòng)糾偏功能。自主行走技術(shù)可以解放操作人員的雙手，使其有更多的精力去監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

機(jī)器人的行走部分分為驅(qū)動(dòng)輪、防塵外圈、齒輪轉(zhuǎn)速傳感器、齒圈、防塵內(nèi)圈、車架和行走減速機(jī)等部分。在驅(qū)動(dòng)輪上安裝防塵外圈，在行走減速機(jī)上安裝齒圈，在車架上安裝防塵內(nèi)圈。在防塵內(nèi)圈上設(shè)有一個(gè)安裝孔，在孔內(nèi)安裝一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)速傳感器。行走減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)齒圈轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)速傳感器就能檢測到并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)傳送到控制中心，經(jīng)過控制器的處理來控制馬達(dá)的速度，實(shí)現(xiàn)定速巡航作業(yè)。

(3) 自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行元件均采用液壓馬達(dá)或者液壓缸，由于是大負(fù)載的移動(dòng)平臺(tái)，所以在耗能方面也會(huì)大幅增加，根據(jù)實(shí)際的工作需求來匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出，能大量地節(jié)約能耗。對(duì)于適用于大型光伏板清潔的智能移動(dòng)平臺(tái)，在搭載了光伏板清潔系統(tǒng)之后，動(dòng)力的需求也隨之增加。必備的行走動(dòng)力要增加非公路、非硬化路面、海拔等因素，還有車身自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)、清洗動(dòng)力頭組件及臂架所需動(dòng)力、吸塵風(fēng)機(jī)動(dòng)力、蒸汽發(fā)生器動(dòng)力等。根據(jù)實(shí)際工況，將動(dòng)力需求分為行走作業(yè)和非作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，將常規(guī)清洗作業(yè)動(dòng)力選定為額定動(dòng)力的60%，在確保動(dòng)力儲(chǔ)備需求的前提下，通過各種數(shù)據(jù)的檢測以及控制算法來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率匹配，達(dá)到優(yōu)化的目的，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力最小化設(shè)計(jì)。

3 機(jī)器人程序流程及部分代碼

3.1 程序流程

控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 光伏板清潔機(jī)器人控制程序流程圖Fig.5 Control program of cleaning robots for photovoltaics

3.2 部分代碼

以下為末端調(diào)節(jié)算法的部分代碼：

IF E1_DI_0Angle_LS AND NOT E2_DI_90Angle_LS THEN work_mode:=1;(*左側(cè)*)

ELSIF NOT E1_DI_0Angle_LS AND E2_DI_90Angle_LS THEN work_mode:=2; (*右側(cè)*)

ELSE work_mode:=0; END_IF (*錯(cuò)誤*)(以上是區(qū)分清潔末端在車身的不同清潔方向)

CASE work_mode OF 0:;(*錯(cuò)誤*) out:=0;

1:;(*左側(cè)*) IF (UDSensor1_Value<400 AND UDSensor3_Value<400) THEN

TempAngle_D_Value:=2000+UDSensor3_Value-UDSensor1_Value; END_IF

F_safe_protect:=UDSensor3_Value

UDSensor3_Value>UDSensor_Value_work_max;(左側(cè)時(shí)判斷前面安全保護(hù)范圍)

B_safe_protect:=UDSensor1_Value

UDSensor1_Value>UDSensor_Value_work_max; (左側(cè)時(shí)判斷后面安全保護(hù)范圍)

2:;(*右側(cè)*) IF (UDSensor1_Value<400 AND UDSensor3_Value<400) THEN

TempAngle_D_Value:=2000+UDSensor1_Value-UDSensor3_Value; END_IF

F_safe_protect:=UDSensor1_Value

UDSensor1_Value>UDSensor_Value_work_max; (右側(cè)時(shí)判斷前面安全保護(hù)范圍)

B_safe_protect:=UDSensor3_Value

UDSensor3_Value>UDSensor_Value_work_max; (右側(cè)時(shí)判斷后面安全保護(hù)范圍)

END_CASE

4 結(jié)論

太陽能板清潔機(jī)器人的開發(fā)，擺脫了完全手動(dòng)操作的弊端，兩種操作模式的切換，減輕了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，以1 km/h速度可以實(shí)現(xiàn)3 000 m2/h的清掃速度，清掃面積和清掃速度的提升，解決了人力成本增加以及生產(chǎn)效率低等問題，并且通過清掃、吸塵和噴霧三級(jí)清潔，效果良好?；贑AN總線設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，完美地實(shí)現(xiàn)了顯示器、控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)等控制系統(tǒng)的融合，使各部分有機(jī)地組合成為一個(gè)控制整體，整個(gè)系統(tǒng)更易于擴(kuò)展，便于后期功能的擴(kuò)充。

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Desigh of a control system of new-type cleaning robots for photovoltaics

YAN Jiu-xiang1, WANG Ya-li1*, WEI Pan-pan2, ZHANG Guo-hui3, JI Fang2

(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Robot &Manufacturing Automation Technology ,Institute of Automation, Shandong Academy of Sciences, Jinan 250014,China; 2.Yugong Machinery Co., LTD, Tengzhou 277500, China; 3.Shandong Huaye Metallurgical Equipment Manufacturing Co., LTD, Tengzhou 277500, China )

∶A control system of new-type cleaning robots for photovoltaics was desighed, which was used for cleaning the photovoltaic panels in large-scale PV plant. The control system was applied to realize the automatic cleaning operation, such as chassis leveling, straight moving, manipulator arm cleaning, dust cleaning and absorbing, and so on. A special motion controller TTC60 was adopted as the controlling core component. Using the hydraulic system composed of electro-hydraulic proportional valves, sequential operations in accordance with cleaning procedures were realized by robots. Moreover, combined with mechanical leveling mechanism, automatic cleaning and dust-absorbing operations on the planar photovoltaics were completed while the robots were moving on the bumpy ground. When the moving speed is 1 km/h，the cleaning speed could reach 3 000 m2/h.

∶photovoltaics; robots; autonomous movement; electro-hydraulic proportional valves

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.018

2017-03-06

院地聯(lián)合基金(ZX1515)

閆九祥(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線控制。

*通信作者，王亞麗(1979—)，女，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)器人、自動(dòng)化生產(chǎn)線控制。E-mail:wy19801151@163.com

TP242.3

A

1002-4026(2017)04-0112-06