基于分層代價(jià)地圖的光伏電站清掃機(jī)器人導(dǎo)航方法

丁 坤，黎 彰，張經(jīng)煒，王 立，劉永杰

(1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022； 2.常州市光伏系統(tǒng)集成與生產(chǎn)裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213022)

光伏發(fā)電廣泛地應(yīng)用在我國(guó)的能源生產(chǎn)領(lǐng)域中，它對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)能減排和建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)起到了積極的促進(jìn)作用[1]。研究表明，光伏組件表面積灰嚴(yán)重影響組件的發(fā)電效率和可靠性。Jiang等[2]發(fā)現(xiàn)，組件表面灰塵沉積密度與發(fā)電效率的降低呈近似的線(xiàn)性關(guān)系，密度由0積累至22 g/m2時(shí)，對(duì)應(yīng)組件發(fā)電效率的降低率由0升至26%。此外，光伏面板上的積灰可能會(huì)導(dǎo)致局部陰影，從而造成熱斑效應(yīng)，損毀光伏組件[3-4]。以光伏電站清潔機(jī)器人來(lái)代替人工完成清潔工作，是提升光伏陣列運(yùn)行維護(hù)效率的發(fā)展趨勢(shì)[5]，因此國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了相關(guān)研究。

已知便攜式光伏電站清掃機(jī)器人一般采用差速式的行走機(jī)構(gòu)，爬行在光伏陣列表面上，通過(guò)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的毛刷進(jìn)行清潔工作[6]。由于光伏陣列四周沒(méi)有防護(hù)裝置，機(jī)器人需要添加傳感器進(jìn)行邊界檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。對(duì)于清掃機(jī)器人邊界檢測(cè)問(wèn)題，王軍[7]使用電感式接近開(kāi)關(guān)對(duì)組件邊沿進(jìn)行限位；侯杰等[8]對(duì)以3個(gè)超聲波傳感器為主體的邊緣檢測(cè)單元進(jìn)行邊界檢測(cè)；張嬋等[9]對(duì)光伏陣列圖像進(jìn)行邊緣識(shí)別，以獲取光伏陣列邊界信息，從而進(jìn)行邊界檢測(cè)。上述方法測(cè)量范圍小，易受測(cè)量精度的影響，從而造成機(jī)器人不能提前做出反應(yīng)，導(dǎo)致機(jī)器人有跌落光伏陣列的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)傳感器獲取的實(shí)時(shí)邊界信息也會(huì)受外界因素的影響，如電感式接近開(kāi)關(guān)會(huì)受磁場(chǎng)干擾而產(chǎn)生誤動(dòng)作[10]，圖像邊緣檢測(cè)容易收到強(qiáng)光的影響而失效[11]，最終導(dǎo)致機(jī)器人跌落。為了解決機(jī)器人跌落的問(wèn)題，引進(jìn)了代價(jià)地圖算法。傳統(tǒng)的代價(jià)地圖算法在障礙物周?chē)O(shè)置一層安全緩沖區(qū)，從而在最短無(wú)碰撞路徑搜索方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但該算法在信息分類(lèi)方面有缺陷，限制了功能的可拓展性，也逐漸表現(xiàn)出應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)障礙物劃分不靈活、路徑規(guī)劃不理想等不足[12]。

本文在傳統(tǒng)代價(jià)地圖的基礎(chǔ)上，將地圖細(xì)分為不同的獨(dú)立代價(jià)層并添加光伏陣列邊界層，共同組成分層代價(jià)地圖，進(jìn)而提出一種基于分層代價(jià)地圖的導(dǎo)航方法。①設(shè)計(jì)一套基于開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)(robot operating system，ROS)的系統(tǒng)架構(gòu)；②分析機(jī)器人的工作環(huán)境，利用光電式接近開(kāi)關(guān)識(shí)別陣列邊界，同時(shí)控制系統(tǒng)采集陣列邊界的尺寸信息并進(jìn)行相應(yīng)的處理，以插件的形式，在經(jīng)典分層代價(jià)地圖的基礎(chǔ)上，增加光伏陣列邊界層，完成圖層的邊界與代價(jià)值的更新，構(gòu)建出機(jī)器人清掃區(qū)域地圖，使機(jī)器人的工作空間約束在光伏陣列內(nèi)；③基于分層代價(jià)地圖，采用多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃策略，實(shí)現(xiàn)清掃區(qū)域全遍歷。通過(guò)測(cè)試本文方法，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了合理避障并在指定區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)，解決了機(jī)器人跌落光伏陣列的問(wèn)題，有效完成了清掃任務(wù)。

1 清掃機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1(a)所示，光伏電站清掃機(jī)器人以帶有滾刷的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成清掃工作。如圖1(b)所示，光伏電站清掃機(jī)器人系統(tǒng)由決策層、執(zhí)行層和感知層組成。機(jī)器人決策層主要負(fù)責(zé)精確定位與清掃區(qū)域建圖、清掃路徑規(guī)劃與導(dǎo)航以及人機(jī)交互等功能，同時(shí)還兼具對(duì)外部傳感器的數(shù)據(jù)采集以及與執(zhí)行層的交互功能。機(jī)器人執(zhí)行層主要負(fù)責(zé)根據(jù)決策層下達(dá)的控制指令轉(zhuǎn)換電機(jī)和滾刷的轉(zhuǎn)速，同時(shí)向決策層上傳采集到的外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)信息。機(jī)器人感知層選用激光雷達(dá)進(jìn)行實(shí)時(shí)障礙物檢測(cè)，同時(shí)以6個(gè)光電接近開(kāi)關(guān)組成邊界檢測(cè)單元，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行雙重保護(hù)，該信號(hào)還用于構(gòu)建環(huán)境地圖。清掃機(jī)器人核心部件選型如表1所示。

圖1 光伏電站清掃機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of photovoltaic cleaning robot

表1 清掃機(jī)器人核心部件

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，采用ROS作為機(jī)器人決策層的操作系統(tǒng)，其具備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)。精確定位和建圖等功能模塊被集成在ROS不同的功能包中，每一個(gè)模塊都可以單獨(dú)設(shè)計(jì)和編譯，并通過(guò)松耦合方式連接，簡(jiǎn)化了機(jī)器人平臺(tái)下的復(fù)雜任務(wù)創(chuàng)建與穩(wěn)定行為控制[13]。

2 清掃區(qū)域地圖的建立

2.1 分層代價(jià)地圖

2014年，Lu等[14]提出了分層代價(jià)地圖的概念，即根據(jù)不同的語(yǔ)義，將原有的代價(jià)地圖細(xì)分為不同的獨(dú)立代價(jià)層，主要有靜態(tài)地圖層、障礙物層、膨脹層等，每一層專(zhuān)注于某一特性類(lèi)型的障礙物，并共同組成主代價(jià)地圖以服務(wù)于路徑規(guī)劃算法。史滿(mǎn)翔等[15-16]基于行人軌跡預(yù)測(cè)生成包含預(yù)測(cè)階段社會(huì)代價(jià)的分層代價(jià)地圖，提供預(yù)測(cè)階段的社會(huì)約束信息，提高了機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。由此可見(jiàn)，可通過(guò)分層代價(jià)地圖添加外界約束信息，借此提高光伏電站清掃機(jī)器人應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力。

2.2 清掃區(qū)域地圖配置方案

光伏電站清掃機(jī)器人工作在存有傾斜角度且距離地面有一定高度的光伏陣列表面上，多數(shù)情況下四周是沒(méi)有明顯建筑特征的空間，大多傳感器無(wú)法獲取有效的數(shù)據(jù)信息，導(dǎo)致無(wú)法采用視覺(jué)SLAM中的方法進(jìn)行地圖的構(gòu)建。分層代價(jià)地圖可以添加感知層無(wú)法獲取的外界約束信息，因此清掃區(qū)域地圖采用基于分層代價(jià)地圖的方法建立。如圖2所示，針對(duì)全局路徑規(guī)劃與局部路徑規(guī)劃的特性分別建立兩幅代價(jià)地圖。

圖2 分層代價(jià)地圖配置方案Fig.2 Configuration scheme of hierarchical cost map

為了使清掃機(jī)器人工作空間約束在光伏陣列內(nèi)，主要進(jìn)行以下兩方面的整改。

a.靜態(tài)地圖層。為實(shí)現(xiàn)全局路徑規(guī)劃，機(jī)器人需要一幅超出其傳感器感知范圍的地圖，以定位靜態(tài)障礙物的位置。針對(duì)光伏電站清掃機(jī)器人的工作環(huán)境，建立一幅比清掃區(qū)域面積大的空白地圖，并加載到主代價(jià)地圖中。

b.光伏陣列邊界層。該圖層為在經(jīng)典分層代價(jià)圖層基礎(chǔ)上添加的新圖層，是清掃區(qū)域建圖的關(guān)鍵圖層。將光伏陣列邊界標(biāo)記為障礙物屬性，但與真實(shí)障礙物不同，實(shí)質(zhì)是一種虛擬的障礙。該圖層存在于膨脹層之上，膨脹層不應(yīng)對(duì)其產(chǎn)生膨脹作用，以避免膨脹層干擾機(jī)器人的全覆蓋清掃任務(wù)。由于可以真實(shí)地反應(yīng)陣列邊界，所以被標(biāo)記的虛擬障礙物形狀應(yīng)與陣列邊界形狀一致，機(jī)器人在該障礙物邊框的限制約束下導(dǎo)航，避免了跌落光伏陣列的風(fēng)險(xiǎn)。

構(gòu)建光伏陣列邊界層，需要確定光伏陣列的邊界尺寸。如圖3(a)所示，建立二維世界坐標(biāo)系，設(shè)定O為坐標(biāo)系原點(diǎn)。假定機(jī)器人從中心點(diǎn)O點(diǎn)移動(dòng)到P點(diǎn)，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)J1、J2、J3和J4同時(shí)為遠(yuǎn)離狀態(tài)時(shí)讀取世界坐標(biāo)系統(tǒng)P坐標(biāo)的(x，y)。則角點(diǎn)的m1坐標(biāo)為

圖3 光伏陣列邊界層創(chuàng)建過(guò)程Fig.3 Creating process of photovoltaic array boundary layer

x1=x+Δlcosθ

(1)

y1=y+Δlsinθ

(2)

式中：Δl為機(jī)器人滾刷前端中部m與中點(diǎn)P的兩點(diǎn)間距，mm；θ為機(jī)器人轉(zhuǎn)角，rad。同理，控制機(jī)器人向其余角點(diǎn)移動(dòng)并得到對(duì)應(yīng)的角點(diǎn)坐標(biāo)。

確定了光伏陣列邊界的角點(diǎn)坐標(biāo)之后，進(jìn)入圖層的創(chuàng)建過(guò)程，具體步驟如圖3(b)所示：①進(jìn)行圖層的初始化，包括初始程序變量、初始地圖邊界，獲取分層代價(jià)地圖的指針等內(nèi)容。②從參數(shù)服務(wù)器加載由機(jī)器人自動(dòng)識(shí)別的光伏陣列邊界角點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)，對(duì)角點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行取整處理。③以?xún)牲c(diǎn)確定一條直線(xiàn)的原則，通過(guò)對(duì)相鄰角點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，并結(jié)合地圖分辨率確定相鄰角點(diǎn)之間所有障礙點(diǎn)的坐標(biāo)，這些連續(xù)的障礙點(diǎn)構(gòu)成了相鄰角點(diǎn)的連線(xiàn)。④執(zhí)行地圖更新過(guò)程，以光伏陣列邊界作為更新圖層的邊界，并存儲(chǔ)所有障礙點(diǎn)的坐標(biāo)。⑤將確定的障礙點(diǎn)賦予占據(jù)屬性的代價(jià)值，從而完成光伏陣列邊界圖層的建立，最后將光伏陣列邊界圖層以插件的形式加載到分層代價(jià)地圖中。

3 導(dǎo)航功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 導(dǎo)航框架

如圖4所示，move_base包是ROS的導(dǎo)航框架，提供了ROS導(dǎo)航的配置、運(yùn)行、交互接口[17]。在move_base包中構(gòu)建清掃區(qū)域地圖后，全局路徑規(guī)劃器接收構(gòu)建好的全局代價(jià)地圖，根據(jù)獲取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系和目標(biāo)點(diǎn)，利用算法實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的全局路徑規(guī)劃。局部路徑規(guī)劃器接收局部代價(jià)地圖，根據(jù)獲取的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系和IMU/里程計(jì)的融合定位數(shù)據(jù)，機(jī)器人沿著規(guī)劃好的全局路徑移動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)DWA算法對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化和更新。最終將規(guī)劃后的控制指令，即線(xiàn)速度與角速度發(fā)布于機(jī)器人執(zhí)行層控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。

圖4 清掃機(jī)器人的導(dǎo)航框架Fig.4 Navigation framework of cleaning robot

3.2 基于多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃策略

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列絕大部分面積的清掃，設(shè)計(jì)了基于多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃策略。如圖5(a)所示，清掃機(jī)器人選用弓字形的清掃路徑，可以在地圖最外側(cè)開(kāi)始移動(dòng)，通過(guò)到達(dá)邊界的折返動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)地圖的全覆蓋。如圖5(b)所示，根據(jù)光伏陣列邊界尺寸、機(jī)器人長(zhǎng)度以及滾刷長(zhǎng)度，在靠近光伏陣列邊界的位置設(shè)置目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)，利用move_base導(dǎo)航系統(tǒng)依次遍歷每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，最終回到起點(diǎn)，完成整個(gè)地圖的遍歷。該過(guò)程的執(zhí)行基于ROS的客戶(hù)端/服務(wù)器架構(gòu)。

圖5 多點(diǎn)巡航全覆蓋清掃流程Fig.5 Full coverage cleaning process based on multi-point cruise

具體流程為：①初始化設(shè)置，主要包括初始化已完成目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量、總目標(biāo)點(diǎn)數(shù)量、運(yùn)行距離和起始時(shí)間等變量；②從參數(shù)服務(wù)器讀取光伏陣列邊界尺寸參數(shù)、機(jī)器人尺寸參數(shù)和全覆蓋清掃次數(shù)等信息；③默認(rèn)機(jī)器人從陣列右下角出發(fā)，此時(shí)機(jī)器人在地圖坐標(biāo)系上為原點(diǎn)，根據(jù)參數(shù)器得到的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算可以覆蓋整個(gè)區(qū)域的所有目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)，建立所需的目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)集；④與move_base服務(wù)器連接成功后，按照順序從導(dǎo)航點(diǎn)集中提取目標(biāo)點(diǎn)，將上輪循環(huán)的導(dǎo)航點(diǎn)作為本輪循環(huán)順序的初始導(dǎo)航位置，計(jì)算本輪循環(huán)行駛到目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)的行駛距離；⑤存儲(chǔ)本輪循環(huán)的位置變量，用于下輪計(jì)算；⑥發(fā)送目標(biāo)點(diǎn)至move_base服務(wù)器，等待服務(wù)器反饋信息，查看是否成功到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)；⑦計(jì)算本輪導(dǎo)航所用的時(shí)間，輸出本次導(dǎo)航的行駛距離和運(yùn)行時(shí)間至終端界面，方便用戶(hù)查看，并從點(diǎn)集中提取下一目標(biāo)點(diǎn)，開(kāi)始下一輪導(dǎo)航，直至到達(dá)最終目標(biāo)點(diǎn)。

3.3 單次清掃的整體規(guī)劃

張宇等[18]發(fā)現(xiàn)光伏組件表面積灰導(dǎo)致發(fā)電量下降最明顯的是前15 d，其功率衰減了13.08%，而后15 d功率衰減量?jī)H增加5.45%。考慮清洗費(fèi)用和年發(fā)電損失的關(guān)系，該最小值所對(duì)應(yīng)的清洗周期約為20 d[19-20]，因此采用20 d為周期進(jìn)行一次清掃的整體規(guī)劃。此外，光伏板面上局部有可能存在難以通過(guò)一輪清掃去除的污物，如陣列邊角大量堆積的灰塵、雨后產(chǎn)生的溝壑狀的污漬和鳥(niǎo)糞等頑固污穢，因此要對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行第二輪清掃。

針對(duì)殘留污染物的清掃方案，提出具體判斷方案。如圖6所示，清掃機(jī)器人根據(jù)清掃區(qū)域建立地圖并進(jìn)行路徑規(guī)劃；機(jī)器人進(jìn)行導(dǎo)航和開(kāi)始清掃工作，清掃過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)清掃區(qū)域是否全覆蓋，直至第一輪清掃結(jié)束。調(diào)取上層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息，將清掃后的各區(qū)域組串支路電流和工作電流比較下降是否超過(guò)20%；串支路電流與清掃后的相鄰區(qū)域?qū)Ρ认陆凳欠癯^(guò)4%；選取另一光伏電站同時(shí)刻、同輻照度與清掃后的區(qū)域?qū)Ρ认陆凳欠癯^(guò)4%[21-22]，3個(gè)條件同時(shí)符合則判斷光伏陣列上殘留灰塵；對(duì)殘留灰塵的區(qū)域進(jìn)行第二輪清掃；清掃結(jié)束，回收機(jī)器人。

圖6 單次清掃策略整體規(guī)劃Fig.6 Overall planning of single cleaning strategy

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 有障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃試驗(yàn)

試驗(yàn)條件和參數(shù)如下：陣列尺寸橫×縱為3.0 m×3.3 m，光伏陣列傾斜角為10°，機(jī)器人大小(長(zhǎng)×寬)為1.00 m×0.55 m，移動(dòng)速度為0.15，機(jī)器人質(zhì)量為25 kg。

圖7(a)為光伏陣列表面上進(jìn)行的試驗(yàn)，模擬安裝工具進(jìn)入清掃區(qū)域的實(shí)拍圖，圖7(b)為rviz界面，顯示了基于分層代價(jià)地圖清掃區(qū)域的完整構(gòu)建結(jié)果。灰色區(qū)域?yàn)殪o態(tài)圖層，粉色矩形框?yàn)楣夥嚵羞吔?，清掃機(jī)器人只能在此邊框內(nèi)進(jìn)行路徑規(guī)劃。綠色實(shí)線(xiàn)為路徑規(guī)劃結(jié)果，黑色實(shí)線(xiàn)為激光雷達(dá)識(shí)別的障礙物，該障礙物四周為膨脹區(qū)域。試驗(yàn)中清掃機(jī)器人從光伏陣列右下角出發(fā)，在靠近光伏陣列邊界處設(shè)置目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)分析可得，基于分層代價(jià)地圖建立的清掃區(qū)域地圖和設(shè)計(jì)的路徑規(guī)劃系統(tǒng)是合理并有效的。

圖7 有障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃Fig.7 Path planning in obstacle environment

4.2 光伏陣列邊界層的防跌落試驗(yàn)

機(jī)器人在不構(gòu)建光伏陣列邊界層的情況下，以傳統(tǒng)代價(jià)地圖算法為基礎(chǔ)進(jìn)行導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)。如圖8(a)所示，機(jī)器人可行駛出光伏陣列邊界外，有跌落光伏陣列的風(fēng)險(xiǎn)，但系統(tǒng)對(duì)此未有應(yīng)急處理方案。圖8(d)中黑線(xiàn)為試驗(yàn)根據(jù)光伏陣列尺寸在rviz系統(tǒng)繪制光伏陣列地圖線(xiàn)。

圖8 光伏陣列邊界層的防跌落試驗(yàn)Fig.8 Experiment on preventing falling of PV array boundary layer

試驗(yàn)根據(jù)光伏陣列尺寸構(gòu)建光伏陣列邊界層，在光伏陣列邊界層外設(shè)置目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)，使機(jī)器人向該點(diǎn)前進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人接近光伏陣列邊界層后，機(jī)器人緊急剎停，停止路徑規(guī)劃并進(jìn)入待機(jī)模式，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告。機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，也具備緊急制動(dòng)功能。手動(dòng)遙控機(jī)器人向光伏陣列邊界層運(yùn)行，在接近光伏陣列邊界層后，機(jī)器人會(huì)緊急剎停并斷開(kāi)遙控控制。通過(guò)試驗(yàn)分析可得，分層代價(jià)地圖的構(gòu)建可使機(jī)器人能夠有效識(shí)別邊界信息并提前做出反應(yīng)，從而有效地解決機(jī)器人跌落光伏陣列的問(wèn)題。

4.3 多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃試驗(yàn)

試驗(yàn)根據(jù)光伏陣列邊界尺寸、機(jī)器人長(zhǎng)度以及滾刷長(zhǎng)度，在靠近陣列邊界的位置設(shè)置目標(biāo)導(dǎo)航點(diǎn)集。設(shè)置機(jī)器人從光伏陣列右下角出發(fā)，最大線(xiàn)速度為0.15 m/s，最大角速度為0.6 rad/s，機(jī)器人依次向設(shè)置的導(dǎo)航點(diǎn)前進(jìn)，完成對(duì)清掃區(qū)域的全覆蓋，最終回到原點(diǎn)。圖9(a)(b)(c)為機(jī)器人全覆蓋清掃的實(shí)拍過(guò)程，圖9(d)(e)(f)為機(jī)器人全覆蓋清掃的路徑規(guī)劃結(jié)果，其中綠實(shí)線(xiàn)為采用A星算法的全局路徑規(guī)劃，紅實(shí)線(xiàn)為采用DWA算法的局部路徑規(guī)劃，表2為機(jī)器人清掃的具體情況。通過(guò)該試驗(yàn)分析可得，基于多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃策略，機(jī)器人可以較好地完成清掃任務(wù)，該方法設(shè)計(jì)合理。

圖9 基于多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃Fig.9 Full coverage cleaning based on multi-point Cruise

表2 機(jī)器人清掃試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.4 已清掃區(qū)域發(fā)電性能檢測(cè)試驗(yàn)

選取6塊相同材質(zhì)、相同面積的光伏組件構(gòu)成兩個(gè)清掃區(qū)域，在相同傾角和輻照度下，從上層監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人清掃過(guò)的區(qū)域與未清掃區(qū)域進(jìn)行對(duì)比。如圖10(a)所示，未清掃區(qū)域的最大功率點(diǎn)下降，曲線(xiàn)發(fā)生變形扭曲。經(jīng)過(guò)機(jī)器人全覆蓋清掃的區(qū)域，最大功率點(diǎn)上升，實(shí)測(cè)電流-電壓特性曲線(xiàn)趨于正常(圖中環(huán)境溫度為23.9℃;輻射度為546.9 W/m2)。如圖10(b)所示，清掃機(jī)器人對(duì)某一清掃區(qū)域進(jìn)行全覆蓋清掃后，獲取其10 min的實(shí)測(cè)功率曲線(xiàn)。由實(shí)測(cè)功率曲線(xiàn)可得，已清掃區(qū)域的實(shí)測(cè)輸出功率相對(duì)于未清掃區(qū)域，經(jīng)計(jì)算平均增加約14%。

圖10 光伏組件陣列輸出曲線(xiàn)Fig.10 Output curve of PV module array

5 結(jié) 語(yǔ)

在光伏陣列試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了有障礙環(huán)境下的路徑規(guī)劃試驗(yàn)、光伏陣列邊界層的防跌落試驗(yàn)、多點(diǎn)巡航的全覆蓋清掃試驗(yàn)和已清掃區(qū)域發(fā)電性能檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，本文提出的基于分層代價(jià)地圖的導(dǎo)航方法解決了光伏電站清掃機(jī)器人可能出現(xiàn)的跌落問(wèn)題，并且機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)合理避障功能和全覆蓋清掃工作。清掃后光伏陣列實(shí)測(cè)電流-電壓特性曲線(xiàn)趨于正常，輸出功率上升，機(jī)器人能夠高效地完成清掃工作。