一種新型太陽能光伏板清潔機器人控制系統的設計

閆九祥,王亞麗*,魏盼盼,張國輝,姬芳

(1.山東省科學院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.愚公機械股份有限公司，山東 滕州 277500；3.山東華冶冶金設備制造有限公司，山東 滕州 277500)

一種新型太陽能光伏板清潔機器人控制系統的設計

閆九祥1,王亞麗1*,魏盼盼2,張國輝3,姬芳2

(1.山東省科學院自動化研究所，山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，山東 濟南 250014；2.愚公機械股份有限公司，山東 滕州 277500；3.山東華冶冶金設備制造有限公司，山東 滕州 277500)

設計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器人控制系統，實現機器人底盤調平、直線行走、機械臂清潔、清掃和吸塵等全自動化作業。控制系統采用專用運動控制器TTC60作為控制核心，利用電控比例閥組成的液壓系統，使機器人按清洗工序順序動作，結合機械調平機構，能夠在地面不平時對平面光伏板進行自動清掃和吸塵，以1 km/h可以實現3 000 m2/h的清掃。

光伏板；機器人；自主行走；電控比例閥

目前太陽能發電的規模已達到了前所未有的程度。隨著太能發電站的不斷建設，太陽能光伏板的清潔工作成為了新的研究課題。清潔機器人是一種特殊的智能服務機器人，作業對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[1]。由于光伏電站一般都位于較為惡劣的自然環境中，例如荒漠電站還面臨著非常嚴重的缺水問題，而光伏電站的太陽能板數量高達上萬塊乃至數十萬塊，即便有充足的水源、設備和人力，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，傳統的人工清洗方式既危險、效率又低而且成本很高。國外已經研發了一些用于光伏板清洗的移動機器人，比如以色列的太陽能電池板清理系統Ecoppia E4機器人(圖1)和日本Miraikikai公司開發的機器人(圖2)，但目前普及性還不高。究其原因，機器人的移動范圍、實用性、清洗工藝和效率等關鍵問題制約了清洗機器人的發展。

圖1 Ecoppia E4機器人Fig.1 Ecoppia E4 robots

圖2 日本Miraikikai公司開發的機器人Fig.2 Robots developed by Miraikikai,Japan

國內開發的車載式清潔機器人多存在以下缺陷：行駛作業速度不均勻；清洗工作裝置與太陽能板間距及高度距離調節滯后嚴重；大量用水；車身不具備調平功能，路面不平時工作裝置擺動過大；末端工作裝置與太陽能板靠“伺服電機-齒輪絲杠”電機機械傳動調節，存在傳動速度慢，無法實現高效行走清洗作業的調節需求。要達到較好的清潔效果，要求所設計的機器人具有克服復雜路面狀況的能力，同時具有操作簡便、用水量少等等[2]。本文設計實現的清潔機器人具有智能化程度高、功能集成性好、工作效率高等特點，能夠降低光伏電站維護人員的工作強度，并改善其工作環境,對降低人力成本具有重要作用。

1 光伏板清潔機器人總體結構設計

國內外的太陽能板清洗機器人大多是爬行式結構，此種方案大多不方便移動、清潔效率低下，針對此現狀，本文采用了一種高性價比的機器人系統，在降低成本的同時還考慮清洗機器人的質量和穩定性的優化。該機器人主要結構如圖3所示。

1 輥刷；2 刷架旋轉電機；3 調幅液壓缸；4 三級伸縮液壓缸；5 二級液壓缸；6 一級液壓缸；7 主臂回轉液壓缸；8 車身調平液壓缸；9 第一行走馬達；10 第二行走馬達；11 刷架。圖3 光伏板清潔機器人構成Fig.3 Architecture of cleaning robots for photovoltaics

太陽能板清洗機器人采用履帶式底盤，由四輪兩帶、行走馬達及機架組成，用于整機行走；行走機構上安裝了速度傳感器，用于行走速度的反饋；平臺主體框架主要由左、右和前、后共4個液壓缸來實現支撐和調節；在平臺主體上安裝了雙軸傾角傳感器，用于反饋平臺的平面度，通過控制液壓缸可以實現左右和前后兩個坐標軸的調整，使整個車身保持在一個相對水平的平面內，此設計主要是為了保證平臺的平穩性；動作執行機構主要是由三級液壓缸、調幅液壓缸和旋轉電機等組成，通過對這幾個液壓缸和電機的控制來實現機器人的姿態調整，使其滿足清潔動作的要求；配以噴霧、吸塵、清掃等機構，主要是來完成機器人的清潔功能，通過三級清潔配合，使清潔效果達到要求。其中，三級伸縮臂處安裝有距離傳感器，用以反饋三級臂的伸縮狀態；旋轉電機處安裝有行程開關，用以判斷執行末端的轉向；刷架上安裝有距離傳感器，用以檢測執行末端與太陽能板之間的距離，保證機器人能安全工作，提高可靠性。

2 光伏板清潔機器人控制系統的實現

2.1 系統組成

光伏板清潔機器人的控制系統與其他清潔機器人相比，具有抗干擾性能高、總線控制擴展方便、一鍵行走控制操作簡單等優點。

光伏板清潔機器人的控制系統主要由液壓系統和電氣控制系統組成。液壓系統包括執行元件、控制元件等。把各液壓元件通過油管連接起來即組成機器人的液壓系統，該系統的功能是以油液為介質把發動機的機械能通過油泵轉變為液壓能，再傳送給液壓缸、液壓馬達等執行機構轉變為機械能，實現各種運動和工作過程。機器人液壓系統執行元件主要由能實現直線往復運動的液壓缸和能實現往復旋轉運動的液壓馬達[3]構成。液壓缸和液壓馬達的速度和方向由電控液壓比例閥控制，為了增加臂架動作的平穩性和安全性，在液壓缸和液壓馬達上加裝了平衡閥[4-5]。在清潔機器人工作過程中，負載壓力和油源壓力都不是固定的，對于期望的油缸速度和馬達轉速，存在一個最佳的主控制閥開度與平衡閥開啟壓力相配合。

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

(1)發動機控制單元。通過CAN總線與控制器通訊，接收控制器的指令，完成對發動機油門的自動控制，同時該單元還負責整個機器人的空調系統的調節功能。

(2)數據采集設備。主要分布在太陽能板清洗機器人本體上，用于采集光伏板清洗機器人的環境數據，并發送至控制器解析。

(3)控制器。作為整個控制系統的核心，用于接收數據采集設備采集的數據，并對所采集的數據進行綜合分析處理，控制機器人作業，整個控制系統的算法也需通過控制器來實現。

(4)顯示器。通過CAN總線與控制器進行通訊，主要用于顯示整個系統的實時數據以及工作狀況。

(5)傳感器和執行元件。用來采集數據和執行動作，而最終的執行元件是液壓缸、馬達和電機。

2.2 運行流程

光伏板清潔機器人的運行流程為接通電源后，先根據工作環境選擇運行速度(高速或低速)；再根據工作需求在人機界面選擇工作模式，包括手動行走、姿態調整和一鍵行走，機器人根據模式的選擇進行判斷并調用相關的子程序。手動行走時，直接操作手柄進行前進、后退和轉彎操作；姿態調整時，已經將各動作的操作與手柄的操作一一分組對應，執行某元件的動作時，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，先將機器人的姿態手動調整到近似目標姿態，再選擇人機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現。機器人無需人員操作，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立分開的，只有在特殊情況下才進行停車調節。機器人持續不斷地進行監測和動作，最終實現對光伏板的清潔工作。

手動操作時，操作人員通過兩個手柄輸入信號來控制各個執行元件的動作；一鍵行走時，操作人員只需坐在操作室里，機器人會根據轉速傳感器的反饋來調節機器人左右行走馬達按照直線行走，同時也會根據機器人上安裝的傾角傳感器來調節車身平衡。當處于一鍵行走模式時，清洗機器人會根據機器人末端的超聲波傳感器測量執行末端與清洗表面之間的距離，通過控制距離值來調節執行末端的動作。機器人通過輥刷清掃、馬達吸塵、高壓噴霧三級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。電氣控制系統組成如圖4所示。

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

2.3 主要功能的實現

整個控制系統實現的主要功能包括以下3項：

(1) 車身的自動調平。對于行走和作業于非水平環境的機械，車身狀態還直接影響著駕駛員勞動強度、工作裝置作業范圍、燃油等液體的安全儲備等性能。實現任何狀態下的車身自動調平，是行走類機械的共性關鍵技術。車身采用四只對稱布置的液壓調平油缸、連接底架和平臺的十字形萬向節、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，根據車身的姿態反饋，經過控制器的處理轉換成控制信號傳給電控比例閥來控制液壓缸的動作，整個控制過程通過算法實現平穩快速的響應，使車身始終維持在一個相對的平面內。車身實現自動調平后，當路面有崎嶇不平路況時，將會減少對執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。

(2) 自主行走技術。光伏板清潔機器人是由一個移動平臺搭載清潔系統，在平臺的行走過程中，還要進行光伏板的清潔工作，加入自主行走技術，移動平臺將會根據實際的行走路線進行自動調整，使移動平臺能依靠數字傳感控制系統實現定速直線巡航作業，具備自動糾偏功能。自主行走技術可以解放操作人員的雙手，使其有更多的精力去監測系統的運行狀況。

機器人的行走部分分為驅動輪、防塵外圈、齒輪轉速傳感器、齒圈、防塵內圈、車架和行走減速機等部分。在驅動輪上安裝防塵外圈，在行走減速機上安裝齒圈，在車架上安裝防塵內圈。在防塵內圈上設有一個安裝孔，在孔內安裝一個齒輪轉速傳感器。行走減速機轉動時帶動齒圈轉動，齒輪轉速傳感器就能檢測到并將其轉化成電信號傳送到控制中心，經過控制器的處理來控制馬達的速度，實現定速巡航作業。

(3) 自動調節發動機的輸出功率。整個系統的執行元件均采用液壓馬達或者液壓缸，由于是大負載的移動平臺，所以在耗能方面也會大幅增加，根據實際的工作需求來匹配發動機的輸出，能大量地節約能耗。對于適用于大型光伏板清潔的智能移動平臺，在搭載了光伏板清潔系統之后，動力的需求也隨之增加。必備的行走動力要增加非公路、非硬化路面、海拔等因素，還有車身自動調平系統、清洗動力頭組件及臂架所需動力、吸塵風機動力、蒸汽發生器動力等。根據實際工況，將動力需求分為行走作業和非作業狀態進行設計分析，將常規清洗作業動力選定為額定動力的60%，在確保動力儲備需求的前提下，通過各種數據的檢測以及控制算法來實現發動機的功率匹配，達到優化的目的，實現動力最小化設計。

3 機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

以下為末端調節算法的部分代碼：

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

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

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

CASE work_mode OF 0:;(*錯誤*) out:=0;

1:;(*左側*) 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;(左側時判斷前面安全保護范圍)

B_safe_protect:=UDSensor1_Value

UDSensor1_Value>UDSensor_Value_work_max; (左側時判斷后面安全保護范圍)

2:;(*右側*) 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; (右側時判斷前面安全保護范圍)

B_safe_protect:=UDSensor3_Value

UDSensor3_Value>UDSensor_Value_work_max; (右側時判斷后面安全保護范圍)

END_CASE

4 結論

太陽能板清潔機器人的開發，擺脫了完全手動操作的弊端，兩種操作模式的切換，減輕了操作者的勞動強度，以1 km/h速度可以實現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效率低等問題，并且通過清掃、吸塵和噴霧三級清潔，效果良好。基于CAN總線設計的控制系統，完美地實現了顯示器、控制器和發動機等控制系統的融合，使各部分有機地組合成為一個控制整體，整個系統更易于擴展，便于后期功能的擴充。

[1]周利坤，劉宏昭，李悅. 清洗機器人研究現狀與關鍵技術綜述[J]. 機械科學與技術，2014，33(5)：635-642.

[2]矯玉菲，侯榮國，蘇秋平，等.一種新型智能清潔機器人及其控制方法[J].制造業自動化，2013，35(12)：26-29.

[3]李悅，周利坤，馮建偉，等. 基于PLC 與電液伺服的油罐清洗機器人控制系統設計[J].機床與液壓，2014，42(9)：37-40.

[4]徐彥，劉杰，孫光復，等. 剛柔耦合運動對起重機吊臂振動固有頻率的影響[J].機械工程學報，2006，42 (8)：142-145.

[5]韓慧仙，劉茂福，李偉. 起重機臂架的電液控制系統設計[J]. 機械科學與技術，2013,32(4)：577-583.

[6]王碩，陶學恒，李玉光. 一種自動清洗玻璃窗的機器人[J]. 組合機床與自動化加工技術，2012，1(1)：103-112.

[7]張澎濤，錢志源，付莊，等.一種雙負壓吸盤壁面清洗機器人及其控制系統研究[J]. 機械設計與制造，2005，9(9)：76-78.

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

院地聯合基金(ZX1515)

閆九祥(1989—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為機器人、自動化生產線控制。

*通信作者，王亞麗(1979—)，女，工程師，研究方向為機器人、自動化生產線控制。E-mail:wy19801151@163.com

TP242.3

A

1002-4026(2017)04-0112-06