基于視覺伺服控制的光伏板清洗系統設計

虎民飛，孟一飛，王 葭

（寧夏大學 物理與電子電氣工程學院，銀川750021）

隨著科學技術和工業技術的不斷發展，光伏發電產業的發展已經成為我國能源安全和生態可持續發展的重要保障之一。但光伏板上污漬點引起的熱斑現象[1]對光伏板的損害非常嚴重，給企業和投資者帶來巨大的經濟損失。然而光伏板的清洗維護工作困難重重，光伏板的清洗維護工作量大，耗材耗力。近幾年來，陸續出現的大型自動化清洗光伏板機械設備體積大，對光伏板規格要求嚴格，對地勢要求高，造價大[2-4]，因此，效率低下的人工清洗、極其耗水的高壓水槍清和清洗效果差的噴淋清被廣泛使用。基于以上問題，提出了光伏板清洗視覺伺服控制系統，實現對光伏板污漬點的視頻檢測、定位以及機械臂末端對污漬點的對準和噴洗，節約水資源，提高光伏板清洗效率，增加光伏發電經濟效益。

文章主要設計基于改進型模糊PID 算法的視覺伺服控制系統，在小型機械臂上實現精準定位清理污漬點。最后的實驗結果說明設計的光伏板清洗控制系統可以控制機械臂末端精準定位對準到光伏板污漬點，實現污漬點的清洗。

本文創新點如下：①提出以污漬點與畫面中心點的偏移量作為視覺伺服[6]控制系統環路的反饋信息，利用機器視覺實現機械臂對光伏板污漬點精確對準的負反饋控制環路；②采用了提出的改進型模糊PID 控制算法作為視覺伺服控制系統的核心控制算法，控制機械臂精準定位到光伏板污漬。

1 系統設計

1.1 光伏板清洗系統

如圖1所示，光伏板清洗系統由2 個子系統組成，為污漬點視頻圖像檢測系統和光伏板清洗視覺伺服控制系統。污漬點視頻圖像檢測系統的作用是處理攝像頭拍攝到的光伏板污漬圖像，檢測污漬點并獲得污漬點在攝像頭圖像中的相對位置信息，用作光伏板清洗視覺伺服控制系統的輸入參數。光伏板清洗視覺伺服控制系統處理獲得的污漬點相對位置信息， 通過改進型模糊PID 控制器控制機械臂對準清洗光伏板污漬。為此以光伏板清洗視覺伺服控制系統為主要研究對象， 介紹說明此子系統在光伏板清洗機械臂系統中的設計原理與實現過程。

圖1 光伏板清洗系統框圖Fig.1 Block diagram of photovoltaic panel cleaning system

1.2 視覺伺服控制系統

伺服控制系統如圖2所示，由輸入信號r、伺服誤差e、控制器控制函數K（s）、控制信號u、執行系統G（s）和位置輸出y 構成。本文基于經典伺服控制系統，設計了光伏板清洗視覺伺服控制系統，如圖3所示。共由四大部分構成，信息數據誤差輸入預處理部分（對應伺服控制系統的輸入信號r、伺服誤差e）、控制算法執行部分（對應伺服控制系統的控制函數K（s）、控制信號u）、機械臂定位對準光伏板部分（對應執行系統G（s）、位置輸出y）、反饋信息部分（對應反饋支路）。其中信息數據誤差輸入是由攝像頭實時獲取的污漬點位置坐標信息和攝像頭與光伏板距離信息組成。經預處理后的信息輸入改進型模糊PID 控制器，運算輸出機械臂移動的控制信號，最終機械臂末端對準污漬點噴射清洗。

圖2 經典伺服控制系統Fig.2 Classical servo control system

2 視覺伺服控制原理與過程

2.1 改進型模糊PID 控制器

圖3 光伏板清洗視覺伺服控制系統框圖Fig.3 Block diagram of visual servo control system for photovoltaic panel cleaning

光伏板清洗視覺伺服控制系統的核心控制算法是改進型模糊PID 控制算法。較之PID 系列的各種經典控制器[7-8]，提出的改進型模糊PID 控制器具有實時在線修正參數、系統響應時間快、超調量低、控制精度高、適應性強、靈活性高等優點。圖4是改進型模糊PID 控制器的系統框圖，由模糊控制器和改進型PID 控制器組成， 其中e 為輸入誤差，ec 為誤差變化率，Kp、Ki、Kd由式（1）確定。

圖4 改進型模糊PID 控制器Fig.4 Betterment fuzzy-PID controller

2.1.1 模糊控制器

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎的智能控制理論，通過模糊語言變量描述了人們操作經驗以及常識推理規則[9-11]。模糊控制器在運行中不斷的更新輸入誤差e 和誤差變化率ec，經過模糊算法后，輸出改進型PID 控制器的增量控制參數Δkp、Δki、Δkd。

模糊化即對模糊控制器的輸入和輸出進行模糊操作，根據實際需要，控制機械臂運動的輸入誤差變量e 的量化因子ke=0.0375，模糊論域取值［-80，80］，輸入誤差變化率ec 的量化因子kec=0.2，模糊論域取值為［-160，160］，輸出參數Δkp、Δki、Δkd的模糊論域取值分別為［-0.3，3］、［-0.5，5.3］、［0，2.5］。為提高機械臂伺服控制系統的精度，本設計將輸入輸出語言變量均分成了7 個模糊化子集，分別用負大、負中、負小、零、正小、正中、正大表示，定義為｛NB NM NS ZE PS PM PB｝[12]。輸入話語變量隸屬度函數選擇三角型，輸出話語變量隸屬度函數選擇雙邊高斯型，圖5和圖6所示為輸入、輸出參數的隸屬度函數。

圖5 輸入參數的隸屬度函數Fig.5 Membership function of input parameters

圖6 輸出參數的隸屬度函數Fig.6 Membership function of output parameters

根據模糊控制規則和實際情況需求，制定了表1所示的增量控參數Δkp、Δki、Δkd模糊規則表，依據模糊規則表，共可制定49 模糊推理規則。

使用的解模糊方法為重心法，所謂重心法即取模糊隸屬函數曲線與橫坐標軸所圍成面積的重心作為代表點，理論上計算輸出范圍內連續點的重心[13-14]。重心法的離散數學模型公式為

式中：z0為模糊控制器輸出量解模糊后的精確值；zi為被控量論域內的值；uc（zi）為zi的隸屬度值。

表1 被控參數Δkp，Δki，Δkd 模糊規則表Tab.1 Fuzzy rules of controlled parameters Δkp，Δki，Δkd

2.1.2 改進型PID 控制器

改進型PID 控制器是在常規PID 控制器中對積分單元I 和微分單元D 做一定條件的限定。在輸入誤差和誤差的變化率很大時，系統響應的超調量增大。為使被控系統能夠更快地趨于穩定狀態、靜態誤差減小、超調量降低，設計了改進型PID 控制器，其數學模型如式（3）和式（4）所示：

式中：kp為比例系數；ki為積分系數；kd為微分系數；β 為積分項開關系數；λ 為微分項倍數系數；ε 為誤差閾值系數，其中λ 和ε 數值的選取需要根據實際需要確定。

本設計中， 根據專家經驗和多次手動試調工作，最終選取的改進型模糊PID 控制器參數為kp=7，ki=9，kd=47，λ=［0，1］，ε=110。

2.2 視覺伺服控制過程

設計的光伏板清洗視覺伺服控制系統實現過程由以下幾步完成：

（1）光伏板清洗視覺伺服控制系統的數據預處理模塊首先處理由污漬點視頻圖像檢測系統檢測到的視頻圖像污漬位置信息和圖像中心點位置信息，得到污漬點與視頻畫面中心點的偏移量及偏移量的變化率；

（2）污漬點與視頻畫面中心點的偏移量及偏移量的變化率作為改進型模糊PID 控制器的二維輸入參數變量，經控制器計算處理后得到精確控制機械臂運動的控制數據信息；

（3）單片機系統編碼數據信息，驅動步進電機控制機械臂末端對準光伏板污漬；

（4）污漬點視頻檢測系統繼續獲取當前機械臂定位到的污漬點位置信息，若當前污漬點位置信息與視頻畫面中心的偏移量不在系統設置的誤差范圍內，轉到第（2）步，直到確定污漬點位置在誤差允許范圍內， 此時機械臂精確定位對準到污漬點，開啟噴射裝置清洗光伏板污漬。

3 實驗結果分析

首先使用Matlab 工具箱中的模糊邏輯工具箱和Simulink 仿真環境對小型機械臂傳遞函數為式（5）的步進電機進行仿真實驗。

圖7為改進型模糊PID 控制器、模糊PID 控制器、常規PID 控制器及模糊控制器對于二階系統幅值為60 的階躍響應曲線圖。從圖中可以得出，改進型模糊PID 控制器和模糊PID 控制器系統響應時間快，達到穩態用時約0.3 s，超調量約為0.21%；常規PID 控制器系統響應時間最快，系統到達穩態用時約0.25 s，但超調量高達64%；模糊控制器系統響應時間慢，系統到達穩態用時約3 s。

圖7 四種不同控制器階躍響應曲線圖Fig.7 Step response curves of four different controllers

以上結果說明提出設計的改進型模糊PID 和常規的模糊PID 控制器在設計的系統上響應優于常規PID 控制器和模糊控制器。

圖8為改進型模糊PID 控制器和模糊PID 控制器取值ke=0.0375，kec=0.2，kp=7，ki=9，kd=47 時，三角波和方波響應和誤差量e 變化的曲線圖。從圖中可以得出，當系統的誤差變大時，模糊PID 控制器的超調量和系統達到穩態時間均高于設計的改進型模糊PID 控制器。以上結果說明改進型模糊PID 控制器對步進電機系統的控制效果要優于常規模糊PID 控制器。

圖8 三角波、方波響應對比圖Fig.8 Comparison diagram of triangular and square wave responses

最后，使用小型機械臂在設計的視覺伺服控制系統上進行了機械臂精準定位、污漬清理的驗證工作。實驗結果表明，攝像機剛開始捕獲定位到的光伏板污漬并不在視頻圖像的中心，如圖9（a）所示，機械臂末端沒有對準光伏板污漬。經過視覺伺服控制系統作用后， 機械臂末端對準了光伏板污漬，使污漬點處于視頻畫面中心，如圖9（b）所示，此時開啟光伏板噴洗設備即可對光伏板進行的噴洗操作，清洗效果理想。

圖9 機械臂末端對準光伏板污漬Fig.9 End of the arm is aimed at the stain on the photovoltaic panel

4 結語

根據機械臂的靈活、精度高和集成度高的特性，研究設計了光伏板清洗系統。本系統可實現光伏板污漬的對準清洗，節約水源，增加光伏發電的經濟效益。同時，基于改進型模糊PID 控制算法的視覺伺服控制系統較之其它類型的控制系統，可以更高效、 更安全地控制機械臂末端對準光伏板污漬，使光伏板污漬處于視頻圖像的正中心，實現污漬點的定點清洗。較之其它光伏板清洗設備，本文設計的視覺伺服控制系統可以在線實時控制機械臂、系統響應速度快、誤差小、超調量小、精度高、清洗效果理想。光伏板清洗視覺伺服控制系統經過不斷的調參優化，機械臂定位的精確度較高，為視覺伺服控制系統研究提供素材，具有廣泛的實際應用價值。