一种新型太阳能光伏板清洁机器人控制系统的设计

闫九祥,王亚丽*,魏盼盼,张国辉,姬芳

(1.山东省科学院自动化研究所，山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，山东 济南 250014；2.愚公机械股份有限公司，山东 滕州 277500；3.山东华冶冶金设备制造有限公司，山东 滕州 277500)

一种新型太阳能光伏板清洁机器人控制系统的设计

闫九祥1,王亚丽1*,魏盼盼2,张国辉3,姬芳2

(1.山东省科学院自动化研究所，山东省机器人与制造自动化技术重点实验室，山东 济南 250014；2.愚公机械股份有限公司，山东 滕州 277500；3.山东华冶冶金设备制造有限公司，山东 滕州 277500)

设计了一种新型的用于大型太阳能光伏电站光伏板清洁工作的机器人控制系统，实现机器人底盘调平、直线行走、机械臂清洁、清扫和吸尘等全自动化作业。控制系统采用专用运动控制器TTC60作为控制核心，利用电控比例阀组成的液压系统，使机器人按清洗工序顺序动作，结合机械调平机构，能够在地面不平时对平面光伏板进行自动清扫和吸尘，以1 km/h可以实现3 000 m2/h的清扫。

光伏板；机器人；自主行走；电控比例阀

目前太阳能发电的规模已达到了前所未有的程度。随着太能发电站的不断建设，太阳能光伏板的清洁工作成为了新的研究课题。清洁机器人是一种特殊的智能服务机器人，作业对象是附着或者粘附在物体表面的污垢、污泥等有害、较难清洗的物质[1]。由于光伏电站一般都位于较为恶劣的自然环境中，例如荒漠电站还面临着非常严重的缺水问题，而光伏电站的太阳能板数量高达上万块乃至数十万块，即便有充足的水源、设备和人力，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，传统的人工清洗方式既危险、效率又低而且成本很高。国外已经研发了一些用于光伏板清洗的移动机器人，比如以色列的太阳能电池板清理系统Ecoppia E4机器人(图1)和日本Miraikikai公司开发的机器人(图2)，但目前普及性还不高。究其原因，机器人的移动范围、实用性、清洗工艺和效率等关键问题制约了清洗机器人的发展。

图1 Ecoppia E4机器人Fig.1 Ecoppia E4 robots

图2 日本Miraikikai公司开发的机器人Fig.2 Robots developed by Miraikikai,Japan

国内开发的车载式清洁机器人多存在以下缺陷：行驶作业速度不均匀；清洗工作装置与太阳能板间距及高度距离调节滞后严重；大量用水；车身不具备调平功能，路面不平时工作装置摆动过大；末端工作装置与太阳能板靠“伺服电机-齿轮丝杠”电机机械传动调节，存在传动速度慢，无法实现高效行走清洗作业的调节需求。要达到较好的清洁效果，要求所设计的机器人具有克服复杂路面状况的能力，同时具有操作简便、用水量少等等[2]。本文设计实现的清洁机器人具有智能化程度高、功能集成性好、工作效率高等特点，能够降低光伏电站维护人员的工作强度，并改善其工作环境,对降低人力成本具有重要作用。

1 光伏板清洁机器人总体结构设计

国内外的太阳能板清洗机器人大多是爬行式结构，此种方案大多不方便移动、清洁效率低下，针对此现状，本文采用了一种高性价比的机器人系统，在降低成本的同时还考虑清洗机器人的质量和稳定性的优化。该机器人主要结构如图3所示。

1 辊刷；2 刷架旋转电机；3 调幅液压缸；4 三级伸缩液压缸；5 二级液压缸；6 一级液压缸；7 主臂回转液压缸；8 车身调平液压缸；9 第一行走马达；10 第二行走马达；11 刷架。图3 光伏板清洁机器人构成Fig.3 Architecture of cleaning robots for photovoltaics

太阳能板清洗机器人采用履带式底盘，由四轮两带、行走马达及机架组成，用于整机行走；行走机构上安装了速度传感器，用于行走速度的反馈；平台主体框架主要由左、右和前、后共4个液压缸来实现支撑和调节；在平台主体上安装了双轴倾角传感器，用于反馈平台的平面度，通过控制液压缸可以实现左右和前后两个坐标轴的调整，使整个车身保持在一个相对水平的平面内，此设计主要是为了保证平台的平稳性；动作执行机构主要是由三级液压缸、调幅液压缸和旋转电机等组成，通过对这几个液压缸和电机的控制来实现机器人的姿态调整，使其满足清洁动作的要求；配以喷雾、吸尘、清扫等机构，主要是来完成机器人的清洁功能，通过三级清洁配合，使清洁效果达到要求。其中，三级伸缩臂处安装有距离传感器，用以反馈三级臂的伸缩状态；旋转电机处安装有行程开关，用以判断执行末端的转向；刷架上安装有距离传感器，用以检测执行末端与太阳能板之间的距离，保证机器人能安全工作，提高可靠性。

2 光伏板清洁机器人控制系统的实现

2.1 系统组成

光伏板清洁机器人的控制系统与其他清洁机器人相比，具有抗干扰性能高、总线控制扩展方便、一键行走控制操作简单等优点。

光伏板清洁机器人的控制系统主要由液压系统和电气控制系统组成。液压系统包括执行元件、控制元件等。把各液压元件通过油管连接起来即组成机器人的液压系统，该系统的功能是以油液为介质把发动机的机械能通过油泵转变为液压能，再传送给液压缸、液压马达等执行机构转变为机械能，实现各种运动和工作过程。机器人液压系统执行元件主要由能实现直线往复运动的液压缸和能实现往复旋转运动的液压马达[3]构成。液压缸和液压马达的速度和方向由电控液压比例阀控制，为了增加臂架动作的平稳性和安全性，在液压缸和液压马达上加装了平衡阀[4-5]。在清洁机器人工作过程中，负载压力和油源压力都不是固定的，对于期望的油缸速度和马达转速，存在一个最佳的主控制阀开度与平衡阀开启压力相配合。

由于清洗机器人工作环境的特殊性，要求控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、易于功能扩展等特点[6-7]，因此选用工程机械专用的控制器TTC60。其主控系统主要包括：

(1)发动机控制单元。通过CAN总线与控制器通讯，接收控制器的指令，完成对发动机油门的自动控制，同时该单元还负责整个机器人的空调系统的调节功能。

(2)数据采集设备。主要分布在太阳能板清洗机器人本体上，用于采集光伏板清洗机器人的环境数据，并发送至控制器解析。

(3)控制器。作为整个控制系统的核心，用于接收数据采集设备采集的数据，并对所采集的数据进行综合分析处理，控制机器人作业，整个控制系统的算法也需通过控制器来实现。

(4)显示器。通过CAN总线与控制器进行通讯，主要用于显示整个系统的实时数据以及工作状况。

(5)传感器和执行元件。用来采集数据和执行动作，而最终的执行元件是液压缸、马达和电机。

2.2 运行流程

光伏板清洁机器人的运行流程为接通电源后，先根据工作环境选择运行速度(高速或低速)；再根据工作需求在人机界面选择工作模式，包括手动行走、姿态调整和一键行走，机器人根据模式的选择进行判断并调用相关的子程序。手动行走时，直接操作手柄进行前进、后退和转弯操作；姿态调整时，已经将各动作的操作与手柄的操作一一分组对应，执行某元件的动作时，直接操作手柄上的切换键和操作手柄控制即可；一键行走时，先将机器人的姿态手动调整到近似目标姿态，再选择人机界面上的一键行走模式，通过各传感器的反馈和控制算法的实现。机器人无需人员操作，即可完成直线行走以及光伏板的清洁工作，其中行走控制和末端清洁控制是独立分开的，只有在特殊情况下才进行停车调节。机器人持续不断地进行监测和动作，最终实现对光伏板的清洁工作。

手动操作时，操作人员通过两个手柄输入信号来控制各个执行元件的动作；一键行走时，操作人员只需坐在操作室里，机器人会根据转速传感器的反馈来调节机器人左右行走马达按照直线行走，同时也会根据机器人上安装的倾角传感器来调节车身平衡。当处于一键行走模式时，清洗机器人会根据机器人末端的超声波传感器测量执行末端与清洗表面之间的距离，通过控制距离值来调节执行末端的动作。机器人通过辊刷清扫、马达吸尘、高压喷雾三级来完成太阳能板的清洗，能彻底的清洗太阳能板的表面灰尘。电气控制系统组成如图4所示。

图4 光伏板清洁机器人控制系统方案Fig.4 Control-system scheme of cleaning robots for photovoltaics

2.3 主要功能的实现

整个控制系统实现的主要功能包括以下3项：

(1) 车身的自动调平。对于行走和作业于非水平环境的机械，车身状态还直接影响着驾驶员劳动强度、工作装置作业范围、燃油等液体的安全储备等性能。实现任何状态下的车身自动调平，是行走类机械的共性关键技术。车身采用四只对称布置的液压调平油缸、连接底架和平台的十字形万向节、双轴倾角传感器、电控比例阀、主控阀等来控制车身平衡，利用双轴倾角传感器来检测车身的平面度，根据车身的姿态反馈，经过控制器的处理转换成控制信号传给电控比例阀来控制液压缸的动作，整个控制过程通过算法实现平稳快速的响应，使车身始终维持在一个相对的平面内。车身实现自动调平后，当路面有崎岖不平路况时，将会减少对执行清洁的末端的影响，保证末端工作装置——清洗刷组件的可靠作业。

(2) 自主行走技术。光伏板清洁机器人是由一个移动平台搭载清洁系统，在平台的行走过程中，还要进行光伏板的清洁工作，加入自主行走技术，移动平台将会根据实际的行走路线进行自动调整，使移动平台能依靠数字传感控制系统实现定速直线巡航作业，具备自动纠偏功能。自主行走技术可以解放操作人员的双手，使其有更多的精力去监测系统的运行状况。

机器人的行走部分分为驱动轮、防尘外圈、齿轮转速传感器、齿圈、防尘内圈、车架和行走减速机等部分。在驱动轮上安装防尘外圈，在行走减速机上安装齿圈，在车架上安装防尘内圈。在防尘内圈上设有一个安装孔，在孔内安装一个齿轮转速传感器。行走减速机转动时带动齿圈转动，齿轮转速传感器就能检测到并将其转化成电信号传送到控制中心，经过控制器的处理来控制马达的速度，实现定速巡航作业。

(3) 自动调节发动机的输出功率。整个系统的执行元件均采用液压马达或者液压缸，由于是大负载的移动平台，所以在耗能方面也会大幅增加，根据实际的工作需求来匹配发动机的输出，能大量地节约能耗。对于适用于大型光伏板清洁的智能移动平台，在搭载了光伏板清洁系统之后，动力的需求也随之增加。必备的行走动力要增加非公路、非硬化路面、海拔等因素，还有车身自动调平系统、清洗动力头组件及臂架所需动力、吸尘风机动力、蒸汽发生器动力等。根据实际工况，将动力需求分为行走作业和非作业状态进行设计分析，将常规清洗作业动力选定为额定动力的60%，在确保动力储备需求的前提下，通过各种数据的检测以及控制算法来实现发动机的功率匹配，达到优化的目的，实现动力最小化设计。

3 机器人程序流程及部分代码

3.1 程序流程

控制程序流程图如图5所示。

图5 光伏板清洁机器人控制程序流程图Fig.5 Control program of cleaning robots for photovoltaics

3.2 部分代码

以下为末端调节算法的部分代码：

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

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

ELSE work_mode:=0; END_IF (*错误*)(以上是区分清洁末端在车身的不同清洁方向)

CASE work_mode OF 0:;(*错误*) out:=0;

1:;(*左侧*) 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;(左侧时判断前面安全保护范围)

B_safe_protect:=UDSensor1_Value

UDSensor1_Value>UDSensor_Value_work_max; (左侧时判断后面安全保护范围)

2:;(*右侧*) 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; (右侧时判断前面安全保护范围)

B_safe_protect:=UDSensor3_Value

UDSensor3_Value>UDSensor_Value_work_max; (右侧时判断后面安全保护范围)

END_CASE

4 结论

太阳能板清洁机器人的开发，摆脱了完全手动操作的弊端，两种操作模式的切换，减轻了操作者的劳动强度，以1 km/h速度可以实现3 000 m2/h的清扫速度，清扫面积和清扫速度的提升，解决了人力成本增加以及生产效率低等问题，并且通过清扫、吸尘和喷雾三级清洁，效果良好。基于CAN总线设计的控制系统，完美地实现了显示器、控制器和发动机等控制系统的融合，使各部分有机地组合成为一个控制整体，整个系统更易于扩展，便于后期功能的扩充。

[1]周利坤，刘宏昭，李悦. 清洗机器人研究现状与关键技术综述[J]. 机械科学与技术，2014，33(5)：635-642.

[2]矫玉菲，侯荣国，苏秋平，等.一种新型智能清洁机器人及其控制方法[J].制造业自动化，2013，35(12)：26-29.

[3]李悦，周利坤，冯建伟，等. 基于PLC 与电液伺服的油罐清洗机器人控制系统设计[J].机床与液压，2014，42(9)：37-40.

[4]徐彦，刘杰，孙光复，等. 刚柔耦合运动对起重机吊臂振动固有频率的影响[J].机械工程学报，2006，42 (8)：142-145.

[5]韩慧仙，刘茂福，李伟. 起重机臂架的电液控制系统设计[J]. 机械科学与技术，2013,32(4)：577-583.

[6]王硕，陶学恒，李玉光. 一种自动清洗玻璃窗的机器人[J]. 组合机床与自动化加工技术，2012，1(1)：103-112.

[7]张澎涛，钱志源，付庄，等.一种双负压吸盘壁面清洗机器人及其控制系统研究[J]. 机械设计与制造，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

院地联合基金(ZX1515)

闫九祥(1989—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为机器人、自动化生产线控制。

*通信作者，王亚丽(1979—)，女，工程师，研究方向为机器人、自动化生产线控制。E-mail:wy19801151@163.com

TP242.3

A

1002-4026(2017)04-0112-06