光伏清洗机器人实时环境构建与路径规划技术的研究

光伏清洗机器人实时环境构建与路径规划技术的研究

项德虹 ,聂明

中煤西安设计工程有限责任公司 710054

摘要：目前，随着光伏市场的发展，光伏清洁机器人正以迅雷不及掩耳之势占据光伏市场的重要地位，其优点在于既能提高发电效率，又使利润骤增，可其也不能适用于所有的发电厂，虽优势显著，却局限日现。发电厂的运行和维护是一项长期的任务，未来选择哪种类型的机器人能够达到预期的目标是需要思考的问题。本文对光伏机器人的实时环境构建与路径规划技术进行研究，希望能对光伏产业有些许启示。

关键词：光伏清洁机器人；发电站；环境构建与路径规划

一、光伏清洗机器人发展的背景

   我国传统不可再生资源越发稀缺，作为可以重生的能源之一，传统石化产品的能源越来越少，太阳能光伏发电尤为重要。光伏市场年增长率为35%，这是取之不尽的。由于光伏发电厂的恶劣条件，光伏板上的灰尘会影响光伏转换效率，导致平均年发电量降低5%以上，导致当地光伏供暖系统受损过度。

    光伏板清洁的常规方法包括手动清洁、喷雾系统清洁和机器人清洁。人工的方式价格低廉，此种清洁费用主要包括水和人工。但是清洁结果无从考究，没有办法统一水平核查，喷雾速度非常快，需要大量的水，但不能在干燥地区使用。安装在机械设备上的机器人具有更好的清洁和更低的人工成本的优点，但无法在光伏系统之间灵活工作，经过对各个类别清洁方法的对比发现其都存在着一定的局限性。

当科技不断创造和AI的日渐更新，自动驾驶的新时代已经成为汽车体系的一个全新面孔，在非结构化的情况下，无人驾驶汽车是因市场的需要而出现的。自行走光伏清洗机器人定义是没有人为驱动实体，此实体模型可以在特定路径上运行，以完成任务清理。用全新控制设备、 GPS定位、无实体通讯终端、APP等技术手段代替了驾驶员。太阳能清洁机器人的自动行走系统由两部分组成：一是导航定位、二是运动控制，通过人为的干预，使得机器人的主体路径精确追踪。

二、对光伏板清洗技术和机器人研究

（一）对光伏板清洗终端研究

机器人的自动移动光学清洁系统并非是一个简易的体系，结合了多学科知识产品，包括相关的电气和液压技术，导航和定点追踪。

全自动智能光伏清洗机器人作用在大型地面发电站上，会反映出其更高的价值所在。如果地形布局良好，且光伏组件系列之间的位移高度不明显，则非常适合光伏清洁机器人的工作。

通过使用机器人和合理的规划，串联规模庞大、设备排列工整的发电厂可以显著提高清洁效率。

目前对于大工厂的阁顶进行了利用。工商业屋顶面积大，屋顶平坦，耗能高，电价更高，因此装机容量和发电量也很大。同时这种低坡度阁顶更适用遥控清洗机器人和子母车清洗机器人进行清洁。

（二）对光伏清洗机械调研

太阳能光伏站在差异的地域环境中存在着若干的差别，为了把太阳能光伏发的电更高效的利用起来，同时对水资源的消耗具有一定的正向改善，各种光电清洁机器人投入了这个大环境。2013年， Serbot公司推出 GekkoSolar Farm机器人，该机械设备可以在一小时内清理2000平方米的太阳能电池板，操作方法是把手，用刷子和清水冲洗，收益效果非常可观。

北京德高洁清洁设备有限公司于2014年生产了SOLAR-TC 3500光伏板清洗车，平均效率可达到清洁2000个太阳能电池板每小时；行走采用液压驱动系统，选用链轨式驱动行走机构，确保在戈壁沙漠软土中工作的稳定性，而不会严重损坏路面；需要人工驾驶工作，在清洁过程中自带纠偏防撞，清洗刷和电源之间的有效距离可以根据电池高度和涂层高度随时调整，以确保安全运行。

2017年，随州圣丰特种车辆有限公司推出了一款太阳能电池高压清洗车，它由清洁前端、存水装置、主体三部分构成，可横向、纵向调整，工作效果好，适用于荒漠等非结构化的环境中，也可灭火、清洗道路。

上海安轩自动化有限公司于2019年开发的平板维护机器人，它包括工作前端、行走轮子、太阳能电池板、供电机械、主控装置等，操作过程中无需清洗。能量来自光伏系统，可以节省电力和劳动力，并且可以通过无线通信进行控制。短板在于，并不善于于太阳能板间进行大范围的迁移，且需要大量的作业机器人来进行作业，造成了高昂的费用。

三、对光伏板清洗机器人路径规划技术的研究

（一）导航定位研究

把受控的载体从开始到结束的技术称为“导航”。在光电清洗机器人的自动步行过程中，利用导航和定位技术实现对机器运动状态的准确检测。针对光电清洗机器人的位置与行走控制，其运动轨迹误差均应小于65 mm。现有的导航技术包括未知地图、已知地图、增量地图等。下面是四个典型的技术实例

(1)惯性导航技术

惯性导航（INS）是一种多学科技术，包括计算机科学，自动控制，电子等。组合。主要部件是陀螺仪和加速度，用于测量机器人的角转速。在惯性空间中，加速度用于测量惯性空间中机器人的线性加速度。缺点是惯性系统的错误会随着时间的推移而累积。随着微电机系统和新型固态陀螺仪的发展，惯性导航系统（SINS）的收紧成为最新趋势。

(2）激光SLAM导航定位

SLAM即同步定位与制图技术，其基本原理是：利用激光雷达等传感器，在不知道的前提下，通过对周围的环境进行检测，来确定自身的方位和姿态，并对周围的地形进行扫描，从而逐渐形成一个立体的地图，从而实现实时的定位与构建。它的特点是：对现有的定位进行再定位、反复定位，其绝对精度在2%以内，地图信息丰富，定位范围广，定位快速准确。

(3）视觉导航

导航视觉是一种利用摄像机捕捉周围的影像，并对其进行滤波、运算，从而实现位置的一种新的导航和路径选择应用，并执行计划导航。光学导航采用被动操作模式，设备简单、成本低、应用广泛，光导航只需要将信息存储在计算机环境中即可获得路线规划内容。其不足之处在于影像量大，对器材的要求较高。

（4）GPS导航定位技术

GPS系统包括24颗卫星，其中含盖了 GPS （空间部分）、地面监测系统以及 GPS接收器（车辆使用者部分）。然后，根据多颗卫星及待测点与已知卫星之间的距离来确定该系统的未知点。

（二）轨迹跟踪研究

轨迹跟踪技术是光伏清洗机器人系统关键技术之一。视工作需要和目标而定，其对运动控制的影响主要有轨迹跟踪、轨迹跟踪和点稳定性三个方面。

在路径跟踪条件下，通过设计适当的控制器，可以实现移动机器人在预定的速度下跟踪预定的运动轨迹。在轨道追踪条件下，根据时间和空间的关系，设计适当的控制器，可以在预定时间内，将机器人从预定的地点，送至预定的路径，并在此期间，机器人按照预定的速度，按照预定的轨迹进行追踪。点镇定也称为位姿镇定，是指在设定合适的监测规则后，使机器人从起始位置向指定位置运动，并能在一定的时间内停下来。

结语

太阳能清洁机器人的驱动模式是基于电液比例的，它可以很好的适应太阳能清洁机器人的低速、平稳的步行要求。目前，国内大部分的非结构化道路都是利用 GPS进行 GPS定位，通过 DGPS来获得其毫米的姿态信息。采用反向原理，设计了一种用于光电清洁机器人轨迹追踪的轨迹跟踪控制器。最后，利用 CAN网将各系统进行了互联，实现了自主行走的软硬件设计。希望通过本篇文章可以为光伏清洗机器人行业带来些许启示。

参考文献：

[1]安勇强. 光伏清洗机器人自行走控制系统的研究[D].燕山大学,2020.

[2]吴新民. 基于Unity3D的光伏板清洁移动机器人路径规划可视化研究[D].兰州理工大学,2020.

[3]何智. 高空复杂环境下壁面清洗机器人的关键技术研究[D].兰州理工大学,2020.

[4]陈龙. 服务机器人自主导航系统关键技术的研究[D].河北工业大学,2017.