一种新型无水清扫机器人

     作者：李静                          

    大规模光伏电站一般都建在沙漠、盐碱地等土地利用价值不高的偏僻地区。这些光伏电站处于风沙环境，尤其在我国西部干旱地区，沙尘污染比较严重，导致光伏组件发电效率降低，严重影响光伏电站的经济效益。

    目前，对光伏电站清扫装置的研究基本上都是针对单块光伏电池板，也没有考虑清扫装置阴影对光伏电池板形成的光斑效应。另外，一些采用水洗除尘的装置，不适于在干旱少雨地区推广应用。国外文献曾提出采用静电除尘技术清理光伏电池板表面，但是，在静电感应下，可能会对电池元件造成损坏。美国宇航局提出了一种用于月球和火星之旅的太阳能电池板自动除尘技术，但该技术成本太高，不适合用于光伏电站。目前，光伏电站清洁光伏组件基本采用洒水车喷水冲洗、人工擦拭的清洁方式。

    针对我国大规模光伏电站的实际情况，本文研制了一种能适用于大规模光伏阵列的无水清扫机器人，不仅能可靠无死角地完成对整个光伏阵列区域的清扫，而且还能避免对光伏阵列的遮挡。

    1设计思路

    我国大部分光伏电站建设在戈壁荒漠地区，干旱缺水，沙尘污染大，地面平整性差，因此本文所设计的是一种能附着在光伏电池阵列上，用于光伏阵列无水清扫的机器人。在晚上或阴天，电池板处于不发电的状态时，机器人对光伏阵列进行无死角全面清扫。在电池板发电时，机器人停靠在光伏阵列的一端，不对光伏阵列造成遮挡。机器人还具备在行走过程中自动实现差错检测调节的功能。

    2清扫机器人结构设计

    清扫机器人的整体结构包括机器足（行走机构）、机器手（清扫机构）及避让机构、差错调节机构等（图1）。

     2.1机器足

    附着在电池板上的清扫装置的行走机构为机器足，具备正常行走能力。本文所设计机器足的传动机构由传动轴，前后立轮（主被动齿轮），前后平轮（主被动齿轮）和驱动电机构成。立轮、平轮轴的布置为垂直状态，分别承担清扫装置的部分重量。主动伞齿轮与驱动电机同轴，与被动伞形齿轮啮合，传动比为3：1（图2）。 

    2.2机器手及避让机构

    机器手即安装在立梁两侧的尼龙滚筒刷(图3)。刷子的支架采用弹性安装，防止刷子过紧地压在电池板上。 

    清扫时，驱动电机带动刷子高速旋转，清除灰尘。根据设计结构及清扫要求，刷子做成滚筒形式，其清扫材料的软硬应适中。通过清扫效果实验对比，选定清扫刷的材料为尼龙丝。

    2.3差错调节机构

    由于电池板表面摩擦力不同或驱动轮打滑等不确定因素影响，可能导致上下机器足在行走过程中出现不同步而产生位移差。当位移差过大时，清扫装置可能卡在太阳能阵列板上不能移动，这就需要机器人具备在行走过程中自动调节位移差的能力。差错调节机构如图4所示。图4(a)的状态为正常行走状态，图4(b)的状态为机器足上梁滞后。 

    行程差的调节结构由带角度传感装置的测差摇臂XC和超前、滞后信号挡板检测器GK1，GK2构成。当清扫装置在行走过程出现行程差时，角度传感器检测到角度偏差，通过控制器进行调节。下面以状态2为例来阐述整个调节过程。

    如图4(b)所示，在清扫机器人行走过程中，当机器足上横梁的行程出现滞后时，XC测

差摇臂的位置向上偏移，传感器检测角度为正，则控制器通过控制驱动电机降低下梁的运行速度，而上梁维持原来的运行速度二通过运行速度的调节，行程差恢复到规定的范围内，调节过程结束。

    3清扫机器人控制策略

    3.1整体运行策略

    清扫机器人整体运行方式如图5所示。 

    3.2差错调节模型

    清扫机器人的稳定运行，关键在于行走过程中上下机器足的差错调节。光伏阵列清扫机器人的差错调节结构主要由上下驱动可调速电机、上下机器足、传动装置及差错调节控制器组成，其中差错调节控制器是整个差错调节系统的核心。

    3.2.1可调速直流电机

    本文采用永磁直流电机为调速电机，其等效电路图如图6所示。 

    直流电机调速系统由永磁直流电机、晶闸管触发和整流装置(SCR)、比例放大器和测速发电机、校正装置构成，其传递函数结构如图7所示。 

    3.2.2传动装置及调节行走机构

    驱动电机的输出经过传动比为36:1的减速器到传动装置主动轮。传动装置上的伞齿轮对的减速比为3:1，则机器足轮子上的转速为 

    上（下）机器足横梁行走位移：其中： 

    上下行走足横梁位移差： 

    由以上分析可知，系统为两输入单输出的系统，建立位移差与两个控制量的精确传递函数模型很难，本文采取不需要精确数学模型的模糊控制实现差错调节。

    3.3差错调节模糊控制器的设计

    差错调节模糊控制器的输入包括上下位移差e和位移差的变化率ec；差错调节模糊控制器的输出为上下驱动电机的输入电压ul，u2。

    若上下位移差e>△s时，机器足出现卡死现象，故上下位移差e的基本论域为[-As，As]；上

下位移差的变化率ec基本论域为 ；电机驱动电压基本论域均为[0，U。通过运行实验，取△s=10 cm, =10 ,m/s，电机驱动电压U=24 V。

    差错调节控制的目标：当上下有位移差的时候，在保证装置在最大运行速度的条件下，尽快消除位移差。调节过程中保持上下机器足仍以其能动的最大速度运行，即两驱动电机输入电压的调节策略是保持其中一个电机的电压最大，调节另

一个电机的电压。

    输入位移差e和位移差变化率ec的隶属度函数均采用均匀分布、三角形、全交迭的隶属度函数。输出量控制电压u1，u2的隶属度函数为不均匀的三角形隶属函数曲线，其中，各个输入输出函数的隶属度函数曲线分别如图8所示。 

    基于以上经验、知识和实验，建立上驱动电机电压u1、下驱动电机电压U2的模糊控制规则表（表l、表2）。

    根据模糊规则表及选择的模糊推理和解模糊算法，在Matlab/Fuzzy工具箱中设计出相应的模糊控制器。本文设计的模糊控制器为两输入两输出。

    4仿真及实验分析

    4.1清扫机器人运行控制仿真

    根据以上分析，在Matlab/Simulink中搭建机器人差错调节仿真模型。通过仿真得到位移差仿真曲线（图9）。 

    仿真模型所仿真的是0.5 s之前装置无差错正常行走，在0.5 s时给定一个位移差1 cm，模糊控制器开始调节二从图9中的仿真曲线可知，清扫装置经过大约0.6 s恢复到原来的稳定运行状态，说明模糊控制器的设计达到了实时校正的要求，相对比较合理。

    图10是模糊控制器的输出控制量u1，u2的输出电压曲线，反映了整个控制器对清扫装置的一个控制策略，即保持一个相对不变或者是变化较小，调节另外一个。图11仿真的是上下机器足的行走位移，从仿真曲线中可以看出，根据给出的给定位移差，下机器足位移超前，在保证行走的状态下，在0.5 s时刻，下机器足行走速度放缓，上机器足基本保持不变，从而达到上下差错的实时调节。 

    4.2清扫机器人的现场运行

    本文设计的机器人样机最大纵向跨度3.3 m，清扫速度1.4 m/min，功率350 W，抗风强度12级。研制的样机分别在鄯善某光伏电站、新疆电科院屋顶光伏阵列进行了运行实验，实验中，采用西门子S7-200可编程控制器来实现所设计控制策略。

    现场运行表明，所研制的清扫机器人能够在整个光伏阵列实现自动清扫，无卡列现象，清扫范围无死角，具有遮光避让功能，清扫效果理想；装置可在晚间运行，不影响正常发电。

    5结论

    本文设计了光伏阵列智能清扫机器人，包括在电池板表面行走的机器足、实现清扫功能的机器手、防止产生遮挡的避让机构和上下差错检测机构等。该装置在机器足行走过程中能自动实现差错检测控制的功能，停靠位置能够躲避遮挡，可对光伏阵列进行无死角全区域清扫。本文提出了机器人整体运行控制策略，并重点对行走过程中可能出现的上下行走足错位进行研究，建立了上下行走足的行走模型，设计了调节行走位移差模糊控制调节器。仿真及现场实验运行结果均表明，设计的模糊控制器合理、实用，清扫效果良好。免水清扫机器人实现了机器轮行程差智能控制，不会在组件上产生光斑效应，清扫效果好，可应用于大规模光伏电站。

    6摘要：

    基于目前国内光伏电站光伏电池板的主流安装模式，设计了光伏阵列无水清扫机器人。根据机器人所要具有的自动实现上下行走足错位调节功能、停靠位置躲避遮挡功能和无死角全面清扫功能，确定其整体运行控制策略。利用模糊控制方法重点研究了机器人行走过程中上下行走足的错位调节。通过在Matlab/Simulink下白勺仿真及现场实验表明，所设计的模糊控制器合理、实用，能够实现预期的目标。