基于視覺(jué)識(shí)別的光伏板清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘 要：【目的】針對(duì)光伏板表面污垢導(dǎo)致的發(fā)電效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于視覺(jué)識(shí)別的光伏板清理機(jī)器人?！痉椒ā渴褂肧olidWorks軟件來(lái)建立光伏板清潔機(jī)器人三維模型。所設(shè)計(jì)的機(jī)器人集成了視覺(jué)識(shí)別裝置、履帶驅(qū)動(dòng)裝置和干濕混合清潔裝置等結(jié)構(gòu)，可以自動(dòng)識(shí)別光伏板表面污垢的分布情況，并進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而提高機(jī)器人的清潔速度。【結(jié)果】為檢驗(yàn)機(jī)器人的支撐架強(qiáng)度能否滿足使用要求，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人支撐架結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度符合要求?！窘Y(jié)論】所設(shè)計(jì)的光伏板清潔機(jī)器人具有清潔效率高、低成本低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：光伏板清理機(jī)器人；視覺(jué)識(shí)別裝置；路徑規(guī)劃；支撐架

中圖分類號(hào)：TH137.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）21-0023-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.005

Design of Photovoltaic Panel Cleaning Robot Based on Vision

Recognition

SHAO Jiale WANG Yuqi ZHU Qingzhuo SUN Hanbing ZUO Mengqiang

（School of Mechanical Engineering， Chaohu University， Hefei 238024， China）

Abstract： [Purposes] Aiming at low power generation efficiency caused by dirt on the surface of photovoltaic panels，a photovoltaic panel cleaning robot based on visual recognition is designed. [Methods] Three-dimensional model of photovoltaic panel cleaning robot is established by SolidWorks software. The designed robot integrates visual recognition device， crawler drive device and wet-dry mixed cleaning device， which can automatically identify the distribution of dirt on the surface of photovoltaic panels and plan the path to improve the cleanhKRiKT1OZ+uhOML14XZ/zw==ing speed of the robot. [Findings] In order to test whether the strength of the robot carriage meets the use requirements， the finite element analysis is carried out. The calculation results show that the structure of the designed robot carriage is reasonable and the strength meets the requirements. [Conclusions] The designed photovoltaic panel cleaning robot has the advantages of high cleaning efficiency and low cost， which has played a positive role in promoting the development of photovoltaic industry.

Keywords： photovoltaic panel cleaning robot; visual recognition device; path planning; carriage

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和居民環(huán)保意識(shí)的提升，光伏能源作為一種可再生能源受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。光伏板是光伏發(fā)電裝置的核心部件，其發(fā)電效率主要受太陽(yáng)光照射面積的影響。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，光伏板表面可能會(huì)積累灰塵、鳥(niǎo)糞等污染物，這不僅導(dǎo)致發(fā)電效率降低，還有可能引起設(shè)備故障，進(jìn)而縮短光伏板的使用壽命［1］。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板表面污垢高效且環(huán)保的清潔，對(duì)提升光伏發(fā)電裝置的發(fā)電效率至關(guān)重要［2］。

傳統(tǒng)的人工清洗光伏板的方式存在諸多缺點(diǎn)，如勞動(dòng)強(qiáng)度大、清洗效率低、清潔效果不穩(wěn)定及安全隱患多等；而大型機(jī)器清洗方式也面臨前期投入大、維護(hù)成本高等困境。為了能有效解決上述問(wèn)題，眾多科技工作者正在積極推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，探索更高效、經(jīng)濟(jì)的清潔技術(shù)解決方案。徐晨陽(yáng)等［3］通過(guò)對(duì)光伏清理機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和清潔機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。尉李綱等［4］對(duì)光伏清理機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出一款運(yùn)行穩(wěn)定的履帶式BAPV無(wú)軌清潔機(jī)器人。閆九祥等［5］開(kāi)發(fā)出一種新型的面向大型太陽(yáng)能光伏電站的機(jī)器人控制系統(tǒng)，提高了光伏板清潔效率。

為了提高對(duì)光伏板表面污垢清理效率，本研究擬設(shè)計(jì)一款基于視覺(jué)識(shí)別的光伏板清潔機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板表面污垢的快速清除。該裝置采用先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，能夠精準(zhǔn)識(shí)別光伏板表面的污漬和積塵，并自助規(guī)劃出清潔路徑，開(kāi)展自動(dòng)、高效的清潔作業(yè)。

1 工作原理及設(shè)計(jì)思路

1.1 工作原理

光伏板清潔機(jī)器人集成了自主導(dǎo)航、清洗裝置、智能控制系統(tǒng)、水源和清洗液供應(yīng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理等功能模塊。在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，機(jī)器人先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，在確認(rèn)視覺(jué)識(shí)別裝置、干濕混合清潔裝置等運(yùn)作正常后，利用高精度視覺(jué)傳感器來(lái)精準(zhǔn)識(shí)別出光伏板表面污垢位置與布局，并結(jié)合環(huán)境信息智能規(guī)劃出最優(yōu)清潔路徑。機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)的路徑自動(dòng)導(dǎo)航，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)傳感器反饋的信息能靈活調(diào)整清潔力度和策略，以確保光伏板表面的污垢能被徹底清除，同時(shí)可避免對(duì)光伏板面造成損傷。在清潔任務(wù)完成后，機(jī)器人將會(huì)自檢清潔效果，并記錄詳盡的數(shù)據(jù)，再自動(dòng)返回充電站補(bǔ)充能源。

1.2 整體設(shè)計(jì)思路

清潔機(jī)器人通過(guò)各模塊的協(xié)同工作，能實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏板表面的高效、精準(zhǔn)清潔。視覺(jué)識(shí)別裝置通過(guò)高清攝像頭和先進(jìn)的圖像識(shí)別算法，為機(jī)器人提供精確的定位和導(dǎo)航，確保清潔工作的準(zhǔn)確性和高效性。視覺(jué)識(shí)別裝置的應(yīng)用使得機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別出光伏板的位置和布局，從而實(shí)現(xiàn)高效清潔。干濕混合清潔裝置采用微水霧噴射技術(shù)，不僅能快速且徹底地清潔光伏板表面，還能有效節(jié)約水資源。微水霧的噴射方式在減少用水量的同時(shí)，確保清潔效果，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保與效率的結(jié)合。履帶驅(qū)動(dòng)裝置賦予機(jī)器人強(qiáng)大的移動(dòng)能力。橡膠材質(zhì)的履帶結(jié)構(gòu)在組件表面爬行時(shí)增大了接觸面積，從而減少了光伏板單位面積所承受的壓力，有效避免了對(duì)光伏板面的損傷。通過(guò)行走輪的轉(zhuǎn)速差，機(jī)器人能夠靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)各種復(fù)雜的光伏板環(huán)境和布局。水源和清潔液供應(yīng)模塊確保了清潔過(guò)程中所需物資的穩(wěn)定供應(yīng)，為機(jī)器人的持續(xù)運(yùn)行提供了保障，確保清潔機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，能保持清潔效率和質(zhì)量。光伏板清潔機(jī)器人的三維模型如圖1所示。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 視覺(jué)識(shí)別裝置

視覺(jué)識(shí)別裝置是清潔機(jī)器人的核心組成部分之一，高清攝像頭具有極高的分辨率，能捕捉到光伏板表面的每一個(gè)細(xì)微之處［6］。無(wú)論是灰塵的積聚還是污漬的分布，都能被高清攝像頭精準(zhǔn)識(shí)別。識(shí)別到的圖像數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)器人的圖像處理單元，該單元由圖像傳感器、圖像采集卡和處理器組成。圖像傳感器負(fù)責(zé)將觀察區(qū)域的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后傳遞給圖像采集卡進(jìn)行數(shù)字化處理。處理器作為視覺(jué)傳感器系統(tǒng)的核心，用于處理和解析從圖像采集卡獲得的圖像數(shù)據(jù)，使清潔機(jī)器人能夠準(zhǔn)確識(shí)別光伏板上的污漬類型和位置。圖像處理單元的高效運(yùn)作確保了清潔機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的準(zhǔn)確性和高效性。

2.2 清洗裝置

清洗裝置由噴淋裝置和清掃裝置組成，采用干濕混合的清潔方式，確保光伏板得到徹底且細(xì)致的清潔。高壓噴水口作為關(guān)鍵部件，其噴射出的水流具有強(qiáng)大的沖擊力，能高效迅捷地去除光伏板表面的污垢。裝置的多噴水口設(shè)計(jì)確保了水流的均勻性和覆蓋范圍，使得每一塊光伏板都能得到充分的清潔。前端滾刷在清潔過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，其能夠深入清除光伏板表面的頑固污漬和顆粒物。滾刷的高速旋轉(zhuǎn)與噴水口的水流相結(jié)合，能有效清除光伏板表面的污漬和顆粒物，恢復(fù)光伏板面的清潔。此外，清洗裝置還具有智能調(diào)節(jié)功能。通過(guò)先進(jìn)的傳感器和算法，清洗裝置能夠根據(jù)光伏板表面的實(shí)時(shí)臟污程度，自動(dòng)調(diào)整噴水口的壓力和滾刷的轉(zhuǎn)速。這種智能調(diào)節(jié)不僅避免了過(guò)度清潔或清潔不足的問(wèn)題，還確保了整個(gè)清潔過(guò)程的安全性和可靠性。

2.3 履帶驅(qū)動(dòng)裝置

履帶驅(qū)動(dòng)裝置為清潔機(jī)器人的移動(dòng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，確保了其在高效清潔作業(yè)中的穩(wěn)定性。采用先進(jìn)的履帶式驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使機(jī)器人能夠輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜地形，如履平地［7］。此外，履帶式設(shè)計(jì)顯著降低了清潔機(jī)器人在光伏板上打滑的風(fēng)險(xiǎn)，保障了清潔作業(yè)的連續(xù)性和安全性。清潔機(jī)器人的履帶驅(qū)動(dòng)裝置配備了精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用視覺(jué)識(shí)別裝置實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境的變化，使得機(jī)器人能夠有效躲避障礙物，并規(guī)劃出一條安全路徑，從而在面對(duì)不同環(huán)境和布局的光伏板時(shí)，都能準(zhǔn)確、高效地到達(dá)清潔位置［8］。這種智能控制策略顯著提高了整體清潔效率，展現(xiàn)了清潔機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性和可靠性。

3 有限元分析

清潔機(jī)器人在工作過(guò)程中需要承受自身重量、清洗工具重量及動(dòng)態(tài)載荷。支撐架作為承載這些載荷的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性將直接關(guān)系到機(jī)器人的工作效率和安全性。長(zhǎng)期運(yùn)行的支撐架受疲勞、腐蝕等因素的影響會(huì)發(fā)生變形或損壞，影響機(jī)器人的性能。

為確保支撐架在整個(gè)生命周期內(nèi)保持較高的穩(wěn)定性，采用SolidWorks軟件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，模擬不同工況下支撐架的受力情況。這種分析有助于在確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并優(yōu)化支撐架的材料分布和幾何形狀。通過(guò)確定材料使用的合理厚度和尺寸，不僅能避免材料浪費(fèi)，提高材料利用率，還能實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，從而提高機(jī)器人的性能和經(jīng)濟(jì)性［9］。利用SolidWorks建立支撐架的三維模型如圖2所示。

在設(shè)計(jì)清潔機(jī)器人的支撐架時(shí)，考慮到材料的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性，選擇合金鋼作為加工材料。所選用的合金鋼性質(zhì)如下：密度為7 700 kg/m3、楊氏模量為190 GPa、泊松比為0.28、抗拉屈服強(qiáng)度為980 MPa。這些特性使得合金鋼成為支撐架的理想材料。

在材料約束設(shè)定完成后，對(duì)支撐架進(jìn)行零件網(wǎng)格劃分，分解成由節(jié)點(diǎn)和單元組成的網(wǎng)格系統(tǒng)，便于分析和計(jì)算。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，對(duì)零件添加約束條件，完全約束了支撐架的六個(gè)自由度。由于支撐架需要承受機(jī)器人自身的重量、清洗工具重量及工作時(shí)的動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)支撐架施加了模擬載荷，并進(jìn)行了等效應(yīng)力和總變形的計(jì)算，進(jìn)行靜應(yīng)力分析。得到的支撐架的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖3所示。

由圖3可知，支撐架所受到的最大等效應(yīng)力為0.104 MPa，遠(yuǎn)小于合金鋼的許用抗拉屈服強(qiáng)度。支撐架的最大變形為6.171×10-6 mm。由此可知，所設(shè)計(jì)的支撐架結(jié)構(gòu)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 樣機(jī)制作

根據(jù)三維建模制作的清潔機(jī)器人樣機(jī)如圖4所示。該樣機(jī)集成了先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別裝置、干濕混合清潔裝置和履帶清潔裝置等模塊，能夠精準(zhǔn)識(shí)別出光伏板表面的污垢分布，經(jīng)測(cè)試，該清潔機(jī)器人具有高效率清潔光伏板表面污垢的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

為了有效提高光伏板表面清潔效率，設(shè)計(jì)出一種基于視覺(jué)識(shí)別的光伏板清潔機(jī)器人。該機(jī)器人搭載了先進(jìn)的視覺(jué)識(shí)別裝置，能夠精準(zhǔn)快速地識(shí)別出光伏板表面的污垢分布情況，確保了其清潔工作的效率和有效性。配備的履帶驅(qū)動(dòng)裝置使機(jī)器人可以輕松應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境，提高越過(guò)障礙的能力，同時(shí)減少對(duì)光伏板表面的損害。干濕混合清潔裝置讓機(jī)器人在清潔時(shí)的選擇更加多樣化，機(jī)器人能夠智能選擇清潔策略，實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能環(huán)保的清潔效果。利用SolidWorks軟件構(gòu)建機(jī)器人的三維模型，并進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變分析。通過(guò)對(duì)比加載前后的數(shù)據(jù)，可以確定所設(shè)計(jì)的機(jī)器人支撐架結(jié)構(gòu)合理，能夠滿足強(qiáng)度要求。綜上所述，本研究設(shè)計(jì)的基于視覺(jué)識(shí)別的光伏板清潔機(jī)器人具有清潔效率高、適應(yīng)性廣和自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為未來(lái)光伏板表面清潔技術(shù)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)借鑒。

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