引言

随着传统不可再生能源的逐渐减少，能源危机问题日益突出。光伏发电作为主要绿色能源之一，越来越多的得到应用，太阳能发电的规模也达到了前所未有的程度。然而在实际使用过程中，空气中的微小颗粒容易积聚在光伏板表面形成积灰，导致光伏组件发电效率降低，同时也会给光伏企业带来巨大的经济损失。因此，太阳能光伏板的清洁成了新的研究课题。传统的清洁方式以人工擦拭和清水清洗为主，效率较低且成本较高，而且受到环境和地域限制。近年来，国内外已经研发出了一些用于光伏板清洗的机器人，日本未来机械公司研制的太阳能电池板清扫机器人，虽然都可以应用于太阳能光伏板的清扫，但是价格昂贵，普及性不高 。国内开发的车载式清扫机器人利用滚刷和吸尘系统对光伏组件进行无水清洗，不利于山区或沙漠地区使用。

针对目前存在的问题，本项目设计了一种太阳能光伏板清洁机器人。该清洁机器人是一种智能化的光伏电池板清洁装置，可实现对光伏板表面灰尘自动清洁，功能集成性好、工作效率高，能有效应用于多种光伏发电场所。该产品也是基于树莓派开发的光伏板清洗机器人，基本实现了市面上大部分光伏板的自动清洗作业，其适应性强，具有清洁监控平台和诊断系统，对光伏电站进行远程管理，智能化运维提升了电站自动化程度，也解决了当前光伏电站光伏组件复杂多样的清洁问题。

一、整体设计

本项目设计的新型光伏板清洁机器人，为解决光伏电站灰尘污染问题，并针对现有光伏电池板清洁机器人存在的可靠性低，成本较高和维护不便等不足。太阳能光伏板清洁机器人,包括驱动系统,传动系统,供水系统,动力系统，光伏充电系统,智能控制系统，清洁系统。

驱动系统,设于机器人底盘中部,驱动系统连接传动系统；传动系统,连接行走系统及清洁系统,传递动力至行走系统及清洁系统,实现机器人行走及清洁工作；光伏充电系统,为驱动系统及智能控制系统供电；动力系统,包括机械臂及安装在行走架上的行走轮；清洁系统,设于机器人底盘底部,通过传动系统获得驱动系统提供的动力进行清洁工作。

二、硬件设计

（1）底层控制器STM32以及算法执行。用于电机控制，霍尔传感器反馈、超声波传感器、红外传感器数据采集等。

（2）摄像头。用于图像采集，为HOG运算提供数据。

（3）舵机控制器Mega128.用于控制摄像头舵机，摄像头视觉角度数据保存在该控制器中。

（4）RX-64，RX-28舵机，用于控制清洗机械臂的控制。

（5）WIFI无线模块，主要用于对机器人的定位，与现场图像进行对比建模

（6）直流无刷电机，为机器人的运动提供动力。

本设计由供电系统、行走系统、清洁系统、照明系统、视觉检查系统、清洁液混合系统组成

1、供电系统由太阳能板（1）和支架（13）组成，主要完成本系统的能源供应。

2、行走系统由履带（3）和驱动机模块（4）电组成，实现园役机器人的前进、后退、左右转向，驱动机模块（4）可根据行走环境实时调整行走速度。

3、清洁系统（5）由机械臂调节装置（8）、清洁度检查传感器（6）和清洗喷淋电机模块（11）构成，清洗喷淋电机模块（11）包括电机驱动电路、碰头和清洁液传输管道等，主要完成光伏组件的清洁，电机驱动电路可根据清洁对象的难易调整电机转速，从而调节水压；清洁度检查传感器（6）实时检查光伏组件的清洁度，为喷淋电机模块（11）提供检查信号，实现光伏组件的清洁。

4、照明系统（9）主要由探照灯、光敏传感器和继电器组成，当本机器人处于夜间工作环境时，光敏传感器检测到环境光线不足，驱动继电器吸合，开启探照灯照明。

5、视觉检查系统（7）主要包括图像采集、图像无线传输模块和图像处理功能，通过摄像头将实时视频图像信息采集到系统中，对图形进行增强处理，一方面将图像信息传输到手机端或电脑端，完成实时监控；另一方面将图像传输到图像处理模块中，提取特征量，比对实时清洁度与设定值，确定清洁组件的坐标。记忆行走路径，规划清洁路径。

6、清洁液混合系统（12）由搅拌电机（10）和输送管道组成，将加入的清水和清洁溶液进行搅拌，存储到储水室（2）中。

三、功能实现

（1）接通电源，程序初始化各部件开始机械复位动作，摄像头云台开始机械复位动作，摄像头采集信号通道打开，摄像头开始采集信号。检测是否有无光伏板，如无光伏板，云台转动摄像头继续采集信号，若有光伏板。动力系统启动。向光伏板靠近。超声波测距辅助测量距离，当距离达到20CM时，动力机构停止工作，舵机开始工作。

（2）光伏组件清洁机器人视觉系统的设计与实现。图像处理模块，用于对采集到的图像进行特征量的提取，将特征量转换为表明清洁度Sa，与预设清洁度Sa0进行对比，对未清洁的光伏组件进行定位识别，确定目标位置，从而进行定向清洗。

（3）光伏组件清洁机器人夜间工作系统的设计与实现。主要完成机器人自主识别天色，选择工作模式（白天与夜间），实时调整

4.结束语

光伏板清洗机器人有一条机械臂，机械臂启动后，开始清洗。由机器人安装规定的路线行走依次完成光伏板的清洗功能。对清洗机器人在实际现场中展现表示，各项功能基本符合设计要求，系统可以正常工作，具有切实可行的实际应用价值。通过对本单片机研究和开发，更进一步对单片机和组装过程中的其他零部件的认识，提高的动手能力，丰富了此类项目的经验，为以后各种单片机控制系统的开发积累了宝贵经验。

参考文献：

[1]陈璐, 张天文, 刘杰斌. 光伏电站组件动态清洗周期的研究[J]. 中国高新科技, 2019

[2]王亚丽, 闫九祥, 张艳芳. 光伏板清洁机器人运动学建模与仿真[J]. 机床与液压, 2019,

[3]董伯先. 浅析光伏电站清洁机器人的应用现状[J]. 太阳能, 2020

[4]赵波, 范思远, 曹生现. 移动式光伏板积灰干式清洗装置研制及应用[J]. 中国电机工程学报, 2019

[5]尹航. 太阳能智能跟踪式电站的技术方案及应用案例[J]. 信息周刊, 2020

项目名称：基于HOG识别算法光伏组件清洁器人的设计（NJDZR2202）

项目名称：基于风光智能互补终端的V2G充电桩的构建与实现（NJDZR2301）