[發明專利]自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人及控制系統

有效

• 申請號: 201811465404.2
• 申請日: 2018-12-03
• 公開（公告）號: CN109571472B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 張和平
• 申請（專利權）人: 張華偉
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;H02S40/10
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 楊采良

1.一種自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人控制系統，其特征在于，所述自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人控制系統包括控制模塊、行走驅動模塊、信息采集模塊、電源部分、吸附與清掃部分；

所述控制模塊根據預先設定路線與傳感器采集的反饋信息進行路徑修正，向行走驅動模塊和清掃部分發送控制信號；

行走驅動模塊，包括 H橋電路，通過改變兩路輸入信號的高低電平以及電平持續時間改變電機運行方向與調整電機速度；

信息采集模塊，包括姿態傳感器和紅外傳感器；姿態傳感器采集清潔機器人本身的位姿信息，用來修正清潔軌道以及調整機身姿態；紅外傳感器檢測太陽能板邊緣，當清潔機器人到達太陽能板邊緣時，紅外傳感器輸出信號跳變，控制模塊由此信息來進行下一清潔軌道的切換；

電源部分，為系統各個模塊進行供電；

吸附與清掃部分，通過接收控制模塊的控制信號進行機器人的吸附與穩定；

吸附與清掃部分，包括高速電機和L298驅動器，高速電機運轉中，帶動離心風扇高速旋轉，使得機器人底部與太陽能板之間的空間中產生負壓完成機器人的斜面吸附，并且根據陀螺儀的數據調整負壓值以滿足不同傾斜角下的吸附力，實現清潔機器人的自適應；

清掃部分的鼓風機產生的吸力吸取底層清潔抹布邊緣的灰塵與太陽能板上的浮灰進入灰塵收集倉；

控制模塊包括：主控STM 32系統，用于處理所有的傳感器數據，以及控制整個系統的運行邏輯；

正交編碼器，用于獲取電機速度以達到準確的運動控制，通過正交編碼器獲取電機速度并借助STM32內部集成的正交解碼單元實現解碼；

當電機正向轉動時，正交編碼器A項輸出超前B項輸出，正交解碼單元的解碼器通過相位判斷電機運動方向，通過對固定時間內脈沖個數的統計，計算出電機當前的速度；

陀螺儀，用于太陽能板的傾斜角測量與清潔軌道的修正，還用于反饋智能清潔機器人角度將智能清潔機器人機身以及智能清潔機器人姿態進行調整；

光電傳感器，檢測太陽能板邊緣，用于防止機器人跌落；還用于獲取太陽能板清潔度的反饋量；

電源部分使用DC/DC模塊將鋰電池電壓降低，為控制模塊、行走驅動模塊、信息采集模塊、吸附與清掃部分供電；

控制模塊包括：

主控模塊，通過各傳感器的采集量對系統進行控制與調整，輸出的控制信號通過光耦進行隔離，防止行走驅動模塊對主控模塊的干擾；

溫度檢測模塊，檢測系統的運行溫度，高于安全工作溫度時，停止工作并報警；

電壓電流監控模塊，用于欠壓報警，過壓過流報警和保護；

電源部分包括電量監控模塊，實時監測系統電量，設有低電量報警，并且有一定的續航能力，防止智能清潔機器人跌落；

所述自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人控制系統的控制方法，包括：運行時，通過反復調整機身方向尋找太陽能板左下角，找到左下角之后開始清潔任務；在每一個直線清潔軌道中采用速度環與角度環雙環PID算法修正機身位姿；到達上邊緣時，機器人開始切換至下一清潔軌道，通過S彎的變軌方式完成軌道切換，在S彎過程中通過檢測陀螺儀角度來判斷S彎的旋轉角度，最終完成軌道切換；具體包括：

硬件的初始化：對STM32核心控制卡和陀螺儀進行參數初始化；

行走控制：直線清掃控制；轉彎控制；清掃路徑規劃控制；

邊沿檢驗：邊沿檢測傳感器檢測到邊沿時，產生信號觸發單片機的外部中斷，通過中斷通道判斷觸發中斷的對應的傳感器，做出不同的應答調整，并通過對邊沿的記錄與解算來判斷是否完成整塊太陽能板的清洗，全部完成，則自動尋找并停止在角落；

清掃控制：通過經濟模式和強力模式兩種模式滿足不同環境下、多種使用領域的需求，用戶通過手機端控制并隨時修改，當機器人監測到邊沿時，將自動更新其軌道，執行轉彎調整操作，直到檢測到已完成整塊太陽能板的清掃為止，機器人行進偏離設定軌道，由自身的陀螺儀修正，出現預期之外的情況，機器人自動停止行進，并發出警報告知用戶；

采用藍牙4.0技術在手機端和清潔機器人之間建立通信，通過串口服務和清潔機器人的主控模塊進行通信，獲取清潔機器人的電量、運行狀態、工作環境的溫度、吸附部分和外部環境的壓強差信息；

所述控制方法進一步包括數據校驗策略，包括：（1）每次接收相同長度的字符串，通過檢測字符串長度、起始位和結束位來判斷數據的準確性；

（2）對變化頻率較低的數據如電量、溫度信息，采用短時間內大量接收取均值的方案減小數據非正常波動；

（3）數據發送采用等長的包含控制信號的字符串和結束信號的數據結構，清潔機器人的主控模塊只有在接收到控制指令并檢測到結束信號時執行接收到的指令；

對接收的字符串進行解析之后，提取出相應位置的字符串進行數據類型的變化和格式的變化，構造出在應用的顯示模塊正確顯示的字符串并有用戶界面線程顯示對應的數據，若檢測到故障以及低電量的信號時在客戶端報警提醒用戶；

硬件的初始化進一步包括：

狀態監控：通過系統提供的人機界面，控制模塊與手機端建立通信，將自身的狀態全部傳輸；

自動清掃：清潔機器人上電之后，檢測到太陽能板自動開啟工作；系統默認強力模式，對太陽能板進行強力清掃；

手動調整：清潔機器人通過手機端發送開啟與停止、修改路徑命令執行相應模式；

直線清掃控制包括：通過初始的擺放位置確定行進的方向，結合陀螺儀的角度信息和編碼器信息，采用增量式PID算法實時控制電機速度進行調整和修正，沿設定方向行進，實現直線清掃；

轉彎控制包括：檢測到邊沿后以轉彎形式調整到下一軌道，轉彎過程中，設定左右履帶差速控制，結合陀螺儀閉環控制，轉至任意設定角度；

清掃路徑規劃控制包括：經濟模式清掃方案、強力模式清掃方案。

2.一種實施權利要求1所述控制系統中控制方法的自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人，其特征在于，所述自適應太陽能光伏發電設備智能清潔機器人包括：

吸塵結構，包括渦輪風扇和灰塵軌道，渦輪風扇包括灰塵吸附風機；灰塵軌道包括：灰塵吸附通道；

吸塵位置在智能清潔機器人前后，頂部渦輪風扇產生強吸附力，通過灰塵軌道將灰塵吸附并收集在灰塵倉；

吸塵結構灰外圍分布毛刷，清潔機器人行走時推動毛刷將灰塵刷起，灰塵收集裝置將浮灰吸收，纖維抹布將殘留灰塵進行擦除；

底部采用履帶式移動機構，用于增大摩擦力；

外殼四周用于裝載紅外對管，用于邊沿檢測，清潔機器人檢測到太陽能板邊沿后立即停止；

灰塵收集裝置固定灰塵收集倉處。