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【S006】太阳能电池板自动清洗机器人
作品说明 |
作品说明
作者：李伟荣、李学辉、金茹芳、沙小平
单位：宁夏大学
指导老师：康彩、张冬
在“十三五”发展的大形势下，由于现在国家大力发展清洁能源，而太阳能发电受到了很大重视，但是目前并没有一个完整的系统来管理光伏发电站。
威宝光伏电站自动管理系统是由清洗机器人，巡检机器人和电脑端三部分人组成，其中以清洗机器人为主要功能对光伏板进行清洗和温度检测，采用局域网通信，来实现信息交流和数据采集。
工作人员只需在电脑端软件设置巡检路线，清洗区域即可，当清洗完成后电脑端会显示。软件中可以查看光伏板的温度，发电量，损耗等各项指标。如有异常状况自动切断相应光伏板的电源。
这个项目立项之前，就参观了好多的太阳能发电站，针对出现的各种问题进行了整理，可以分析出面临的一个共同的问题就是针对太阳能电池板的清洗和检测管理问题。就在想可不可以做出一个可以实现光伏板自动管理系统，大大节省了人力，真正的解放了劳动力，由此准备对这种机器装置进行研究，设计，克服了种种困难，研制威宝光伏电站自动管理系统。
方便了光伏发电站的管理，以光伏板清洗机器人为主要功能并且更好的检测光伏板发电情况进行安全保护，可以极大的提高发电效率。
本项目的研究是为了更好的服务于太阳能发电企业，让企业尽可能的减少投资，尽可能的获得最大的利益。使我们的产品更好的应用于这个领域，服务于这个领域。解决广大企业对该产品的需求，营造良好的发展环境，促进太阳能产业更高效，更快速，更健康的发展。
2.1项目政策
新能源产业是衡量一个国家和地区高新技术发展水平的重要依据，也是新一轮国际竞争的战略制高点，世界发达国家和地区都把发展新能源作为顺应科技潮流、推进产业结构调整的重要举措。新能源产业在我国的发展十分迅速。政策扶持和技术进步是我们新能源行业未来快速发展的主要驱动力。《新能源产业振兴和发展规划》被业界奉为“国家新能源发展战略”，包括太阳能、风能、核能等可再生能源的开发利用，也包括煤化工等传统能源体系的变革。大力发展新能源产业，符合国家长期发展规划，后期无论是政策还是具体实施都将出现较大转变。与此同时，传统能源虽然短期内难以撼动其主导地位，但也应顺应时代发展的趋势，不断创新与革新，提升内在竞争力，实现能源产业共赢的新局面。
由于国家会大力发展清洁能源，而太阳能发电无污染，又环保，符合绿色发展的宗旨，而且国家针对这种新能源发电又有很大的扶持力度，这种太阳能发电会大量增加。随着社会对于电力需求的增加，这样的发电站也会不断增加，因此对与太阳能电池板的清洗也会不断增加，而对于社会经济的发展，人民生活水平的提高，人工工资也会不断增长，由此在清洗电池板的费用也会不断提高，针对这点，使用威宝光伏电站自动管理系统会大大节省人力，物力，财力。
3.1项目的技术特点
1、清洗机器人能自动往返爬行，自动完成清洗的所有规定动作，自动停机，出现故障自动报警等等。
2、清洗机器人上的多种传感器可以检测温度等以确定光伏板是否良好，自动连接和切断电源。
3、装有自动导航系统，内置的红外传感器也能使机器人按设定的路线进行运动。
4、运载车装有摄像头等装置，具有自动巡检功能。
5、运载车可将清洗机器人运载到任一光伏板上进行清洗。
6、清洁机器人，巡检机器人和电脑端通过局域网通信，电脑端可操控机器人并查看机器人及光伏板的相关数据，出现故障时自动警告并切断相关电源。
a) 无线传输技术
本产品通过局域网，将电池板上的信息通过ＷＩＦＩ模块实时传送给操作人员，根据传回的信息，工作人员随时改变清洗设备的工作状态，如无需更改，可以选择默认工作方式让清洗设备继续工作下去。
b) 跟随系统
跟随系统适用于轨道式清洁设备，使小车与清洗设备保持固定的距离，从而保证车载水箱与喷水装置的连接不会断开。同时，保证了小车在第一时间到达清洗设备处，执行抓取操作。
c) 图像处理
清洗设备上装有固定的摄像头，一但发现污垢，系统会自动识别污垢位置，然后停止干洗程序，打开湿洗程序，对污垢进行定点清除。
d) 定位系统
由于光伏电站里太阳能电池板排与排之间是不等距的，故此必须加入精准的定位操作，从而保证清洗设备的准确收起放下。同时，也方便维修人员的准确定位。
e) 抓取系统
当清洗设备清洗完一排的时候，随动设备――小车便会行驶至清洗设备处，抓取清洗设备，然后小车将会行驶到下一排太阳能电池板，放下清洗设备执行清洗工作。
4.1硬件设计
清洗设备采取四轮驱动，为清洗设备提供动力。另外加入四个支撑轮，便于固定清洗设备。此外，清洗设备还装有舵机，步进电机，红外测温传感器，摄像头，触碰开关，超声波以及码盘电机。其中，舵机控制刮泥板的收放，步进电机控制刮泥板行进。码盘电机负责清洗设备的测距，方便定位。
抓取模型图
抓取设备中装近红外对管，保证定位的精度。同时装有大量的舵机，从而对机械臂进行准确的控制。另外，抓取设备中装有倾斜度传感器和压力传感器，从而保证了清洗设备的准确放下，并不会破坏电池板。
项目通过机械视觉传输技术，并将所传输的图像进行处理，从而根据图片上的信息控制相应的电机执行相应的操作。由CPU对各种传感器返回的信息进行统一处理，并与设置的参数进行比较，从而精确的控制机器的行进及工作。
• 树莓派
该产品增加了红外温度检测技术，通过MLX90614对电池板的表面温度进行实时监控，反馈太阳能电池板的工作状态。激光测距使得跟随系统变得触手可及。不对称的定位装置排列，让机械臂可以准确的识别清洗设备的位置，为一机多排的工作形式做了有效的保证。
Arduino uno板与MXL90614链接示意图
通过树莓派建立图像处理环境，应用相应算法将泥点的位置进行标记，并发送相应的控制信号给arduino控制板。由arduino控制板对清洗机进行相应控制，切换干洗操作模式为湿洗模式。同时，由边缘检测采集相应的边缘信号控制运载车的行进，进行相应抓取与放下操作，实现一机多排的清洁方式。
系统测试是针对整个产品系统进行的测试，目的是验证系统是否满足了需求规格的定义，找出与需求规格不符或与之矛盾的地方，从而提出更加完善的方案。系统测试是将经过集成测试的软件，作为计算机系统的一个部分，与系统中其他部分结合起来，在实际运行环境下对软件设计进行的一系列严格有效地测试，以发现软件潜在的问题，保证系统的正常运行。
对编写好的软件进行测试都是必不可少的一步。根据对该太阳能电池板清洁机器人所要实现的功能进行需求分析的结果，来对它的各个模块进行相应的功能测试。通过对本设计的要求进行详细的分析，并结合整个机器人系统的各个功能模块执行实现的情况，来对程序进行详细的调试与修改。最终力求得到一个可以很好地实现设计要求的程序。
该部分是本设计的核心部分，也是最为复杂的部分。对于该模块的软件测试，需要拆分开来，每一个小部分单独进行测试。例如，温湿度传感器对温度湿度的测量程序结合LCD1602液晶显示屏部分，它们作为一个小部分单独进行测试。
图5-1 清洗头仿真运行
5.1.2 红外温度传感器模块测
图5-1-2红外温度检测仿真运行
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
串口调试助手是串口调试相关工具，用各种波特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。
图5-2 超声波测距运行
通过对上面对程序各个部分的模块化测试，基本上各个部分所要实现的功能都已经可以达到设计的要求了。但是整体的相互协调还需要经过不断地将程序整合测试，才能让整个系统的各个模块相互配合完成要求，实现所有功能。在这部分主要是通过在Genuino101中不断地编译，通过错误提示进行修改，直到整个程序可以编译成功为止。
我们的光伏电池板自动清洗机器人能在轨道上正常的运行了，通过现场的调试运行，虽然我们只做了一个小的模型，但是对于这个大的机械装置我们已经完全设计好了，只要经费宽裕的情况下，我们可以制作出一台大型的能适用于光伏电厂的自动清洗机器人，以满足不同客户的需求，更好的服务于光伏发电站。
总之，经过了上面的各个方面的对系统程序的测试，程序中许多不合理或者错误的部分得以修正，最终使各部分的程序能够毫无差错的编译成功。
6.1优点分析
（1）全自动清洗，大大提高了发电效率；
（2）带水清洗，有效去除泥巴等顽固污渍；
（3）加装红外测温仪，实时传回电池板的温度情况进行过热检测；
（4）高纤维螺旋毛刷，清洁力度高；
（5）全自动，高效节能，成本底；
（6）采用轨道式移动，节约材料；
（7）皮带齿轮的传动装置改善了动力系统问题；
（8）新型的雨刮清洗工具使清洁更干净。
（1）应用跟随系统，方便抓取
（2）采取红外测温，方便检测
（3）多方式，全地形
（1）清洗机实现干湿混合清洁，使清洁效率更高。
（2）清洗机采取一机多排的清洁方式，有效降低了区域内的清洁成本。
（3）加入温度检测模块，实时采集电池板的温度，有利于发现出现故障的电池板。
光伏电站清洗机可以进行小型化，特殊化，从而适应家用电池板的清洁。同时，该产品所应用的无线技术可以应用与智能家居，遥感机器人等方面。对于其他领域的清洁设备，均可以在现有的基础上适当的修改相应的硬件结构，从而实现多用途的清洁。
随着时代的发展，清洁能源将会更加普遍的进入人们的视野。太阳能作为清洁能源的一大主要组成部分，必将越来越被人类所重视。光伏电站发的未来将会越发的辉煌。
光伏发电技术日渐趋于成熟，未来定会成为清洁能源的一大主力。因此，清洁问题也必将日益显得重要。清洗机器人的道路也逐渐变宽。未来的清洗行业必将会是机器人的天下，定会是人机智能的时代。
光伏电站自动清洁器的市场也将会变得更加宽广。
