面向复杂环境的无人机光伏板清洁机器人系统设计与实现

引言

随着全球能源危机和环境问题的日益突出，太阳能作为一种清洁、可再生能源得到了广泛的开发和利用，光伏产业呈现出蓬勃发展的态势。光伏板是光伏发电系统的核心部件，其表面的灰尘、污垢等会严重影响光的吸收，降低发电效率。因此，对光伏板进行定期清洁是保证光伏发电效率的关键环节。然而，光伏电站往往建设在野外、屋顶、沙漠等复杂环境中，传统的人工清洁方式存在效率低、成本高、安全性差等问题；地面清洁机器人则受限于地形条件，难以适应复杂的作业环境。无人机具有灵活性高、机动性强、能够适应复杂地形等优势，将无人机与清洁机器人相结合，开发面向复杂环境的无人机光伏板清洁机器人系统，成为解决复杂环境下光伏板清洁难题的重要途径。

一、复杂环境对光伏板清洁的影响分析

1.1 环境因素分类

地形因素，光伏电站可能建设在山地、屋顶、沙漠等地形复杂的区域，地面高低不平、坡度较大，给地面清洁设备的移动带来困难，同时也增加了无人机起降和作业的难度。气象因素，包括大风、降雨、降雪、高温、低温等。大风会影响无人机的稳定性和操控性；降雨和降雪可能导致清洁设备打滑、结冰，影响清洁效果和设备安全；高温和低温则会影响设备的性能和使用寿命。空间因素，部分光伏板安装在高空或密集排列，作业空间狭窄，清洁设备需要具备较高的灵活性和精准定位能力，以避免与周围物体发生碰撞。

1.2 对清洁作业的具体影响

清洁效果下降，在复杂地形及狭小空间中，清洁设备的运行及操作范围受限，无法快速、有效地完成清洁工作；恶劣气候条件下，不能完成清洁工作，降低了清洁工作完成效率；清洁效果变差，大风情况下容易出现机器人无法与光伏板表面良好接触，进而降低了清洁程度；阴雨及降雪天气情况下，在光伏板表面留下了水渍及污染物，影响了清洁效果。设备安全性风险加大，在复杂地形中，容易出现无人机降落或升空过程中碰撞情况；高温条件下易因温度过高造成设备毁坏现象，低温状态下容易造成电池充电及放电能力下降等故障，降低设备持续运行的时间及距离；强风情况下无人机容易失控、出现摔毁事故。

二、无人机光伏板清洁机器人系统总体设计

2.1 系统设计目标

具备良好的环境适应性，能够在复杂地形、恶劣气象条件和狭窄空间中正常作业。清洁能力强，可以快速地清理光伏板表面，加快清理速度，减少清理的时间。清洁效果好，能够对光伏板表面灰尘、泥土等进行清除，保证清洁效果。稳定安全可靠，具有自主回避障碍物和巡航控制能力及应急预案能力，防止相撞或出现其他安全事故。

2.2 系统总体架构

无人机型光伏板清洗机器人系统包括无人机载体、清洗执行装置、环境感知装置、智能控制装置及电力供给装置，实现系统的合作运行，完成光伏板清洗的任务。系统载体，也就是无人机平台，作为系统的载体平台，携带清洁执行机构、环境感知模块等模块实现飞行飞行控制与定位，具备良好的稳定性、灵活性、承载能力。清洁执行机构，直接与光伏板表面进行接触，完成对光伏板表面的清洁工作。根据光伏板自身的特征及清洁需求选择合适的清洁方式和清洁工具。环境感知模块，由传感器完成对周围环境、光伏板自身状态信息的采集，为智能控制系统决策提供依据。智能控制系统，系统中心，根据环境感知模块采集的信息，实现对无人机自主飞行的控制、清洁路径规划、避障控制、清洁执行机构控制等功能。

三、系统关键子系统设计

3.1 无人机平台选型与改造

依据系统的设计要求，无人机载平台需要具备大载重、长续航、稳定性好的特点。结合各方面因素综合考虑，采用了多旋翼无人机作为承载平台，因为多旋翼无人机结构相对简单，便于操控，稳定性好。型号选择，采用六旋翼无人机，相比于四旋翼无人机，六旋翼无人机载重能力更大，抗风性更好，满足清洁执行机构以及相关设备安装在六旋翼无人机上的需求。结构改造，对无人机进行机身结构改造，机身下方安装清洁执行机构连接装置，保证清洁执行机构在无人机上安装稳固，不影响六旋翼无人机的飞行性能。

3.2 清洁执行机构设计

清洁执行机构是清洁光伏板的核心机构，清洁执行机构的设计直接决定了光伏板清洁的效果以及清洁效率。根据光伏板表面特征，选用 brushes 与高压气流结合的清洁方式。Brushes 设计，选材软、耐磨的材料制造 brushes，如尼龙丝刷，避免划伤光伏板表面。高压气流设计，选用小型气泵产生高压气流，通过喷嘴将高压气流喷射到光伏板表面，可以将 清扫留下的细小灰尘、杂质吹起，增加清洁的效率。升降机构，为了适应厚度不同的光伏板及光伏板的安装角度不同，设计了可以调节的升降机构，保证 brushes 与光伏板表面拥有合适的接触压力。

3.3 环境感知模块设计

视觉传感器，高清摄像头和深度相机，高清摄像头用于获取光伏板表面图像信息，图像处理技术判断光伏板表面污染情况；深度相机用于获取周围环境三维深度信息，实现障碍物检测、距离检测。惯性测量单元 (IMU)，测量无人机姿态、加速度、角速度等信息，为无人机稳定飞行控制提供数据支持。GPS模块：用于获取无人机位置信息，实现自主导航、路径跟踪。气象传感器，风速传感器、温度传感器、湿度传感器，实现作业环境的风速、温度、湿度等气象参数实时监测，当气象条件超出现有系统作业范围时，发出预警提示，告知操作人员停止作业。

3.4 智能控制系统设计

智能控制系统依托嵌入式系统开发，采用分层控制系统，即感知层—决策层—执行层。感知层，是对环境感知模块采集的传感器数据进行预处理与数据融合，消除噪声干扰，得到有用的数据，如无人机位置、姿态，周边环境障碍物的位置和距离，光伏板位置和被污染程度等。路径规划算法选用算法，根据光伏板的分布和形状，获得最优清洁路径，保证清洁覆盖率和清洁效率。避障决策是对障碍物的信息进行分析，生成避障飞行轨迹，避开障碍物，防止无人机与障碍物发生碰撞。执行层，根据决策层的命令，控制无人机飞行姿态和位置，驱动清洁执行机构进行清洁操作，完成对无人机和清洁执行机构的精确控制。

3.5 能源供应系统设计

能源供给系统以锂电池为能源，为提高系统供电续航里程，选用多电池组供电的电池并联方式。电池选型，选用高放电倍率、能量密度大的锂电池，例如采用锂聚合物电池，锂电池具有比重大、质量轻、容量大、充放电性能优良等优点。电源管理模块，设计电源管理模块，实现对电池充放电管控、电压监控及过充过放保护等功能，确保电池安全使用和延长电池寿命，同时电源管理模块能按照各子系统功耗需要对电能进行调配，达到合理利用能源的目标。

结论

该系统具有良好的环境适应性，能够在平地、斜坡、屋顶等复杂地形和微风等气象条件下正常作业。系统的清洁效率高，清洁覆盖率和清洁质量能够满足光伏板清洁的要求。系统具备可靠的避障性能和一定的续航能力，能够保证清洁作业的安全和持续进行。该系统为解决复杂环境下光伏板清洁难题提供了一种有效的技术方案，具有较高的实用价值和推广前景。

参考文献

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