基于視覺識別的光伏板清潔機器人設計

摘 要：【目的】針對光伏板表面污垢導致的發電效率低的問題，設計了一種基于視覺識別的光伏板清理機器人?！痉椒ā渴褂肧olidWorks軟件來建立光伏板清潔機器人三維模型。所設計的機器人集成了視覺識別裝置、履帶驅動裝置和干濕混合清潔裝置等結構，可以自動識別光伏板表面污垢的分布情況，并進行路徑規劃，從而提高機器人的清潔速度?！窘Y果】為檢驗機器人的支撐架強度能否滿足使用要求，對其進行有限元分析。結果表明，所設計的機器人支撐架結構合理，強度符合要求。【結論】所設計的光伏板清潔機器人具有清潔效率高、低成本低等優點，對光伏產業的發展起到了積極的推動作用。

關鍵詞：光伏板清理機器人；視覺識別裝置；路徑規劃；支撐架

中圖分類號：TH137.5 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著全球能源結構的轉型和居民環保意識的提升，光伏能源作為一種可再生能源受到業界的廣泛關注。光伏板是光伏發電裝置的核心部件，其發電效率主要受太陽光照射面積的影響。然而，在實際應用中，光伏板表面可能會積累灰塵、鳥糞等污染物，這不僅導致發電效率降低，還有可能引起設備故障，進而縮短光伏板的使用壽命［1］。因此，實現對光伏板表面污垢高效且環保的清潔，對提升光伏發電裝置的發電效率至關重要［2］。

傳統的人工清洗光伏板的方式存在諸多缺點，如勞動強度大、清洗效率低、清潔效果不穩定及安全隱患多等；而大型機器清洗方式也面臨前期投入大、維護成本高等困境。為了能有效解決上述問題，眾多科技工作者正在積極推進相關領域的研究工作，探索更高效、經濟的清潔技術解決方案。徐晨陽等［3］通過對光伏清理機器人的行走機構和清潔機構進行設計，提高了其運動的穩定性。尉李綱等［4］對光伏清理機器人的驅動機構進行優化設計，開發出一款運行穩定的履帶式BAPV無軌清潔機器人。閆九祥等［5］開發出一種新型的面向大型太陽能光伏電站的機器人控制系統，提高了光伏板清潔效率。

為了提高對光伏板表面污垢清理效率，本研究擬設計一款基于視覺識別的光伏板清潔機器人，實現對光伏板表面污垢的快速清除。該裝置采用先進的視覺識別技術，能夠精準識別光伏板表面的污漬和積塵，并自助規劃出清潔路徑，開展自動、高效的清潔作業。

1 工作原理及設計思路

1.1 工作原理

光伏板清潔機器人集成了自主導航、清洗裝置、智能控制系統、水源和清洗液供應、遠程監控和管理等功能模塊。在執行任務時，機器人先進行系統自檢，在確認視覺識別裝置、干濕混合清潔裝置等運作正常后，利用高精度視覺傳感器來精準識別出光伏板表面污垢位置與布局，并結合環境信息智能規劃出最優清潔路徑。機器人根據預設的路徑自動導航，在運行過程中通過傳感器反饋的信息能靈活調整清潔力度和策略，以確保光伏板表面的污垢能被徹底清除，同時可避免對光伏板面造成損傷。在清潔任務完成后，機器人將會自檢清潔效果，并記錄詳盡的數據，再自動返回充電站補充能源。

1.2 整體設計思路

清潔機器人通過各模塊的協同工作，能實現對光伏板表面的高效、精準清潔。視覺識別裝置通過高清攝像頭和先進的圖像識別算法，為機器人提供精確的定位和導航，確保清潔工作的準確性和高效性。視覺識別裝置的應用使得機器人能夠準確識別出光伏板的位置和布局，從而實現高效清潔。干濕混合清潔裝置采用微水霧噴射技術，不僅能快速且徹底地清潔光伏板表面，還能有效節約水資源。微水霧的噴射方式在減少用水量的同時，確保清潔效果，實現了環保與效率的結合。履帶驅動裝置賦予機器人強大的移動能力。橡膠材質的履帶結構在組件表面爬行時增大了接觸面積，從而減少了光伏板單位面積所承受的壓力，有效避免了對光伏板面的損傷。通過行走輪的轉速差，機器人能夠靈活轉向，適應各種復雜的光伏板環境和布局。水源和清潔液供應模塊確保了清潔過程中所需物資的穩定供應，為機器人的持續運行提供了保障，確保清潔機器人在長時間工作時，能保持清潔效率和質量。光伏板清潔機器人的三維模型如圖1所示。

2 主要模塊設計

2.1 視覺識別裝置

視覺識別裝置是清潔機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細微之處［6］。無論是灰塵的積聚還是污漬的分布，都能被高清攝像頭精準識別。識別到的圖像數據被實時傳輸至機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。圖像傳感器負責將觀察區域的光學圖像轉換為電信號，然后傳遞給圖像采集卡進行數字化處理。處理器作為視覺傳感器系統的核心，用于處理和解析從圖像采集卡獲得的圖像數據，使清潔機器人能夠準確識別光伏板上的污漬類型和位置。圖像處理單元的高效運作確保了清潔機器人在執行任務時的準確性和高效性。

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致的清潔。高壓噴水口作為關鍵部件，其噴射出的水流具有強大的沖擊力，能高效迅捷地去除光伏板表面的污垢。裝置的多噴水口設計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。前端滾刷在清潔過程中發揮著重要作用，其能夠深入清除光伏板表面的頑固污漬和顆粒物。滾刷的高速旋轉與噴水口的水流相結合，能有效清除光伏板表面的污漬和顆粒物，恢復光伏板面的清潔。此外，清洗裝置還具有智能調節功能。通過先進的傳感器和算法，清洗裝置能夠根據光伏板表面的實時臟污程度，自動調整噴水口的壓力和滾刷的轉速。這種智能調節不僅避免了過度清潔或清潔不足的問題，還確保了整個清潔過程的安全性和可靠性。

2.3 履帶驅動裝置

履帶驅動裝置為清潔機器人的移動提供了堅實的基礎，確保了其在高效清潔作業中的穩定性。采用先進的履帶式驅動技術，使機器人能夠輕松應對各種復雜地形，如履平地［7］。此外，履帶式設計顯著降低了清潔機器人在光伏板上打滑的風險，保障了清潔作業的連續性和安全性。清潔機器人的履帶驅動裝置配備了精準的控制系統，該系統利用視覺識別裝置實時感知周圍環境的變化，使得機器人能夠有效躲避障礙物，并規劃出一條安全路徑，從而在面對不同環境和布局的光伏板時，都能準確、高效地到達清潔位置［8］。這種智能控制策略顯著提高了整體清潔效率，展現了清潔機器人在實際應用中的靈活性和可靠性。

3 有限元分析

清潔機器人在工作過程中需要承受自身重量、清洗工具重量及動態載荷。支撐架作為承載這些載荷的關鍵部件，其結構強度和穩定性將直接關系到機器人的工作效率和安全性。長期運行的支撐架受疲勞、腐蝕等因素的影響會發生變形或損壞，影響機器人的性能。

為確保支撐架在整個生命周期內保持較高的穩定性，采用SolidWorks軟件對其進行有限元分析，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構強度，并優化支撐架的材料分布和幾何形狀。通過確定材料使用的合理厚度和尺寸，不僅能避免材料浪費，提高材料利用率，還能實現輕量化設計，從而提高機器人的性能和經濟性［9］。利用SolidWorks建立支撐架的三維模型如圖2所示。

在設計清潔機器人的支撐架時，考慮到材料的力學性能和經濟性，選擇合金鋼作為加工材料。所選用的合金鋼性質如下：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。

在材料約束設定完成后，對支撐架進行零件網格劃分，分解成由節點和單元組成的網格系統，便于分析和計算。網格劃分結束后，對零件添加約束條件，完全約束了支撐架的六個自由度。由于支撐架需要承受機器人自身的重量、清洗工具重量及工作時的動態載荷，對支撐架施加了模擬載荷，并進行了等效應力和總變形的計算，進行靜應力分析。得到的支撐架的應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力為0.104 MPa，遠小于合金鋼的許用抗拉屈服強度。支撐架的最大變形為6.171×10-6 mm。由此可知，所設計的支撐架結構性能滿足設計要求。

4 樣機制作

根據三維建模制作的清潔機器人樣機如圖4所示。該樣機集成了先進的視覺識別裝置、干濕混合清潔裝置和履帶清潔裝置等模塊，能夠精準識別出光伏板表面的污垢分布，經測試，該清潔機器人具有高效率清潔光伏板表面污垢的能力。

5 結語

為了有效提高光伏板表面清潔效率，設計出一種基于視覺識別的光伏板清潔機器人。該機器人搭載了先進的視覺識別裝置，能夠精準快速地識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。配備的履帶驅動裝置使機器人可以輕松應對各種復雜環境，提高越過障礙的能力，同時減少對光伏板表面的損害。干濕混合清潔裝置讓機器人在清潔時的選擇更加多樣化，機器人能夠智能選擇清潔策略，實現更加節能環保的清潔效果。利用SolidWorks軟件構建機器人的三維模型，并進行了相關的應力應變分析。通過對比加載前后的數據，可以確定所設計的機器人支撐架結構合理，能夠滿足強度要求。綜上所述，本研究設計的基于視覺識別的光伏板清潔機器人具有清潔效率高、適應性廣和自適應調節能力強等優點，為未來光伏板表面清潔技術的發展提供了有力的技術借鑒。

參考文獻：

［1］邢玉東.光伏清潔機器人的設計與實現［D］. 天津： 天津理工大學，2019.

［2］董伯先.淺析光伏電站清潔機器人的應用現狀［J］. 太陽能，2020（3）：46-50.

［3］徐晨陽，周全民，王春旭，等.光伏板智能清潔機器人設計與實現［J］. 機床與液壓，2024，52（11）：13-19.

［4］尉李綱，宋鉷，魏順勇，等.履帶式BAPV無軌清潔機器人［Z］.紹興：紹興舜海智能裝備有限公司，2023.

［5］閆九祥，王亞麗，魏盼盼，等.一種新型太陽能光伏板清潔機器人控制系統的設計［J］.山東科學，2017，30（4）： 112-117.

［6］文家平.基于視覺識別技術的全自動撈渣機器人研發與優化［J］.信息科學與工程研究，2024，5（1）：34-36.

［7］鐘勇，李方舟，邱煌樂，等.一種適合大面積清掃的光伏板清潔機器人設計［J］.科技與創新，2023（11）：129-131，134.

［8］嚴瑞陽.光伏清潔機器人結構優化設計與運動特性分析［D］.合肥：安徽建筑大學，2023.

［9］盧紅煜，秦明旺，王浩坤，等.自動翻越式玻璃幕墻清潔機器人設計［J］.機械制造與自動化，2021，50（6）：181-185.