CN105799910B - 光伏板监测清理空中机器人系统及光伏板清理方法 - Google Patents

光伏板监测清理空中机器人系统及光伏板清理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏板监测清理空中机器人系统及光伏板清理方法,所述系统包括四旋翼无人机、清理装置、监视装置、无线收发器、GPS定位装置、主控制器和遥控器;其中监视装置由摄像机、云台和云台控制器组成,清理装置由机器人手臂和电动喷嘴组成,尾部集成有锂电池、无线收发器、机载天线及GPS定位装置;锂电池和无线收发器分别与主控制器连接;遥控器上分别设飞行遥控手柄、清扫遥控手柄及LCD显示屏。本发明将无人机机载无线遥测技术与清理机器人手臂相结合,通过遥控装置对光伏电池板的清洁状态进行监测,再通过机载清理机器人对需要清理的光伏电池板进行重点清理,其针对性强,可大大提高清理效率,解决光伏产业的一大难题。

Description

光伏板监测清理空中机器人系统及光伏板清理方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光伏板监测清理技术领域,尤其涉及一种光伏板监测清理空中机器人 系统及光伏板清理方法。
背景技术
[0002] 无人机是一种由无线电遥控设备或预置有控制程序的控制装置操纵的无人驾驶 飞行器。四旋翼无人机是一种具有4个固定旋翼的飞行器,其控制系统包括多种姿态传感器 芯片和主控芯片,是集成众多子系统(导航与制导、飞行控制、动力与电源、通信等子系统) 的复杂控制系统。四旋翼无人机可以通过外部传感器识别、飞近、避让、绕过障碍物,也可以 机动飞行和悬停。机载控制器中可预置完成某项任务的专用程序,也可通过无线遥控装置 进行遥控,同时配备摄像系统的四旋翼无人机还具有图像信息传输能力。由于能够在人工 智能系统(AI)控制下自主飞行或遥控飞行,并由两维变为三维飞行,实现了升维创新,所以 无人机为未来的空中机器人提供了搭载平台。
[0003] 太阳能作为一种可永续利用的清洁能源,有着巨大的开发应用潜力。世界光伏产 业市场在严峻的能源形势和人类生态环境形势的压力下,进入到了快速发展时期,光伏电 池产量逐年增加。因此,开展光伏发电相关技术的研宄具有重要的理论意义和实用价值。
[0004] 当前的光伏发电系统中,光伏电池板(光伏板)由于长时间在室外或野外放置,其 表面经常落有灰尘、油渍或积雪,严重影响了发电效率,是光伏产业时刻面临的一个难题。 由于光伏板面积大,覆盖范围广,采用人工方式清理效率低,目前还没有更好的清理方式。
发明内容
[0005] 本发明提供了一种光伏板监测清理空中机器人系统及光伏板清理方法,将无人机 机载无线遥测技术与清理机器人手臂相结合,通过遥控装置对光伏电池板的清洁状态进行 监测,再通过机载清理机器人对需要清理的光伏电池板进行重点清理,其针对性强,可大大 提高清理效率,解决光伏产业的一大难题。
[0006] 为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案实现:
[0007] 光伏板监测清理空中机器人系统,包括四旋翼无人机和安装在四旋翼无人机上的 清理装置、监视装置、无线收发器、GPS定位装置及主控制器,还包括与主控制器通过无线收 发器进行通讯的遥控器;所述四旋翼无人机设有头部固定架、中部固定连接架和尾部固定 架,4个旋翼两两对称固定在头部固定架和中部固定连接架上,且每个旋翼分别具有展开和 收起2个工作位;监视装置由摄像机、云台和云台控制器组成,摄像机通过云台固定在头部 固定架下方,云台控制器与摄像机分别连接主控制器;清理装置由机器人手臂和电动喷嘴 组成,机器人手臂和电动喷嘴通过机器人控制箱固定在中部固定连接架下方,并分别与主 控制器连接;尾部固定架上集成有锂电池、无线收发器、机载天线及GPS定位装置,锂电池和 无线收发器分别与主控制器连接;遥控器上分别设飞行遥控手柄、清扫遥控手柄及LCD显示 屏。
[0008]所述机器人手臂由摆动臂、腕关节和清扫轮组成,摆动臂一端与设在机器人控制 箱中的摆动机构相连,另一端通过转轴与腕关节的后部铰接,腕关节前部通过支撑筒固定 清扫轮,清扫轮由伺服电机驱动。
[0009]所述四旋翼无人机的头部固定架与中部固定连接架之间通过前主梁固定连接,中 部固定连接架与尾部固定架之间通过后主梁固定连接;每个旋翼的支架外伸端上部分别通 过电机座固定有电机,电机与对应螺旋桨连接;设于头部固定架上的2个旋翼的支架外伸端 下部通过铝合金卡扣固定有起落架,尾部固定架下方也设有起落架;每个旋翼的支架固定 端设卡扣内环,头部固定架/中部固定连接架与旋翼对应位置设2个卡扣外环,处于内侧的 收起位卡扣外环与无人机中轴线平行设置,处于外侧的为展开位卡扣外环,2个卡扣外环之 间的夹角为45°〜90°。
[0010]所述头部固定架上还安装有云台控制器,云台控制器分别连接云台调节电机A和 云台调节电机B,云台调节电机A和云台调节电机B分别用于驱动摄像机绕水平轴线和竖直 轴线转动;设在云台上的云台调节传感器也与云台控制器相连;云台与头部固定架之间设 有由多个圆柱形减震件组成的减震器。
[0011]所述机器人控制箱中设有机器人手臂摆动装置、清洁气源或清洁剂罐,机器人手 臂摆动装置连接机器人手臂并带动其左右摆动;清洁气源或清洁剂罐通过输送管连接电动 喷嘴。
[0012]所述与螺旋桨连接的电机为无刷电机,每个无刷电机分别通过电子调速器连接主 控制器。
[0013]基于光伏板监测清理空中机器人系统的光伏板监测清理方法,包括如下步骤: [00M] 1)将用于光伏板监测清理的空中机器人系统进行组装、调试,确认各部分工作正 常;按照清理工作需要在机器人控制箱中加装气源或清洁剂罐,并将气源或清洁剂罐通过 输送管连接电动喷嘴;
[0015] 2)远距离施工时,将4个旋翼支架的固定端卡扣内环分别与头部固定架及中部固 定连接架上的收起位卡扣外环固定连接,使空中机器人整体处于收拢状态,便于运输;
[0016] 3)将空中机器人运送到施工现场,再将4个旋翼支架的固定端卡扣内环分别与头 部固定架及中部固定连接架上的展开位卡扣外环固定连接,使处于收拢状态的空中机器人 旋翼展开;通过遥控器操控空中机器人起飞到达所监测光伏板上方;通过云台控制器调整 摄像机拍摄角度对准光伏板,根据摄像机拍摄的画面确定该光伏板是否需要清理及具体清 理位置;
[0017] 4)通过遥控器操控空中机器人在清理位置上方悬停,启动电动喷嘴,进行喷气除 尘或喷清洁剂;喷清洁剂后启动机器人手臂驱动装置,通过摆动机构和伺服电机控制清扫 轮的摆动和旋转动作,完成清扫;清扫过程中,通过摄像机实时监控,通过调整清扫轮的速 度和角度;
[0018] 5)预清理光伏板全部清扫完成后,通过遥控器操控空中机器人降落,将空中机器 人收拢后装车运回即可。
[0019]与现有技术相比,本发明的有益效果是:
[0020] 1)本发明采用四旋翼无人机作为搭载平台,配备设有云台、云台调节传感器和摄 像机组成的监测装置,监测光伏板的表面清洁状态;通过无线收发系统将监测信号传回管 理中心,买现了远程全方位实时无线监测;
[0021] 2)本发明采用自动喷气除尘及喷洒清洁剂去污的方式清理光伏板面,能够有效清 理光伏板表面灰尘和污垢;
[0022] 3)本发明采用无人机机载机器人手臂清理光伏板面,实现了远程自动操作,是光 伏板面清理的一种创新;
[0023] 4)本发明所采用的四旋翼无人机设计为可折叠结构,远距离使用时,将旋翼收拢 后再用汽车或其他运输方式运到现场,可大大节约运输空间。
附图说明
[0024]图1是本发明所述光伏板监测清理空中机器人系统的结构示意图。
[0025]图2是本发明所述四旋翼无人机头部固定架结构示意图。
[0026]图3是本发明所述四旋翼无人机的中部固定连接架结构示意图。
[0027]图4是本发明所述四旋翼无人机的尾部固定架结构结构图。
[0028]图5是本发明所述云台的结构示意图。
[0029]图6是本发明所述旋翼支架的结构示意图。
[0030]图7是本发明所述四旋翼无人机折叠后的结构示意图。
[0031]图8是本发明所述机器人手臂的结构示意图。
[0032]图9是本发明所述光伏板监测清理空中机器人系统的控制系统框图。
[0033]图中:1 •旋翼A 2•机器人手臂2-1.清扫轮2-2.腕关节2-3.转轴2-4.摆动臂2-5•驱动与控制电缆2-6•伺服电机2-7.支撑筒3.起落架A 4•电机A 5.电动喷嘴6.螺旋 浆A 7.中部固定连接架7-1.主控制器固定座8.主控制器9.后主梁10.旋翼C 10-1.铝 合金卡扣10-2.电机座10-3.卡扣内环11.起落架C 12.电机C 13.螺旋浆C 14.锂电池 15•无线收发器16•机载天线17.GPS定位装置18•尾部固定架18-1.无线收发器固定座 18-2.GPS装置固定座18-3.锂电池固定座19.螺旋衆D 20.电机D 21 •旋翼D 22.机器人控 制箱23.前主梁24•云台控制器25•电机B26.螺旋浆B 27.起落架B 28•旋翼B 29.头部固 定架29-1.减震器座29-2.云台控制器座30.摄像机31.云台31-1.摄像机座31-2.云 台调节电机A 31-3•云台调节架31-4.云台调节电机B 31-5.云台调节传感器
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明:
[0035]如图1所示,本发明所述光伏板监测清理空中机器人系统的结构示意图,如图9所 示,是本发明所述光伏板监测清理空中机器人系统的控制系统框图。本发明所述光伏板监 测清理空中机器人系统包括四旋翼无人机和安装在四旋翼无人机上的清理装置、监视装 置、无线收发器15、GPS定位装置17及主控制器8,还包括与主控制器8通过无线收发器15进 行通讯的遥控器;所述四旋翼无人机设有头部固定架29、中部固定连接架7和尾部固定架 18,4个旋翼1、28、10、21两两对称固定在头部固定架29和中部固定连接架7上,且每个旋翼 分别具有展开和收起2个工作位;监视装置由摄像机30、云台31和云台控制器24组成,摄像 机30通过云台31固定在头部固定架29下方,云台控制器24与摄像机3〇分别连接主控制器8; 清理装置由机器人手臂2和电动喷嘴5组成,机器人手臂2和电动喷嘴5通过机器人控制箱22 固定在中部固定连接架7下方,并分别与主控制器8连接;尾部固定架18上集成有锂电池14、 无线收发器15、机载天线16及GPS定位装置17,锂电池14和无线收发器15分别与主控制器8 连接;遥控器上分别设飞行遥控手柄、清扫遥控手柄及LCD显示屏。
[0036] 如图8所示,所述机器人手臂2由摆动臂2-4、腕关节2-2和清扫轮2-1组成,摆动臂 2-4—端与设在机器人控制箱22中的摆动机构相连,另一端通过转轴2_3与腕关节2-2的后 部铰接,腕关节2-2前部通过支撑筒2-7固定清扫轮2-1,清扫轮2_1由伺服电机2_6驱动。伺 服电机2-6通过驱动与控制电缆2-5与主控制器8连接。
[0037] 所述四旋翼无人机的头部固定架29与中部固定连接架7之间通过前主梁23固定连 接,中部固定连接架7与尾部固定架18之间通过后主梁9固定连接;每个旋翼的支架外伸端 上部分别通过电机座10-2固定有电机4/25/12/20,电机4/25/12/20与对应螺旋桨6/%/连 接;设于头部固定架29上的2个旋翼的支架外伸端下部通过铝合金卡扣1〇-1固定有起落架 3/27,尾部固定架18下方也设有起落架11;每个旋翼的支架固定端设卡扣内环10-3,头部固 定架29/中部固定连接架7与旋翼对应位置设2个卡扣外环,处于内侧的收起位卡扣外环与 无人机中轴线平行设置,处于外侧的为展开位卡扣外环,2个卡扣外环之间的夹角为45°〜 90。。
[0038] 所述头部固定架29上还安装有云台控制器24,云台控制器24分别连接云台调节电 机A 31-2和云台调节电机B 31-4,云台调节电机A 31-2和云台调节电机B 31-4分别用于驱 动摄像机30绕水平轴线和竖直轴线转动;设在云台31上的云台调节传感器31-5也与云台控 制器24相连;云台31与头部固定架29之间设有由多个圆柱形减震件组成的减震器。
[0039] 所述机器人控制箱22中设有机器人手臂摆动装置、清洁气源或清洁剂罐,机器人 手臂摆动装置连接机器人手臂2并带动其左右摆动;清洁气源或清洁剂罐通过输送管连接 电动喷嘴5。
[0040] 所述与螺旋桨连接的电机为无刷电机,每个无刷电机分别通过电子调速器连接主 控制器。
[0041] 基于光伏板监测清理空中机器人系统的光伏板监测清理方法,包括如下步骤:
[0042] 1)将用于光伏板监测清理的空中机器人系统进行组装、调试,确认各部分工作正 常;按照清理工作需要在机器人控制箱22中加装气源或清洁剂罐,并将气源或清洁剂罐通 过输送管连接电动喷嘴5;
[0043] 2)远距离施工时,将4个旋翼支架的固定端卡扣内环10-3分别与头部固定架29及 中部固定连接架7上的收起位卡扣外环固定连接,使空中机器人整体处于收拢状态,便于运 输;(如图7所示)
[0044] 3)将空中机器人运送到施工现场,再将4个旋翼支架的固定端卡扣内环10-3分别 与头部固定架29及中部固定连接架7上的展开位卡扣外环固定连接,使处于收拢状态的空 中机器人旋翼展开;通过遥控器操控空中机器人起飞到达所监测光伏板上方;通过云台控 制器24调整摄像机30拍摄角度对准光伏板,根据摄像机30拍摄的画面确定该光伏板是否需 要清理及具体清理位置;
[0045] 4)通过遥控器操控空中机器人在清理位置上方悬停,启动电动喷嘴5,进行喷气除 尘或喷清洁剂;喷清洁剂后启动机器人手臂2驱动装置,通过摆动机构和伺服电机控制清扫 轮2-1的摆动和旋转动作,完成清扫;清扫过程中,通过摄像机30实时监控,通过调整清扫轮 2-1的速度和角度;
[0046] 5)预清理光伏板全部清扫完成后,通过遥控器操控空中机器人降落,将空中机器 人收拢后装车运回即可。
[0047] 如图2所示,是本发明所述四旋翼无人机头部固定架结构示意图。其上设有减震器 座29-1和云台控制器座29-2,减震器座29-1上沿环形设有多个圆形通孔,用于放置圆柱形 减震件,圆柱形减震件可以是弹簧减震件或阻尼减震件。云台控制器座29-2用于安装云台 控制器24。云台31通过螺栓安装在头部固定架29的下方。头部固定架29的两个外伸端与旋 翼A 1和旋翼B 28的设置角度相适应,且其上分别设有收起位卡扣外环和展开位卡扣外环。 图1中,头部固定架29的两个外伸端分别固定有旋翼A 1和旋翼B 28,旋翼A 1上设有电机A 4、螺旋桨A 6和起落架A 3,旋翼B 28上设有电机B 25、螺旋奖B 26和起落架B 27。头部固定 架29的后部与前主梁23固定连接。
[0048]如图3所示,是本发明所述四旋翼无人机的中部固定连接架结构示意图。中部固定 连接架7的前端与前主梁23固定连接,后端与后主梁9固定连接,上方设主控制器固定座7-1,用于安装主控制器8。中部固定连接架7的两个外伸端与旋翼设置角度相适应,其上分别 设有收起位卡扣外环和展开位卡扣外环。图1中,头部固定架29的两个外伸端分别固定有旋 翼C 10和旋翼D 21,旋翼C 10上设有电机C I2和螺旋桨C 13,旋翼D 21上设有电机D 20和 螺旋桨D 19。中部固定连接架7的下方设机器人控制箱22,其中设有机器人手臂摆动装置, 摆动机构可采用机械摆动机构、摆动电机或摆动油缸。机器人控制箱22中可根据需要设置 喷气气源或清洁剂罐,喷气气源或清洁剂罐通过输送管连接电动喷嘴5后可实现喷气除尘 或喷清洁剂除污的功能。
[0049]如图4所示,是本发明所述四旋翼无人机的尾部固定架18结构结构图。尾部固定架 前部与后主梁9连接,后部上方设无线收发器固定座18-1和GPS装置固定座18-2,分别用于 固定安装无线收发器I5和GPS定位装置17。后部设锂电池固定座18-3用于放置锂电池14,前 部下方设起落架C11。
[0050]如图5所示,是本发明所述云台的结构示意图。云台31设有云台调节架31 -3和摄像 机座31-1,是用于安装、固定摄像机30的装置,本发明采用电动云台,它可以扩大摄像机30 的监视范围,实现大范围扫描监视。电动云台的姿态是由两台云台调节电机(云台调节电机 A 31-2和云台调节电机B 31-4)实现的,云台调节电机通过接受来自云台控制器24的控制 信号精确调整定位,其位置通过云台调节传感器31-5反馈。在控制信号的作用下,云台31上 的摄像机3〇既可自动扫描监视区域,也可在监控人员的操纵下监测某一对象。
[0051]如图6所示,是本发明所述旋翼支架的结构示意图。支架作为旋翼的主体结构,其 外伸端上部设电机座10_2用于固定电机,电机直接驱动螺旋桨;支架外伸设下方设铝合金 卡扣10-1,用于固定连接起落架。支架的另一端为固定端,通过卡扣内环10—3固定在头部固 定架29或中部固定连接架7上。
[0052]以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此, 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1. 光伏板监测清理空中机器人系统,其特征在于,包括四旋翼无人机和安装在四旋翼 无人机上的清理装置、监视装置、无线收发器、GPS定位装置及主控制器,还包括与主控制器 通过无线收发器进行通讯的遥控器;所述四旋翼无人机设有头部固定架、中部固定连接架 和尾部固定架,4个旋翼两两对称固定在头部固定架和中部固定连接架上,且每个旋翼分别 具有展开和收起2个工作位;监视装置由摄像机、云台和云台控制器组成,摄像机通过云台 固定在头部固定架下方,云台控制器与摄像机分别连接主控制器;清理装置由机器人手臂 和电动喷嘴组成,机器人手臂和电动喷嘴通过机器人控制箱固定在中部固定连接架下方, 并分别与主控制器连接;尾部固定架上集成有锂电池、无线收发器、机载天线及GPS定位装 置,锂电池和无线收发器分别与主控制器连接;遥控器上分别设飞行遥控手柄、清扫遥控手 柄及LCD显示屏; 所述机器人手臂由摆动臂、腕关节和清扫轮组成,摆动臂一端与设在机器人控制箱中 的摆动机构相连,另一端通过转轴与腕关节的后部铰接,腕关节前部通过支撑筒固定清扫 轮,清扫轮由伺服电机驱动;所述机器人控制箱中设有机器人手臂摆动装置、清洁气源或清 洁剂罐,机器人手臂摆动装置连接机器人手臂并带动其左右摆动;清洁气源或清洁剂罐通 过输送管连接电动喷嘴; 所述四旋翼无人机的头部固定架与中部固定连接架之间通过前主梁固定连接,中部固 定连接架与尾部固定架之间通过后主梁固定连接;每个旋翼的支架外伸端上部分别通过电 机座固定有电机,电机与对应螺旋桨连接;设于头部固定架上的2个旋翼的支架外伸端下部 通过铝合金卡扣固定有起落架,尾部固定架下方也设有起落架;每个旋翼的支架固定端设 卡扣内环,头部固定架/中部固定连接架与旋翼对应位置设2个卡扣外环,处于内侧的收起 位卡扣外环与无人机中轴线平行设置,处于外侧的为展开位卡扣外环,2个卡扣外环之间的 夹角为45°〜90°。
2. 根据权利要求1所述的光伏板监测清理空中机器人系统,其特征在于,所述头部固定 架上还安装有云台控制器,云台控制器分别连接云台调节电机A和云台调节电机B,云台调 节电机A和云台调节电机B分别用于驱动摄像机绕水平轴线和竖直轴线转动;设在云台上的 云台调节传感器也与云台控制器相连;云台与头部固定架之间设有由多个圆柱形减震件组 成的减震器。
3. 根据权利要求1所述的光伏板监测清理空中机器人系统,其特征在于,所述与螺旋桨 连接的电机为无刷电机,每个无刷电机分别通过电子调速器连接主控制器。
4. 基于权利要求1所述的光伏板监测清理空中机器人系统的光伏板监测清理方法,其 特征在于,包括如下步骤: 1) 将用于光伏板监测清理的空中机器人系统进行组装、调试,确认各部分工作正常;按 照清理工作需要在机器人控制箱中加装气源或清洁剂罐,并将气源或清洁剂罐通过输送管 连接电动喷嘴; 2) 远距离施工时,将4个旋翼支架的固定端卡扣内环分别与头部固定架及中部固定连 接架上的收起位卡扣外环固定连接,使空中机器人整体处于收拢状态,便于运输; 3) 将空中机器人运送到施工现场,再将4个旋翼支架的固定端卡扣内环分别与头部固 定架及中部固定连接架上的展开位卡扣外环固定连接,使处于收拢状态的空中机器人旋翼 展开•,通过遥控器操控空中机器人起飞到达所监测光伏板上方;通过云台控制器调整摄像 机拍摄角度对准光伏板,根据摄像机拍摄的画面确定该光伏板是否需要清理及具体清理位 置; 4) 通过遥控器操控空中机器人在清理位置上方悬停,启动电动喷嘴,进行喷气除尘或 喷清洁剂;喷清洁剂后启动机器人手臂驱动装置,通过摆动机构和伺服电机控制清扫轮的 摆动和旋转动作,完成清扫;清扫过程中,通过摄像机实时监控,通过调整清扫轮的速度和 角度; 5) 预清理光伏板全部清扫完成后,通过遥控器操控空中机器人降落,将空中机器人收 拢后装车运回即可。
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