CN109420629B - 倾斜面上的作业装置及其应用在光伏电站的清扫方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在倾斜面上的作业装置，包括在倾斜面上实施作业的作业机器人以及跟随车，还包括连接在作业机器人与跟随车之间的缆线，作业机器人与跟随车之间具有相互获知位置的定位系统，所述跟随车能够辨识作业机器人位置，并跟随作业机器人做自主移动，在所述跟随车上设置有动力源，通过缆线为作业机器人实施作业提供持续动力流。本发明涉及一种将上述作业装置应用在光伏电站上对光伏组件阵列进行清扫的清扫方法。本发明具有低投入、易装易卸、易管理、易维护的特点。

Description

倾斜面上的作业装置及其应用在光伏电站的清扫方法

技术领域

本发明涉及一种在倾斜面上作业的机器人领域，例如，可以应用在光伏电站的技术领域，特别涉及一种倾斜面上的作业装置及其应用在光伏电站的清扫方法。

背景技术

在一些倾斜表面(倾斜表面所指代的表面与地面水平面之间的夹角可以是钝角、直角或是锐角)上需要实施一些特定的作业内容，例如，倾斜设置的光伏组件阵列的清扫。光伏组件处于暴露状态，粉尘落在组件上，阻挡阳光的有效照射，会严重影响光电转化效率，此外，因为光照不均还会导致局部过热而产生热斑，进而破坏光伏组件。空气中的粉尘很多。即便清扫之后没多久，光伏组件上又会积满粉尘。因此，频繁地清扫光伏组件是非常有必要的。

目前，光伏电站的清扫作业仍以人工清扫方式为主。但是，因为人工清扫的诸多弊端(例如：人工费用大、清扫效率低、清扫质量不稳定、易损伤发电板，等)，机器人清扫开始逐渐取代人工清扫。以现有的轨道式机器人清扫装置为例，其操作过程是：首先，需要两个人以上把机器人安装在一个光伏组件阵列上。安装好之后，机器人开始沿着光伏组件阵列横向移动，机器人上的清扫单元沿着机器人的轨道上下移动，从而实现了对光伏组件阵列的扫描式清扫。一个光伏组件阵列清扫完毕后，再次需要两个人甚至更多人将机器人取下来，再安装到另一个光伏组件阵列上。该操作方式存在的问题是：

(1)这种轨道式的清扫机器人体积大，重量大，安装和卸载工作复杂，一个人难以完成，必须两个人以上。并且，对工人的体力和安装经验要求都比较高。安装和卸载所需时间很长。

(2)光伏电站的光伏组件阵列数以千百计，且相互独立。工人必须不停地移动清扫机器人，也就是说，工人必须反复地进行机器人的安装和卸载的工作，这严重降低了清扫的效率。

为了解决上述问题，技术人员提出了进一步的解决方案。就是在每一个光伏组件阵列上都安装一台轨道式机器人。该机器人的工作方式与上述的机器人相同。所不同的是，一个轨道式机器人长年安装在一个光伏组件阵列上的，只需安装一次。这一方式能够实现频繁、高效的清扫，从而能够确保光伏组件始终保持清洁状态，大幅提升发电效率。但是，也存在着如下严重问题：光伏电站的组件阵列数以千百计，每一个组件阵列安装一台机器人的话，就需要数以千百计的机器人；数量巨大的机器人分布安装在成百上千亩的电站上，不仅会导致巨大的前期安装工作和极高的投入成本，而且还会带来大量的管理、维修工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种倾斜面上的作业装置及其方法，例如，光伏电站的清扫装置及其清扫方法，具有低投入、易装易卸、易管理、易维护的特点。

本发明是这样实现的，提供一种倾斜面上的作业装置，包括在倾斜面上实施作业的作业机器人以及跟随车，还包括连接在作业机器人与跟随车之间的缆线，作业机器人与跟随车之间具有相互获知位置的定位系统，所述跟随车能够辨识作业机器人位置，并跟随作业机器人做自主移动，在所述跟随车上设置有动力源，通过缆线为作业机器人实施作业提供持续动力流。

以光伏电站的清扫为例，本发明提供一种光伏电站的清扫装置，所述光伏电站包括一个或多个光伏组件阵列，所述光伏组件阵列由一块或多块光伏组件拼接而成，所述的光伏电站的清扫装置包括在每个光伏组件阵列上做清扫的作业机器人以及跟随车，还包括连接在作业机器人与跟随车之间的缆线，作业机器人与跟随车之间具有相互获知位置的定位系统，所述跟随车能够辨识作业机器人位置，并跟随作业机器人做自主移动，在所述跟随车上设置有动力源，通过缆线为作业机器人的清扫工作提供持续动力流。

进一步地，在所述作业机器人上设置有方向传感器和边缘检测传感器，使其能在光伏组件上按照既定清扫轨迹自主移动；在所述作业机器人上设置信号指示器，在其清扫完毕后信号指示器发出提示信号。

进一步地，在所述作业机器人与跟随车之间的缆线里包含有导管，在所述跟随车上设置了清扫所需的原料箱，为作业机器人提供清扫用的原料，原料如：水、清洗剂等。

进一步地，所述跟随车包括车架和可拆卸部分，所述可拆卸部分包括电池、和/或控制器、和/或原料箱，等。

进一步地，在所述跟随车上设置了能检测倾斜面边缘的边缘检测装置。

具体地，所述倾斜面为包括有光伏组件阵列的倾斜表面，所述跟随车上的边缘检测装置能够检测光伏组件阵列的边缘。

进一步地，所述边缘检测装置包括两组物体感知器。

进一步地，每组物体感知器包括两个物体感知器。

进一步地，在所述跟随车上安装摄像头和设置影像处理系统，所述摄像头拍摄倾斜面及其边缘的影像，并将拍摄的影像实时地传输到影像处理系统进行分析处理，得到倾斜面的下边缘在影像中的像素坐标，以此判断跟随车相对于倾斜面下边缘的位置和方向，并相应地调整跟随车的位置和方向，确保跟随车大致沿着倾斜面的下边缘移动。

本发明还提供一种光伏电站的清扫方法，所述光伏电站包括一个或多个光伏组件阵列，所述光伏组件阵列由多块光伏组件拼接而成，采用如前所述的倾斜面上的作业装置，所述的倾斜面是光伏组件阵列的表面，所述的作业是清扫作业，所述的作业机器人是清扫机器人，包括如下步骤：

步骤一、将作业机器人和跟随车搬运到光伏电站的现场；

步骤二、利用人工将作业机器人放置在某个待清扫的光伏组件阵列上，使用缆线将作业机器人与跟随车连接起来，开启作业机器人使其自动对该列光伏组件阵列进行清扫，跟随车自动地跟随作业机器人移动；

步骤三、作业机器人按照既定清扫轨迹对光伏组件阵列的表面实施自动清扫，清扫完毕后发出完成提示信号；

步骤四、人工将作业机器人移动到另一列待清扫的光伏组件阵列上，重复步骤二和步骤三。

本发明还提供一种光伏电站的清扫方法，所述光伏电站包括一个或多个光伏组件阵列，所述光伏组件阵列由多块光伏组件拼接而成，采用如前所述的倾斜面上的作业装置，所述的倾斜面是光伏组件阵列的表面，所述的作业是清扫作业，所述的作业机器人是清扫机器人，包括如下步骤：

步骤一、将作业机器人和跟随车搬运到光伏电站的现场；

步骤二、利用人工将作业机器人放置在某个待清扫的光伏组件阵列上，使用缆线将作业机器人与跟随车连接起来，开启作业机器人使其自动对该列光伏组件阵列进行清扫，跟随车通过设置在其上的边缘检测装置的导引不断地调整移动方向，自动地沿着光伏组件阵列的边缘并跟随作业机器人移动；

步骤三、作业机器人按照既定清扫轨迹对光伏组件阵列的表面实施自动清扫，清扫完毕后发出完成提示信号；

步骤四、人工将作业机器人移动到另一列待清扫的光伏组件阵列上，重复步骤二和步骤三。

与现有技术相比，本发明的倾斜面上的作业装置及其清扫应用在光伏电站的清扫方法，具有以下特点：

(1)作业机器人和跟随车的重量和体积都很小，一个工人就能同时提起。安装的时候，工人只需要把作业机器人任意放置在光伏组件阵列上，并启动作业机器人和跟随车的电源。清扫完毕之后，工人把作业机器人拿下来，放置到另一个光伏组件阵列上。安装、卸载和移动的过程对工人的体力和操作技能要求极低。

(2)因为安装和卸载容易，所以一套清扫装置(作业机器人+跟随车)可以很容易地用在不同的光伏组件阵列。这样就不再需要为每一个光伏组件阵列准备一套清扫装置，从而大幅降低了装置的投入数量。

(3)清扫装置的投入数量虽然减少了，但是，因为一套清扫装置能够很容易地在不同的光伏组件阵列上使用，所以，仍然能够实现频繁地清扫的目的。

(4)清扫装置的数量减少，对于电站来说，导入清扫系统的前期投入成本能够大幅减少。

(5)清扫装置的数量减少，后期的管理和维护的工作也能够大幅减少。例如，工人可以很容易地回收清扫装置进行检修、日常的电池充电等工作。

(6)跟随车具有可拆卸部分，便于搬运和运输，降低了跟随车搬运时的操作强度，有利于高效地进行光伏电站的清扫工作。

附图说明

图1为本发明的倾斜面上的作业装置的第一较佳实施例的侧视示意图；

图2为图1中跟随车正视图；

图3为图1的俯视图；

图4为本发明的倾斜面上的作业装置的第二实施例的俯视示意图；

图5为图4的侧视局部放大图；

图6为本发明的倾斜面上的作业装置的第三实施例的侧视图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种倾斜面上的作业装置，包括在倾斜面上实施作业的作业机器人以及跟随车，还包括连接在作业机器人与跟随车之间的缆线，作业机器人与跟随车之间具有相互获知位置的定位系统，所述跟随车能够辨识作业机器人位置，并跟随作业机器人做自主移动，在所述跟随车上设置有动力源，通过缆线为作业机器人实施作业提供持续动力流。下面以光伏组件阵列为例来具体说明本发明的作业装置及其应用方法。

请参照图1所示，本发明在光伏电站的清扫的较佳实施例。所述光伏电站包括一个或多个光伏组件阵列A，所述光伏组件阵列A由一块或多块光伏组件排列而成，光伏组件阵列A的表面迎这太阳的方向呈倾斜状态。所述的光伏电站的清扫装置包括在每个光伏组件阵列上做清扫的作业机器人1以及跟随车2，还包括连接在作业机器人1与跟随车2之间的缆线3。

作业机器人1与跟随车2之间具有相互获知位置的定位系统。如图3所示，定位系统包括无线测距信号单元4。在所述跟随车2上设置两个无线测距信号单元4。在所述作业机器人1上设置一个无线测距信号单元5。无线测距信号单元之间能够相互通讯并检测出相互间的距离。于是，所述跟随车2能够辨识作业机器人1的位置，并跟随作业机器人1做自主移动。跟随车2上安装有方向传感器，并利用方向传感器的信号来保持直线运动方向。在作业机器人1的前后两侧分别设置了清扫工具，如旋转的毛刷等。

在所述跟随车2上设置有动力源，动力源通过缆线3为作业机器人1的清扫工作提供持续动力流。例如，跟随车2上装载有大容量的电池，通过缆线3给作业机器人1持续供电。

在所述作业机器人1上设置有方向传感器和边缘检测传感器。作业机器人1利用方向传感器的信号来保持运动轨迹的方向，同时，利用边缘传感器来判断光伏组件阵列A的边缘。因此，作业机器人1能在光伏组件阵列A上按照既定清扫轨迹(图3中的虚线)自主移动并确保不会从光伏组件阵列上掉落。当作业机器人1移动到光伏组件阵列A的终端时，作业机器人1的边缘传感器会在短时间内多次被光伏组件阵列A的侧边缘触发，此时即可判断清扫完毕。在所述作业机器人1上设置信号指示器，发出提示信号。

如图3所示，因为跟随车2上安装有两个无线测距信号单元4，两个测距用的信号单元4之间有一定的间距，记为L1。此外，作业机器人1上安装有1个测距信号单元5。三个测距信号单元可以相互通讯并测量相互间的距离。那么，作业机器人1的测距信号单元和跟随车2的两个测距信号单元所测得的两个距离分别记为L2和L3。作业机器人1和跟随车2之间就可以构成一个已知边长的三角形。基于该三角形，作业机器人1和跟随车2就能够确定相对位置，从而跟随车2能够跟随作业机器人1做相应的自主移动，实现跟随的功能。

在所述作业机器人1与跟随车2之间的缆线3还包含有导管，在所述跟随车上设置了清扫所需的原料箱，为作业机器人提供清扫用的原料，原料如：水、清洗剂等。

为了易搬运，跟随车2的体积和重量都必须设计得尽量地小。跟随车2设计得小(比如说，车轮小、车体小、采用小功率电机)的话，跟随车2的行走能力、越障能力、驱动性能等都会受影响。而光伏电站通常都建设在荒漠、农田里，地面不平整，会存在大量的凹坑和凸起。在这样的地面上移动，对跟随车2的行走能力、越障能力、驱动性能等方面的要求是非常高的。很显然，跟随车2的车架越高、轮子越大、电机功率越大，其在复杂路面的行走能力就越强，但是，车架的重量和体积也会变得越大，从而不利于工人的日常维护工作。例如，工人需要每天把跟随车2回收并进行集中充电。如果跟随车2变得又大又重，这一工作就会变得非常地困难。

为了解决上述问题，本发明将跟随车2设计成分体式，请参照图2所示。作为本发明的另一实施例，所述跟随车2包括车架6和可拆卸部分7。所述可拆卸部分7包括电池、和/或控制器、和/或原料箱等。车架6可以根据路面情况设计得又高又大又重，长期放置在光伏电站里。可拆解部分7是需要日程维护的部件或是需要特别维护和保护的部分(例如：电池组、控制电路板、原料箱等)。以日常的电池充电为例，工人只需要把含电池组的可拆卸部分取下拿回充电中心，大幅降低了工人的操作强度。

在上述实施例中，跟随车利用方向传感器的信号来保持沿着光伏组件阵列的直线运动方向。这种方法存在着如下问题，导致跟随车与光伏组件阵列发生碰撞。

(1)方向传感器不稳定，非常容易产生很大的误差。例如，利用磁场原理的指南针式传感器，极易受到周边磁场的干扰；利用加速度变化的原理的方向传感器，则非常容易产生累计误差。

(2)方向传感器能保证跟随车做直线运动，但是，却不适用于光伏组件阵列是非直线排列的情况，例如：弧形排列的光伏组件。

为此，本发明再提出一种更优的方案。跟随车2上安装边缘检测装置，该边缘检测装置能检测光伏组件阵列A的边缘。所述边缘检测装置通过传感器支架8固定在跟随车2上。跟随车利用边缘检测装置来获知它与光伏组件阵列的相对位置关系，从而能够很好地沿着光伏组件阵列移动。

为了便于理解，此处详细说明一种边缘检测装置的方案。所述边缘检测装置包括两组物体感知器，每组物体感知器包括高低设置的两个物体感知器。

如图4所示，边缘检测装置包含四个物体感知器。物体感知器分成两组，一组两个，分别安装在跟随车2的两侧的传感器支架8上，标记为G1、G2、G3、G4。图5是物体感知器和光伏组件阵列A的边缘的位置关系的局部放大示意图。所述边缘检测装置处于正常使用状态时，处于较高位置的物体感知器位于倾斜面的正上方且感知倾斜面，处于较低位置的物体感知器位于倾斜面的外侧且感知不到倾斜面。物体感知器分别位于光伏组件阵列A的边缘的上下两侧，即，一个物体感知器能检测到光伏组件，而另一个物体感知器检测不到光伏组件。我们可以通过四个物体感知器是否感知到光伏组件来判断跟随车2与光伏组件阵列A的边缘位置关系，从而进一步来调整跟随车2的方向和移动轨迹，使其始终能够以光伏组件阵列A的边缘为基准来移动。例如，当G1和G3感知到光伏组件，而G2和G4没有感知到光伏组件，那么，跟随车2与光伏组件阵列A的边缘保持着较好的相互位置关系；当只有G1感知到光伏组件，G3、G2和G4都没有感知到光伏组件，说明跟随车2相对于光伏组件阵列A的边缘已经发生了严重的歪斜，这时，我们就需要对跟随车2的方向进行及时地调整，使跟随车2与光伏组件阵列A的边缘重新回到较好的相互位置关系。跟随车2上安装了这样的边缘检测装置后，形成了闭环的控制系统，即便存在一些外在的干扰(例如，路面不平整、光伏面板阵列不是严格的直线排列、跟随车的轮子存在转动差异，等)，跟随车2都能够很好地沿着光伏组件阵列A的边缘移动。同时，跟随车2和作业机器人1上分别设置无线测距信号单元4和5，测出两者的距离L。跟随车2根据L来进行相应的移动，使两者保持一个合适的距离，确保缆线3不会被拉拽。在作业机器人1的前后两侧分别设置了清扫工具，如旋转的毛刷等。

作为本发明的第三实施例，边缘检测装置还可以利用影像处理技术来实现。如图6所示，在跟随车2上安装摄像头9。摄像头9拍摄光伏组件阵列A及其边缘的影像。拍摄的影像通过适当的影像处理系统进行分析处理(例如，利用光伏组件边框的颜色，或是利用光伏组件和地面的颜色变化)，得到光伏组件阵列A的下边缘在影像中的像素坐标，以此可以判断跟随车2相对于下边缘的位置和方向，并相应地调整跟随车2的位置和方向，确保跟随车2大致沿着光伏组件阵列A的边缘移动。

本发明的一种光伏电站的清扫方法，采用如前所述的光伏电站的清扫装置，包括如下步骤：

步骤一、将作业机器人1和跟随车2或是跟随车的可拆卸部分搬运到光伏电站的现场；

步骤二、人工将作业机器人1放置在某个待清扫的光伏组件阵列A上，使用缆线3将作业机器人1与跟随车2连接起来，开启作业机器人1使其自动对该列光伏组件阵列A进行清扫，跟随车2自动地跟随作业机器人1移动；

步骤三、作业机器人1按照既定清扫轨迹对光伏组件阵列A实施自动清扫，清扫完毕后信号指示器发出完成提示信号；

步骤四、人工将作业机器人1移动到另一个待清扫的光伏组件阵列A上，重复步骤二和步骤三。

采用上述方法一个工人可以同时看护和操作多套清扫装置，据实际操作实验得知，一个工人可以同时操作和管理30台～50台清扫装置。工人负责放置作业机器人1和在光伏组件阵列A之间移动作业机器人。作业机器人1一旦放置好了之后，作业机器人1和跟随车2就自主开始清扫。清扫完一个光伏组件阵列A之后，作业机器人1向工人发出提示信号，工人过来把作业机器人1移动到下一个光伏组件阵列A上，接着继续清扫。

本发明的一种光伏电站的清扫方法，采用如前所述的光伏电站的清扫装置，包括如下步骤：

步骤一、将作业机器人1和跟随车2或是跟随车的可拆卸部分搬运到光伏电站的现场；

步骤二、人工将作业机器人1放置在某个待清扫的光伏组件阵列A上，使用缆线3将作业机器人1与跟随车2连接起来，开启作业机器人1使其自动对该列光伏组件阵列A进行清扫，跟随车2通过设置在其上的边缘检测装置的导引不断地调整移动方向，自动地沿着光伏组件阵列的边缘并跟随作业机器人1移动；

步骤三、作业机器人1按照既定清扫轨迹对光伏组件阵列A实施自动清扫，清扫完毕后信号指示器发出完成提示信号；

步骤四、人工将作业机器人1移动到另一个待清扫的光伏组件阵列A上，重复步骤二和步骤三。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种倾斜面上的作业装置，其特征在于，包括在倾斜面上实施作业的作业机器人以及跟随车，还包括连接在作业机器人与跟随车之间的缆线，作业机器人与跟随车之间具有相互获知位置的定位系统，所述跟随车能够辨识作业机器人位置，并跟随作业机器人做自主移动；在所述跟随车上设置了能检测倾斜面边缘的边缘检测装置，所述跟随车上的边缘检测装置能够检测倾斜面边缘，所述边缘检测装置包括两组物体感知器。

2.权利要求1所述的倾斜面上的作业装置，其特征在于：在所述作业机器人上设置有方向传感器和边缘检测传感器，使其能在倾斜面上按照既定作业轨迹自主移动；在所述作业机器人上设置信号指示器，在其作业完毕后信号指示器发出提示信号。

3.如权利要求1所述的倾斜面上的作业装置，其特征在于，在所述跟随车上设置有动力源，通过缆线为作业机器人实施作业提供持续动力流，在所述作业机器人与跟随车之间的缆线里包含有导管，在所述跟随车上设置了作业所需要的原料箱，为作业机器人提供作业所需的原料。

4.如权利要求1或3所述的倾斜面上的作业装置，其特征在于，所述跟随车包括车架和可拆卸部分。

5.如权利要求1所述的倾斜面上的作业装置，其特征在于，每组物体感知器包括两个物体感知器。

6.如权利要求1所述的倾斜面上的作业装置，其特征在于，在所述跟随车上安装摄像头和设置影像处理系统，所述摄像头拍摄倾斜面及其边缘的影像，并将拍摄的影像实时地传输到影像处理系统进行分析处理，得到倾斜面的下边缘在影像中的像素坐标，以此判断跟随车相对于倾斜面下边缘的位置和方向，并相应地调整跟随车的位置和方向，确保跟随车大致沿着倾斜面的边缘移动。

7.一种光伏电站的清扫方法，所述光伏电站包括一个或多个光伏组件阵列，所述光伏组件阵列由一块或多块光伏组件拼接而成，其特征在于，采用如权利要求1所述的倾斜面上的作业装置，所述的倾斜面是光伏组件阵列的表面，所述的作业是清扫作业，所述的作业机器人是清扫机器人，包括如下步骤：

步骤一、将作业机器人和跟随车搬运到光伏电站的现场；

步骤二、利用人工将作业机器人放置在某个待清扫的光伏组件阵列上，使用缆线将作业机器人与跟随车连接起来，开启作业机器人使其自动对该列光伏组件阵列进行清扫，跟随车通过设置在其上的边缘检测装置的导引不断地调整位置和方向，自动地沿着光伏组件阵列的边缘并跟随作业机器人移动；

步骤三、作业机器人按照既定清扫轨迹对光伏组件阵列的表面实施自动清扫，清扫完毕后发出完成提示信号；

步骤四、人工将作业机器人移动到另一列待清扫的光伏组件阵列上，重复步骤二和步骤三。

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