CN115268421A - 一种光伏清洁机器人自主清洁的方法 - Google Patents

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张骏
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Abstract

本发明涉及一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，包含行走装置，中间装置、光伏清洁机器人，中间装置设置在行走装置上，光伏清洁机器人设置在中间装置上；通过在行走装置上搭载光伏清洁机器人，行走装置到达一个任务点的任务起始点后，通过中间装置将光伏清洁机器人放置在待清洁的光伏板上；由光伏清洁机器人基于预先输入的待清洁的光伏板几何信息进行运动控制，完成清洁；行走装置同步运动至该任务点的任务终止点，光伏清洁机器人通过中间装置重新放置在行走装置上，去往下一个任务点，重复上述工作，直到完成所有待清洁光伏板的清洁工作，光伏清洁机器人停止工作。本发明可实现高度智能自主清洁工作、提高效率且节约成本、清洁工作稳定可靠。

Description

一种光伏清洁机器人自主清洁的方法
技术领域
本发明涉及光伏清洁领域，特别是涉及一种光伏清洁机器人自主清洁的方法。
背景技术
随着国家生态文明建设不断深入，光伏发电已成为主要的电力来源方式之一，因为国土面积广袤，我国西部大部分地区光照充足，特别适合光伏发电；另外城市楼顶若无特殊作用，均可作为光伏板放置平台。但因光伏板长期暴露在室外，条件恶劣，灰尘、污染物不可避免，而这恰恰又是影响光伏发电效率的直接因素。因此为了保证良好的发电效能，需定期对光伏板表面进行清理。
光伏板应用场景包括城市楼顶和户外，其中城市楼顶通过平板按阵列排开；户外一般是在光照充足的西部地区，以倾斜且有一定高度的数排光伏板构成。目前上述场景主要依靠人工清洗，在整个使用周期内，为保证工作效率需定期清理，这将耗费大量的成本，对于光伏发电而言得不偿失。也少部分地区使用清洁装置或光伏清洁机器人，但从现有情况看，部署上述机器人的进度缓慢、安装复杂、工作效率无法得到保障，特别是对于户外大型太阳能阵列，无法实现高效、自主工作。。
目前光伏清洁机器人的自主清洁方向已有大量研究，其主要可分为三种，一是通过安装支架与导轨装置，控制清洁装置沿着导轨移动完成清洁；二是针对户外场景在移动底盘上安装摇臂结构与清洁装置，通过底盘移动实现光伏板清洁；三是设计适合在光伏板表面行驶的光伏清洁机器人，通过光伏清洁机器人覆盖式移动实现清洁。从上述三种方案来看，支架与导轨装置需对所有太阳能板加装，成本过高；利用移动底盘清洁的清洁效果无法保障，且因底盘尺寸与摇臂尺寸限制，无法应用在大型光伏板中，应用场景小；而移动光伏清洁机器人难以实现不同行光伏板的清洁。
中国专利公开号CN109848098A，发明名称为《一种高效的太阳能清洁装置》，文中介绍了一种可以实现水洗与干洗的光伏清洁装置的作业方式，可在传统清洗机构基础上,通过加装导管碰头可实现往复高效的水洗提高清洁效果。但该作业方式需依靠复杂的导轨机构与支架，加上清洁装置总成本较高，且系统长期暴露在户外，本身的管理维护也成问题。
中国专利公开号CN112976003A，发明名称为《光伏清洁机器人》，文中介绍了一种通过履带底盘与清洁装置结合实现光伏清洁的方法，该方案无需在光伏板上安装支架可节约成本。但该作业方式受底盘尺寸与清洁装置结构限制，无法实现大型光伏板的清洁，且因需保证清洁面积，清洁装置过大易造成底盘不稳发生侧翻，安全性无法保证。
中国专利公开号CN113245262A，发明名称为《一种可跨大缝的光伏清洁机器人》，文中介绍了一种可行走在太阳能板上的光伏清洁机器人，通过该装置实现直接板面清洁的作业方式，且依靠其跨大缝功能，进行同行光伏板清洁。但因清洁机器人自身的局限性，一次只可清洗一行，对于不同行光伏板需要人工重新放置，无法做到大面积光伏板的自动清洁。
综上，现有光伏清洁机器人自主清洁的方案需在清洁成本与清洁范围之间选择之一，难以兼顾。若需减少成本则无法实现多行光伏板清洁，只可通过人工放置切换比较麻烦，若需保证多行光伏板清洁需要每行安装支架，这又导致成本增加，无法满足市场需求；此外，对光伏板上清洁机器人的运动控制还有较大优化空间来提高适应能力与清洁效率。
发明内容
要解决的技术问题：
针对上述现有光伏机器人自主清洁过程中无法兼顾清洁成本与清洁范围的缺陷。本发明将提出一种移动装置与光伏清洁机器人结合，无需额外安装支架设备的自主清洁作业方法，实现自动对多行光伏板清洁；又通过对光伏清洁机器人在光伏板上的运动控制设计，实现对大型光伏板清洁，同时也保证清洁效率、提高清洁安全性。
采用的技术方案如下：
一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，包含行走装置，中间装置、光伏清洁机器人，中间装置设置在行走装置上，光伏清洁机器人设置在中间装置上；所述自主清洁的方法包括如下工作步骤：通过在行走装置上搭载光伏清洁机器人，行走装置到达待清洁光伏板，之后通过中间装置将光伏清洁机器人运送到上述待清洁的光伏板，光伏清洁机器人从中间装置上驶离，行驶到待清洁光伏板上并开始执行清洁工作；由光伏清洁机器人基于预先输入的待清洁的光伏板几何形状信息执行清洁运动控制，完成清洁；行走装置在光伏清洁机器人运动过程中，同步运动，并在光伏清洁机器人完成清洁到达待清洁光伏板终点时，行走装置也同步到达该终点等待，光伏清洁机器人通过中间装置重新回到在行走装置上，行走装置去往下一个待清洁光伏板，重复上述工作，直至完成对所有待清洁光伏板的清洁工作，自主清洁任务完成。
进一步，所述自主清洁的方法的进一步包括如下步骤：
S1：确定行驶路径与任务点：通过行走装置预先采集所有待清洁光伏板所在的清洁区域的行驶路径，并确定每个待清洁光伏板对应的任务点，每个任务点包括任务起始点和任务终止点；
S2：设置任务参数：设根据待清洁光伏板几何尺寸参数，确定光伏清洁机器人待清洁的工作区域，工作方式、任务模式与行驶速度；
S3：控制行走装置工作：控制行走装置按照预先采集的路径行驶，运行到第一个任务点，并在该任务点的任务起始点停车；
S4：控制中间装置工作：当所述行走装置行驶至任务点的任务起始点停车后，控制中间装置与待清洁光伏板进行对准匹配，确定在待清洁光伏板上放置光伏清洁机器人的起点，控制中间装置靠近待清洁光伏板的所述起点位置并停止；
S5：控制光伏清洁机器人工作：光伏清洁机器人从中间装置行驶到待清洁光伏板上，行驶到到所述的工作区域后，光伏清洁机器人按照预先设定的所述工作方式和所述任务模式进行清洁工作；
S6：行走装置与光伏清洁机器人协同控制：在光伏清洁机器人进行清洁工作过程中，同步控制行走装置运动，使得当光伏清洁机器人到达该任务点的任务终点时行走装置刚好也到达所述任务终点的下方；然后，通过中间装置将光伏清洁机器人接下，光伏清洁机器人回到行走装置上，行走装置继续前往下一个任务点，重复步骤S4-S6，直到所有任务点的任务完成；
S7：任务完成；行走装置经过所有任务点后，光伏清洁机器人完成所有待清洁光伏板的清洁任务，行走装和光伏清洁机器人均到达最后一个任务点的任务终点后停车，任务结束。
进一步，在步骤S4中，通过在中间装置表面安装毫米波雷达，用于与待清洁光伏板对准匹配；当光伏清洁机器人在待清洁光伏板上以从左边界至右边界的方式进行清洁时，通过对所述毫米波雷达返回的待清洁光伏板位置数据进行聚类，判断角点特征，确定光伏板下边界与左边界交点位置作为基准点，同时确定左边界方向作为行进的基准方向，基于基准点增加预设的安全边界值确定起点位置，控制中间装置靠近待清洁光伏板的所述起点处，光伏清洁机器人沿基准方向从中间装置行驶至待清洁光伏板上。
进一步，在步骤S5中，光伏清洁机器人在所述工作区域清洁的工作具体步骤如下：
S51：启动光伏清洁机器人，通过光伏清洁机器人自带的陀螺仪信息确定光伏清洁机器人在待清洁光伏板上的倾角，光伏清洁机器人的电机根据所述倾角角度提前提供正向驱动力，保证光伏清洁机器人在待清洁光伏板上保持静止；
S52：启动运动控制程序，光伏清洁机器人在待清洁光伏板上稳定静止后，运动控制程序启动，开始输出控制量控制光伏清洁机器人向前行驶，同时光伏清洁机器人的清洁装置启动开始工作；通过光伏清洁机器人的里程计所记录的里程与陀螺仪记录的航向角度确定光伏清洁机器人相对所述起点的实时位置，通过光伏清洁机器人的加速度计确定其行使的侧向加速度，结合所述待清洁光伏板的几何尺寸参数确定光伏清洁机器人是否到达起始边界；
S53：待清洁光伏板上的清洁工作：在光伏清洁机器人以待清洁光伏板的左边界作为起始边界开始，运行至待清洁光伏板右边界为终点结束的方式工作时，在待清洁光伏板上的清洁工作流程如下：a、光伏清洁机器人到达上边界后停止，此时停止电机和正向的驱动力保证光伏清洁机器人静止；b、切换运动方向进行倒车，并给与逆时针方向角速度，开始倒车转向，当航向角度变化超过30°后停止；给与顺时针角速度，开始倒车回正，将光伏清洁机器人回正；c、倒车行驶，到达下边界后停止；d、切换为前进行驶，给予顺时针方向角速度，开始前进转向，航向角度超过30°后停止，开始前进回正，给予逆时针方向角速度回正，将光伏清洁机器人回正后继续前进行驶；e、重复a-d，直至到达待清洁光伏板的右边界终点位置。
进一步，在步骤S51中，根据光伏清洁机器人的陀螺仪测量的所述倾角信息，计算电机初始转速，保证在有倾角的斜面光伏清洁机器人可以保持静止，其电机初始转速计算公式为：
Figure BDA0003555631600000041
式中，m为光伏清洁机器人质量，单位kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；nT、nT-t为电机在当前时刻的输出转速与反馈转速，单位r/min；α为陀螺仪反馈的光伏清洁机器人倾角，单位rad；KP、KD分别为比例系数、微分系数，根据实际控制效果调参确定；μ为电机扭矩与牵引力的分辨率系数；P为电机输出的恒定功率，单位kw；η为牵引力补偿量，根据使用电机性能与光伏板表面光滑程度预先确定。
进一步，在步骤S52中，运动控制程序启动后，里程计清零并开始记录行驶里程，陀螺仪记录航向角度并与初始角度对比，得到角度误差后输出对应角速度进行修正，加速度计记录侧向加速度，用于侧向位移计算；当里程计所记录行驶里程达到待清洁光伏板左侧边长度时，光伏清洁机器人停止，将里程计所记录的行驶里程清零；
其中，控制光伏清洁机器人向前行驶的控制量包括横向控制输出和纵向控制输出；
所述光伏清洁机器人横向控制输出为：
Figure BDA0003555631600000051
式中，KPv、KDv为航向角控制的比例、微分系数，根据实际控制效果调参确定；yaw0、yaw1、yaw1-t为目标航向角度、当前航向角度、上个时刻航向角度；θ为目标转向角度，单位rad；Kω为航向角控制补偿系数根据光伏清洁机器人转向性能决定，转向角速度大航向角控制补偿系数小，一般取1.5-3之间；t为转向时间，单位s。
所述光伏清洁机器人的纵向控制输出为：
Figure BDA0003555631600000052
式中，n为自然数，是前进倒车标志，其偶数为前进，奇数为倒车；count为停车次数计数，初始值为0。
进一步，在步骤S53中，是否到达所述右边界终点根据光伏清洁机器人在待清洁光伏板上停车次数判断，光伏清洁机器人的行驶速度和行驶方向切换过程的角度变化都是定值，基于此光伏清洁机器人往复运行是的每行的间距也是确定值，若所述间距累加到了工作区域边界附近则判定到达所述终点；若终点在上边界，停车后直线倒车停靠在下边界，若终点在下边界，则原地停车，以右边界与下边界的交点作为该任务点的任务终点；
其中，光伏清洁机器人是否到达上下边界的判断公式为：
Figure BDA0003555631600000061
式中，wd为待清洁光伏板在光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；xd为从切换运动状态后光伏清洁机器人前进方向位移，单位m；σ0为纵向安全距离，一般取0.2-0.5m；
其中，所述光伏清洁机器人是否到达右边界终点的判断公式为：
Figure BDA0003555631600000062
式中，yd0、ya为光伏清洁机器人每次来回侧向位移与累计侧向位移，单位m；εa为累计侧向位移置信系数，由测量的累计侧向位移误差大小确定，误差越小该参数越大，一般去0.5-0.8；ld为待清洁光伏板垂直于光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；σ1为侧向安全距离，一般取0.4-0.8m。
进一步，在步骤S6中，所述协同控制方法具体为：
S61:与光伏清洁机器人工作同步，行走装置会根据光伏清洁机器人行驶速度匀速向前运动，并通过光伏清洁机器人实时回传的位置信息进行补偿，当光伏清洁机器人到达该任务终点后行走装置刚好也到达该任务终点的下方；
S62：去往下一个任务点；当光伏清洁机器人与行走装置均到到达任务终点后，中间装置工作，利用毫米波雷达回传信息进行对完成清洁的光伏板的边界判断与对准，对准后光伏清洁机器人驶入中间装置上，中间装置收回，行走装置行驶至下一个任务点；重复上述步骤S4-S6。
进一步，在步骤S61中，协同控制方法具有如下：在光伏清洁机器人工作过程中，以前进方向为纵向，垂直于前进方向为横向，每次来回均会计算其横向累积距离；当光伏清洁机器人开始工作后，行走装置会有一个初始的恒定速度，所述恒定速度通过光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度得到；为防止累计误差，光伏清洁机机器人与行走装置间利用CAN总线进行通讯，间隔固定的预设时间光伏清洁机器人会将自身的位置与工作状态发送给行走装置，从而使行走装置根据光伏清洁机器人位置动态调整速度，保证清洁机器人工作结束时行走装置也行驶至对应地点；
协同控制过程中，行走装置的角速度和线速度计算公式为：
Figure BDA0003555631600000071
式中，ω1、v1为行走装置行驶的角速度与线速度，单位分别为rad/s、m/s；Kω1、Kv为预先确定的角速度与线速度的误差系数值；(x0,y0,α0)为当前行走装置位置点信息，(x1,y1,α1)为目标位置点信息，其中x0、x1为位置点行走装置的横向坐标，y0、y1为位置点行走装置的纵向坐标，单位m，α0和α1为位置点行走装置的航向角度，单位rad；yd为垂直于光伏清洁机器人前进方向的光伏清洁机器人的位移，单位m；v0为根据光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度计算得到的行走装置的初始线速度。
一种能够自主清洁的光伏清洁机器人系统，该系统由行走装置、中间装置、光伏清洁机器人构成；在所述系统中采用前述一种光伏清洁机器人自主清洁的方法步骤进行自主清洁工作。
本发明的有益效果在于：
1、本发明兼顾行走装置与光伏清洁机器人两者优势，提出两者协同控制方法，无需额外安装支架便可实现多行与大型光伏板清洁，依靠行走装置板下的机动性，在可通过前提下可在任意的光伏板间穿梭，只需实现设定好任务路径，便可进行不同光伏板的清洁；而依靠光伏清洁机器人在板上的机动性，只需将其放置在起点便可实现整块光伏板的清洁；提高清洁范围节约成本。
2、本发明提供自主清洁方法中，通过行驶控制中的对光伏清洁机器人的倾角检测方法，通过陀螺仪得到光伏清洁机器人的俯仰角度，根据该角度与光伏清洁机器人车身参数计算电机反向驱动力，保证在未发出任何控制命令时光伏清洁机器人可保持静止；保证安全性的同时提高清洁稳定性。
3、本发明通过将光伏清洁机器人运动信息与工作区域匹配，形成对光伏清洁机器人是否到达光伏板边界、终点进行判断的方案，并通过到达边界后的清零操作消除累计误差，相较于摄像头、激光雷达等复杂传感组件进行定位，节约成本，提高系统的稳定性。
4、本发明提供的自主清洁方法在工作时，光伏清洁机器人前进到达上边界后停车，向右后方倒车后回正继续倒车，到达下边界后向右上方前进，回正后继续前进到达上方，以此类推，完成从左至右的覆盖行驶，避免原地掉头；相较于现有专利提到的原地掉头转向方法，有利于减少履带对光伏板磨损，也减少原地掉头带来的安全风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的自主清洁的方法流程图；
图2是本发明的路径采集与任务点确定方法示意图；
图3是本发明的行走装、中间装置、光伏清洁机器人位置关系示意图；
图4是本发明光伏清洁机器人在光伏板上的清洁路径示意图；
图5是本发明光伏清洁机器人与行走装置协同控制的运动路径示意图。
其中，1-光伏清洁机器人，2-中间装置，3-行走装置，4-光伏板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，以及一种使用该自主清洁系统的光伏清洁机器人系统，光伏清洁机器人系统包含行走装置、中间装置与光伏清洁机器人，其中行走装置为无人驾驶底盘，可实现根据预先采集的路径进行轨迹跟踪控制。中间装置将光伏清洁机器人从行走装置运送至光伏板，同时也负责接回，可以采用具有对准匹配功能的升降装置；光伏清洁机器人为现有的光伏清洁机器人，或者小型履带机器人上安装清洁机构，该光伏清洁机器人包括里程计与陀螺仪进行行驶距离记录与姿态判断，两者间利用CAN总线通讯进行实时信息交互。
该光伏清洁机器人的自主清洁的方法为：
步骤S1：行走装置路径采集与任务点确定；通过行走装置上的GPS定位模块，在需要进行清洁区域人工确定行驶路径，遥控驾驶完成路径采集，生成.log形式的路径文件保存在本地；
对上述路径文件进行解析，依据光伏板在清洁区域位置确定任务起始点与任务终点，并将任务点点序保存用于后续停车，具体如图2所示。
步骤S2：任务参数设置；光伏清洁机器人中设置待清洁光伏板尺寸大小，可根据不同任务点单独设置，解决待清洁光伏板尺寸不一致问题，根据待清洁光伏板表面情况确定水洗还是干洗，进一步的确定工作模式是快速清洁还是深度清洁；若为快速清洁，光伏清洁机器人速度为0.8-1.2m/s，若为深度清洁，光伏清洁机器人速度为0.4-0.6m/s。
步骤S3：行走装置工作；光伏清洁机器人固定在中间装置上，行走装置加载步骤S1中保存的路径，同时读取任务点点序，基于现有轨迹跟踪控制方法，对行走装置当前位置不断计算最近点点序，实现循迹行驶；当任务点点序与最近点点序一致，行走装置停车，切换至中间装置工作状态。其中轨迹跟踪控制采用预瞄准PID(Proportion IntegrationDifferentiation)控制器。
在行驶过程中，还可以基于当前点与加载的路径进行循迹控制，通过计算实时的横向跟踪误差得到横向控制量，计算纵向控制量时考虑位置误差通过PID控制器输出速度误差补偿量，该补偿量与速度误差相加得到最终的纵向控制量。
步骤S4：中间装置工作；以从左边界至右边界行驶为例，中间装置对安装在其表面的毫米波雷达返回的数据进行聚类，判断角点特征，根据现有计算方法，以此确定光伏板下边界与左边界交点位置作为基准点，同时确定左边界方向作为行进的基准方向，以此中间装置进行动态调整消除行走装置停靠误差。
基于基准点增加预设的安全边界值确定起点位置，中间装置靠近待清洁光伏板起点处，光伏清洁机器沿基准方向人从中间装置行驶至光伏板上，如图3所示，待步骤S5中光伏清洁机器人可在待清洁光伏板上保持静止后中间装置收回。
步骤S5：光伏清洁机器人工作；光伏清洁机器人驶离中间装置，自驱动程序启动，根据光伏清洁机器人本身陀螺仪测量的俯仰角信息，计算电机初始驱动力对应转速，保证在有倾角的斜面光伏清洁机器人保持静止，其电机转速计算公式为：
Figure BDA0003555631600000101
式中，m为光伏清洁机器人质量，单位kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；nT、nT-t为电机在当前时刻的输出转速与反馈转速，单位r/min；α为陀螺仪反馈的光伏清洁机器人倾角，单位rad；KP、KD分别为比例系数、微分系数，根据实际控制效果调参确定；μ为电机扭矩与牵引力的分辨率系数；P为电机输出的恒定功率，单位kw；η为牵引力补偿量，根据使用电机性能与光伏板表面光滑程度预先确定。
上述基本思路是依靠电机反转输出的驱动力抵消重力沿斜面向下的分力，从而使得在未运行运动控制算法时光伏清洁机器人可静止在待清洁光伏板上，后续运动控制均是在此控制量基础上得到。
光伏清洁机器人在待清洁光伏板上稳定静止后，运动控制程序启动，开始输出控制量控制光伏清洁机器人向前行驶，同时清洁装置启动开始工作，里程计开始记录行驶里程，陀螺仪记录航向角并与初始角度对比，得到角度误差后输出对应角速度进行修正，加速度计记录侧向加速度，用于后续侧向位移计算。当里程计记录的行驶里程达到待清洁光伏板左侧边长度时，光伏清洁机器人停止，行驶里程清0重新记录。需说明的是该过程里程计是有误差的，但因留有安全边界同时预先设有清洁范围，在短距离行驶中产生的误差不会对清洁效果造成影响。
其中，其中，光伏清洁机器人是否到达上下边界的判断公式为：
Figure BDA0003555631600000102
式中，wd为待清洁光伏板在光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；xd为从切换运动状态后光伏清洁机器人前进方向位移，单位m；σ0为纵向安全距离，一般取0.2-0.5m；
光伏清洁机器人停止后切换运动方向为倒退，以从左边界至右边界行驶为例，给定逆时针方向角速度以及负向速度，开始倒车转向；当航向角变化超过30°时角速度清0，给定顺时针方向角速度，开始倒车回正，直至回到倒车前航向角；此后倒车行驶，并不断修正倒车过程中产生的角度偏差。同样基于行驶里程到达下边界后，光伏清洁机器人停车，切换为前进行驶，给定顺时针方向角速度以及正向速度，开始前进转向；当航向角变化超过30°时角速度清0，给定逆时针方向角速度，开始前进回正，回到前进前航向角；此后前进行驶，不断修正前进过程中产生的角度偏差，直至进入下一个倒车状态；以此类推，在不断切换过程中记录切换次数，通过该次数乘倒车前进路线的宽度，并用侧向加速度积分计算侧向位移作为参考，得到光伏清洁机器人行驶的沿上下边界方向距离，当该距离接近左右安全边界时判断此次停车后到达终点，若终点在上边界，则停车后倒车到达下边界附近，若终点在上边界，则原地停车等待中间装置，其工作流程如图4所示。
在该过程中清洁机器人横向控制输出为：
Figure BDA0003555631600000111
式中，KPv、KDv为航向角控制的比例、微分系数，根据实际控制效果调参确定；yaw0、yaw1、yaw1-t为目标航向角度、当前航向角度、上个时刻航向角度；θ为目标转向角度，单位rad；Kω为航向角控制补偿系数根据光伏清洁机器人转向性能决定，转向角速度大航向角控制补偿系数小，一般取1.5-3之间；t为转向时间，单位s。
该过程中清洁机器人的纵向控制输出为：
Figure BDA0003555631600000112
式中，n为自然数，是前进倒车标志，其偶数为前进，奇数为倒车；count为停车次数计数，初始值为0。
其中，所述光伏清洁机器人是否到达右边界终点的判断公式为：
Figure BDA0003555631600000121
式中，yd0、ya为光伏清洁机器人每次来回侧向位移与累计侧向位移，单位m；εa为累计侧向位移置信系数，由测量的累计侧向位移误差大小确定，误差越小该参数越大，一般去0.5-0.8；ld为待清洁光伏板垂直于光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；σ1为侧向安全距离，一般取0.4-0.8m。
上述过程中，还可以右边界作为起始边界，运行到左边界的终点；或者以上边界作为起始边界，运行到下边界的终点；或者以下边界作为起始边界，运行到上边界的终点；同时，相应的清洁工作流程也需要做出适应性的调整。
步骤S6：行走装置与光伏清洁机器人协同控制；在光伏清洁机器人工作过程中，行走装置也需依据光伏清洁机器人运动情况进行行驶，保证在清洁过程中光伏清洁机器人出现故障时，行走装置方便随时将其接下，同事也能保证光伏清洁机器人在一块待清洁光伏板上工作结束时候，行走装置能行驶至其对应的下方，方便中间装置工作。
在光伏清洁机器人工作过程中，以其前进方向为纵向，垂直于纵向为横向，每次来回均会计算其横向累积距离。当光伏清洁机器人开始工作后，行走装置会有一个初始的恒定速度，该速度通过光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度得到。为防止累计误差，光伏清洁机器人与行走装置间利用CAN总线进行通讯，一定时间机器人会将自身的位置与工作状态发送给行走装置，从而使其根据光伏清洁机器人位置动态调整速度，保证清洁机器人工作结束时行走装置也行驶至对应地点，具体如图5所示。
协同控制过程中，行走装置的控制量计算公式为：
Figure BDA0003555631600000122
式中，ω1、v1为行走装置行驶的角速度与线速度，单位分别为rad/s、m/s；Kω1、Kv为预先确定的角速度与线速度的误差系数值；(x0,y0,α0)为当前行走装置位置点信息，(x1,y1,α1)为目标位置点信息，其中x0、x1为位置点行走装置的横向坐标，y0、y1为位置点行走装置的纵向坐标，单位m，α0和α1为位置点行走装置的航向角度，单位rad；yd为垂直于光伏清洁机器人前进方向的光伏清洁机器人的位移，单位m；v0为根据光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度计算得到的行走装置的初始线速度。
在光伏清洁机器人结束任务，在该已完成清洁的光伏板的停车后，行走装置在其对应任务终点位置停下，后中间装置工作，利用设置在中间装置表面的毫米波雷达回传信息进行边界判断与对准，清洁机器人驶入中间装置上，中间装置收回，行走装置行驶至下一个任务点，重复步骤S4-S6，直至完成所有任务点的清洁工作。
步骤S7：任务结束；当行驶装置经过后所有初始标记的任务点后，表示该区域所有待清洁光伏板已完成清洁，行走装置、中间装置、光伏清洁机器人完成初始化，等待人工接管，完成任务。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，包含行走装置，中间装置、光伏清洁机器人，中间装置设置在行走装置上，光伏清洁机器人设置在中间装置上；包括以下工作步骤：通过在行走装置上搭载光伏清洁机器人，行走装置到达待清洁光伏板，之后通过中间装置将光伏清洁机器人运送到上述待清洁的光伏板，光伏清洁机器人从中间装置上驶离，行驶到待清洁光伏板上并开始执行清洁工作；由光伏清洁机器人基于预先输入的待清洁的光伏板几何形状信息执行清洁运动控制，完成清洁；行走装置在光伏清洁机器人运动过程中，同步运动，并在光伏清洁机器人完成清洁到达待清洁光伏板终点时，行走装置也同步到达该终点等待，光伏清洁机器人通过中间装置重新回到在行走装置上，行走装置去往下一个待清洁光伏板，重复上述工作，直至完成对所有待清洁光伏板的清洁工作，自主清洁任务完成。
2.根据权利要求1所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，所述自主清洁的方法的进一步包括如下步骤：
S1：确定行驶路径与任务点：通过行走装置预先采集所有待清洁光伏板所在的清洁区域的行驶路径，并确定每个待清洁光伏板对应的任务点，每个任务点包括任务起始点和任务终止点；
S2：设置任务参数：设根据待清洁光伏板几何尺寸参数，确定光伏清洁机器人待清洁的工作区域，工作方式、任务模式与行驶速度；
S3：控制行走装置工作：控制行走装置按照预先采集的路径行驶，运行到第一个任务点，并在该任务点的任务起始点停车；
S4：控制中间装置工作：当所述行走装置行驶至任务点的任务起始点停车后，控制中间装置与待清洁光伏板进行对准匹配，确定在待清洁光伏板上放置光伏清洁机器人的起点，控制中间装置靠近待清洁光伏板的所述起点位置并停止；
S5：控制光伏清洁机器人工作：光伏清洁机器人从中间装置行驶到待清洁光伏板上，行驶到到所述的工作区域后，光伏清洁机器人按照预先设定的所述工作方式和所述任务模式进行清洁工作；
S6：行走装置与光伏清洁机器人协同控制：在光伏清洁机器人进行清洁工作过程中，同步控制行走装置运动，使得当光伏清洁机器人到达该任务点的任务终点时行走装置刚好也到达所述任务终点的下方；然后，通过中间装置将光伏清洁机器人接下，光伏清洁机器人回到行走装置上，行走装置继续前往下一个任务点，重复步骤S4-S6，直到所有任务点的任务完成；
S7：任务完成；行走装置经过所有任务点后，光伏清洁机器人完成所有待清洁光伏板的清洁任务，行走装和光伏清洁机器人均到达最后一个任务点的任务终点后停车，任务结束。
3.根据权利要求2所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S4中，通过在中间装置表面安装毫米波雷达，用于与待清洁光伏板对准匹配；当光伏清洁机器人在待清洁光伏板上以从左边界至右边界的方式进行清洁时，通过对所述毫米波雷达返回的待清洁光伏板位置数据进行聚类，判断角点特征，确定光伏板下边界与左边界交点位置作为基准点，同时确定左边界方向作为行进的基准方向，基于基准点增加预设的安全边界值确定起点位置，控制中间装置靠近待清洁光伏板的所述起点处，光伏清洁机器人沿基准方向从中间装置行驶至待清洁光伏板上。
4.根据权利要求或2或3所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S5中，光伏清洁机器人在所述工作区域清洁的工作具体步骤如下：
S51：启动光伏清洁机器人，通过光伏清洁机器人自带的陀螺仪信息确定光伏清洁机器人在待清洁光伏板上的倾角，光伏清洁机器人的电机根据所述倾角角度提前提供正向驱动力，保证光伏清洁机器人在待清洁光伏板上保持静止；
S52：启动运动控制程序，光伏清洁机器人在待清洁光伏板上稳定静止后，运动控制程序启动，开始输出控制量控制光伏清洁机器人向前行驶，同时光伏清洁机器人的清洁装置启动开始工作；通过光伏清洁机器人的里程计所记录的里程与陀螺仪记录的航向角度确定光伏清洁机器人相对所述起点的实时位置，通过光伏清洁机器人的加速度计确定其行使的侧向加速度，结合所述待清洁光伏板的几何尺寸参数确定光伏清洁机器人是否到达起始边界；
S53：待清洁光伏板上的清洁工作：在光伏清洁机器人以待清洁光伏板的左边界作为起始边界开始，运行至待清洁光伏板右边界为终点结束的方式工作时，在待清洁光伏板上的清洁工作流程如下：a、光伏清洁机器人到达上边界后停止，此时停止电机和正向的驱动力保证光伏清洁机器人静止；b、切换运动方向进行倒车，并给与逆时针方向角速度，开始倒车转向，当航向角度变化超过30°后停止；给与顺时针角速度，开始倒车回正，将光伏清洁机器人回正；c、倒车行驶，到达下边界后停止；d、切换为前进行驶，给予顺时针方向角速度，开始前进转向，航向角度超过30°后停止，开始前进回正，给予逆时针方向角速度回正，将光伏清洁机器人回正后继续前进行驶；e、重复a-d，直至到达待清洁光伏板的右边界终点位置。
5.根据权利要求4所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S51中，根据光伏清洁机器人的陀螺仪测量的所述倾角信息，计算电机初始转速，保证在有倾角的斜面光伏清洁机器人可以保持静止，其电机初始转速计算公式为：
Figure FDA0003555631590000021
式中，m为光伏清洁机器人质量，单位kg；g为重力加速度，取9.8N/kg；nT、nT-t为电机在当前时刻的输出转速与反馈转速，单位r/min；α为陀螺仪反馈的光伏清洁机器人倾角，单位rad；KP、KD分别为比例系数、微分系数，根据实际控制效果调参确定；μ为电机扭矩与牵引力的分辨率系数；P为电机输出的恒定功率，单位kw；η为牵引力补偿量，根据使用电机性能与光伏板表面光滑程度预先确定。
6.根据权利要求5所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S52中，运动控制程序启动后，里程计清零并开始记录行驶里程，陀螺仪记录航向角度并与初始角度对比，得到角度误差后输出对应角速度进行修正，加速度计记录侧向加速度，用于侧向位移计算；当里程计所记录行驶里程达到待清洁光伏板左侧边长度时，光伏清洁机器人停止，将里程计所记录的行驶里程清零；
其中，控制光伏清洁机器人向前行驶的控制量包括横向控制输出和纵向控制输出；
所述光伏清洁机器人横向控制输出为：
Figure FDA0003555631590000031
式中，KPv、KDv为航向角控制的比例、微分系数，根据实际控制效果调参确定；yaw0、yaw1、yaw1-t为目标航向角度、当前航向角度、上个时刻航向角度；θ为目标转向角度，单位rad；Kω为航向角控制补偿系数根据光伏清洁机器人转向性能决定，转向角速度大航向角控制补偿系数小，一般取1.5-3之间；t为转向时间，单位s；
所述光伏清洁机器人的纵向控制输出为：
Figure FDA0003555631590000032
式中，n为自然数，是前进倒车标志，其偶数为前进，奇数为倒车；count为停车次数计数，初始值为0。
7.根据权利要求5或6所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S53中，是否到达所述右边界终点根据光伏清洁机器人在待清洁光伏板上停车次数判断，光伏清洁机器人的行驶速度和行驶方向切换过程的角度变化都是定值，基于此光伏清洁机器人往复运行是的每行的间距也是确定值，若所述间距累加到了工作区域边界附近则判定到达所述终点；若终点在上边界，停车后直线倒车停靠在下边界，若终点在下边界，则原地停车，以右边界与下边界的交点作为该任务点的任务终点；
其中，光伏清洁机器人是否到达上下边界的判断公式为：
Figure FDA0003555631590000041
式中，wd为待清洁光伏板在光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；xd为从切换运动状态后光伏清洁机器人前进方向位移，单位m；σ0为纵向安全距离，一般取0.2-0.5m；
其中，所述光伏清洁机器人是否到达右边界终点的判断公式为：
Figure FDA0003555631590000042
式中yd0、ya为光伏清洁机器人每次来回侧向位移与累计侧向位移，单位m；εa为累计侧向位移置信系数，由测量的累计侧向位移误差大小确定，误差越小该参数越大，一般去0.5-0.8；ld为待清洁光伏板垂直于光伏清洁机器人前进方向长度，单位m；σ1为侧向安全距离，一般取0.4-0.8m。
8.根据权利要求2或3所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述协同控制方法具体为：
S61:与光伏清洁机器人工作同步，行走装置会根据光伏清洁机器人行驶速度匀速向前运动，并通过光伏清洁机器人实时回传的位置信息进行补偿，当光伏清洁机器人到达该任务终点后行走装置刚好也到达该任务终点的下方；
S62：去往下一个任务点；当光伏清洁机器人与行走装置均到到达任务终点后，中间装置工作，利用毫米波雷达回传信息进行对完成清洁的光伏板的边界判断与对准，对准后光伏清洁机器人驶入中间装置上，中间装置收回，行走装置行驶至下一个任务点；重复上述步骤S4-S6。
9.根据权利要求8所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法，其特征在于，在步骤S61中，协同控制方法具有如下：在光伏清洁机器人工作过程中，以前进方向为纵向，垂直于前进方向为横向，每次来回均会计算其横向累积距离；当光伏清洁机器人开始工作后，行走装置会有一个初始的恒定速度，所述恒定速度通过光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度得到；为防止累计误差，光伏清洁机机器人与行走装置间利用CAN总线进行通讯，间隔固定的预设时间光伏清洁机器人会将自身的位置与工作状态发送给行走装置，从而使行走装置根据光伏清洁机器人位置动态调整速度，保证清洁机器人工作结束时行走装置也行驶至对应地点；
协同控制过程中，行走装置的角速度和线速度计算公式为：
Figure FDA0003555631590000051
式中，ω1、v1为行走装置行驶的角速度与线速度，单位分别为rad/s、m/s；Kω1、Kv为预先确定的角速度与线速度的误差系数值；(x0,y0,α0)为当前行走装置位置点信息，(x1,y1,α1)为目标位置点信息，其中x0、x1为位置点行走装置的横向坐标，y0、y1为位置点行走装置的纵向坐标，单位m，α0和α1为位置点行走装置的航向角度，单位rad；yd为垂直于光伏清洁机器人前进方向的光伏清洁机器人的位移，单位m；v0为根据光伏清洁机器人每次来回时间与待清洁光伏板横向长度计算得到的行走装置的初始线速度。
10.一种能够自主清洁的光伏清洁机器人系统，其特征在于，该系统由行走装置、中间装置、光伏清洁机器人构成；在所述系统中采用如权利要求1-9中任一项所述的一种光伏清洁机器人自主清洁的方法进行自主清洁工作。
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