CN116781002B - 自适应姿态光伏面板清扫装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应姿态光伏面板清扫装置，应用于光伏面板清洁领域，包括：装置基座、主轴部件、多个连接轴部件、滚刷槽以及处理器；主轴部件安装在装置基座上，由转动齿轮带动主轴部件绕装置基座中心轴转动；多个连接轴部件之间通过转动关节串联；串联的多个连接轴部件的两端分别与主轴部件和滚刷槽通过转动关节连接；滚刷槽上安装有距离传感器；处理器用于根据距离传感器获取的实时空间点数据、转动齿轮的实时角度和各转动关节的实时角度，计算转动齿轮的目标角度和各转动关节的目标角度，并驱动转动齿轮和各转动关节调整至目标角度；滚刷槽中嵌装有滚刷。从而光伏面板清扫装置在清扫过程中可以适应不同的地面情况，保持合适的接触姿态。

Description

自适应姿态光伏面板清扫装置

技术领域

本发明涉及光伏面板清洁技术领域，尤其涉及一种自适应姿态光伏面板清扫装置。

背景技术

太阳能光伏发电是一种具有安全、清洁、广泛、可持续发展特征的可再生能源发电技术。大面积光伏发电基地中的光伏面板需要不定期清洁板面以保证发电产量，光伏发电基地通常建在空旷开阔的野外，随地形铺设光伏面板阵列。

为了避免对面板造成损伤，现在通常采用移动车辆带动清扫装置的方法清扫光伏面板，一般有喷扫式和滚刷式。喷扫式通过末端喷头向面板高速喷洒清水完成清扫工作，缺点是用水量大；滚刷式通过末端滚动软毛刷擦拭面板完成清扫工作，可以节省用水，难点是滚刷需要时刻与面板保持合适的接触姿态，然而光伏基地地面坑洼不平，增加了清扫姿态保持的难度。

发明内容

本发明提供一种自适应姿态光伏面板清扫装置，用以解决现有技术中光伏基地地面坑洼不平导致难以保持清扫装置清扫姿态的缺陷，实现光伏面板清扫装置在清扫过程中适应不同的地面情况，保持合适的接触姿态。

本发明提供一种自适应姿态光伏面板清扫装置，包括：

装置基座、主轴部件、多个连接轴部件、滚刷槽以及处理器；

所述主轴部件安装在所述装置基座上，由转动齿轮带动所述主轴部件绕所述装置基座中心轴转动；

所述多个连接轴部件之间通过转动关节串联；串联的多个连接轴部件的两端分别与所述主轴部件和所述滚刷槽通过转动关节连接；

其中，所述转动齿轮和各转动关节上安装有角度编码器，用于测量所述转动齿轮的实时角度和所述各转动关节的实时角度；所述滚刷槽上安装有距离传感器，用于获取实时空间点数据；所述处理器用于根据所述距离传感器获取的实时空间点数据、所述转动齿轮的实时角度和所述各转动关节的实时角度，计算所述自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，并驱动所述转动齿轮和所述各转动关节调整至目标角度；所述滚刷槽中嵌装有滚刷，用于清扫光伏面板。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述计算所述自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，包括：

采用点云配准的方法，计算第一点云到第二点云的点云变换矩阵；所述第一点云是基于所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点数据构建的；所述第二点云是基于所述距离传感器获取的实时空间点数据构建的；

基于所述点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，在所述自适应姿态光伏面板清扫装置包括两个连接轴部件的情况下，所述基于所述点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，包括：

根据所述点云变换矩阵、所述转动齿轮的实时角度、所述各转动关节的实时角度、所述转动齿轮与第一转动关节之间的距离、所述第一转动关节与第二转动关节之间的距离以及所述第二转动关节与第三转动关节之间的距离，计算第一坐标，所述第一坐标为所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态下的所述第三转动关节在空间坐标系中的坐标；

根据所述第一坐标，计算所述转动齿轮的目标角度、所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离；

根据所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离、所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离，以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离，计算所述第二转动关节的目标角度；

根据所述转动齿轮与所述第一转动关节之间的距离、所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离、所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离、所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离，以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离，计算所述第一转动关节的目标角度；

根据所述点云变换矩阵，确定所述第三转动关节的目标角度；

其中，所述第一转动关节为所述主轴部件与连接轴部件相连的转动关节；所述第二转动关节为所述两个连接轴部件相连的转动关节；所述第三转动关节为所述滚刷槽与连接轴部件相连的转动关节。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第一坐标根据以下公式计算：

式中，所述第一坐标为(x′,y′,z′)；M_trans为所述点云变换矩阵，θ₁为所述转动齿轮的实时角度，θ₂为所述第一转动关节的实时角度，θ₃为所述第二转动关节的实时角度，θ₄为所述第三转动关节的实时角度，h1为所述转动齿轮的中心与所述第一转动关节之间的距离，h2为所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离，h3为所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述转动齿轮的目标角度根据以下公式计算：

θ′₁＝atan(y′,x′)

式中，θ′₁为所述转动齿轮的目标角度。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第二转动关节的目标角度根据以下公式计算：

式中，θ′₃为所述第二转动关节的目标角度；l2为所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第一转动关节的目标角度根据以下公式计算：

θ′₂＝β₁+β₂

式中，θ′₂为所述第一转动关节的目标角度；l1为所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离；l2为所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第三转动关节的目标角度根据以下公式计算：

θ′₄＝r_x

式中，θ′₄为所述第三转动关节的目标角度；r_x为所述点云变换矩阵M_trans中用于指示绕x轴旋转角度的元素。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第二点云的确定方法包括：

对所述滚刷槽上安装的两个距离传感器分别获取的实时空间点数据进行直线拟合，并筛选出位于光伏面板上的两条直线；

根据属于所述两条直线的实时空间点数据中距离最大的点对，得到两条初始线段；

将所述两条初始线段修剪为相同长度，并从每条修剪后的线段中均匀选取预设数量的点，得到第二点云。

根据本发明提供的一种自适应姿态光伏面板清扫装置，所述第一点云的确定方法包括：

以第一空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向下的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第一空间点集合；以及，以第二空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向上的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第二空间点集合；

根据第一空间点集合和第二空间点集合，得到第一点云；

其中，所述第一空间点为所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最上方的点；所述第二空间点为所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最下方的点。

本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置，通过转动齿轮带动主轴部件转动，以及多个连接轴部件之间、连接轴部件与主轴部件之间、连接轴部件与滚刷槽之间都通过转动关节转动，转动齿轮和转动关节上安装有角度编码器测量实时角度，滚刷槽上安装有距离传感器获取实时空间点数据，处理器根据距离传感器获取的实时空间点数据、转动齿轮的实时角度和各转动关节的实时角度，计算自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时转动齿轮的目标角度和各转动关节的目标角度，并驱动转动齿轮和各转动关节转动至目标角度，使自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态，从而光伏面板清扫装置在清扫过程中可以适应不同的地面情况，保持合适的接触姿态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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为本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置的结构示意图；

图2为本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置的俯视图；

图3为本发明提供的距离传感器获取实时空间点数据的示意图；

图4为本发明提供的修剪线段的示意图之一；

图5为本发明提供的修剪线段的示意图之二；

图6为本发明提供的清扫装置坐标系的示意图。

附图标记：

1：装置基座；2：主轴部件；3：多个连接轴部件；4：滚刷槽；5：处理器；6：滚刷；10：转动齿轮；20：第一转动关节；30：第二转动关节；31：第一连接轴部件；32：第二连接轴部件；40：第三转动关节；41：滚刷槽固定件；50：距离传感器；51：第一距离传感器；52：第二距离传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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，本领域普通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。

下面结合图1-图6描述本发明的自适应姿态光伏面板清扫装置。

图1为本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置的结构示意图，如图1所示，该自适应姿态光伏面板清扫装置包括：

装置基座1、主轴部件2、多个连接轴部件3、滚刷槽4以及处理器5；

主轴部件2安装在装置基座1上，由转动齿轮10带动主轴部件2绕装置基座1中心轴转动；

多个连接轴部件3之间通过转动关节串联；串联的多个连接轴部件3的两端分别与主轴部件2和滚刷槽4通过转动关节连接；

其中，转动齿轮10和各转动关节上安装有角度编码器，用于测量转动齿轮10的实时角度和各转动关节的实时角度；滚刷槽4上安装有距离传感器50，用于获取实时空间点数据；处理器5用于根据距离传感器50获取的实时空间点数据、转动齿轮10的实时角度和各转动关节的实时角度，计算自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时转动齿轮10的目标角度和各转动关节的目标角度，并驱动转动齿轮10和各转动关节调整至目标角度；滚刷槽4中嵌装有滚刷6，用于清扫光伏面板。

具体地，本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置至少包括装置基座1、主轴部件2、多个连接轴部件3、滚刷槽4以及处理器5。滚刷槽4中嵌装有滚刷6，用于清扫光伏面板。

一种实施方式中，滚刷6的主体结构可以为柱状软毛刷，可绕中心轴旋转来清扫光伏面板。

主轴部件2安装在装置基座上，由转动齿轮10带动主轴部件2绕装置基座1的中心轴转动，可以顺时针转动也可以逆时针转动。

多个连接轴部件3之间通过转动关节连接，其两端分别与主轴部件2和滚刷槽4也通过转动关节连接，从而主轴部件2与连接轴部件之间、相邻的两个连接轴部件之间以及连接轴部件和滚刷槽4之间都可以呈一定角度转动。滚刷槽4可以包括滚刷槽固定件41，滚刷槽固定件41与连接轴部件通过转动关节连接。

一种实施方式中，转动关节由U型凸体和U型槽套接形成。例如，主轴部件2与连接轴部件3相连接的一端上有U型槽，连接轴部件3与主轴部件2相连接的一端上有U型凸体，凸体上开有圆形柱状孔，与主轴部件2的U型槽套接形成转动关节。

角度编码器用于测量转动齿轮10的实时角度和各转动关节的实时角度，分别与转动齿轮10和各转动关节的旋转轴同轴安装。

滚刷槽4上安装有距离传感器50，用于实时测量滚刷槽4与光伏面板平面的距离，并获取实时空间点数据。可以理解的是，光伏面板表面为平面，则距离传感器50获取的实时空间点数据为线状点云。其中，距离传感器50可以配置为单线激光雷达、线性排列超声传感器阵列。

一种实施方式中，滚刷槽上安装有两个距离传感器，分别位于滚刷槽4的左侧壁下部和右侧壁上部；或者，分别位于滚刷槽4的左侧壁上部和右侧壁下部。

处理器5可以获取角度编码器测量的转动齿轮10的实时角度和各转动关节的实时角度以及距离传感器50获取的实时空间点数据，并根据距离传感器50获取的实时空间点数据、转动齿轮10的实时角度和各转动关节的实时角度，计算自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时转动齿轮10的目标角度和各转动关节的目标角度，并驱动转动齿轮10和各转动关节调整至目标角度。

其中，目标清扫姿态为实际情况中自适应姿态光伏面板清扫装置的滚刷6与光伏面板相对合适的清扫姿态，例如，滚刷6的旋转轴与光伏面板平行且与光伏面板的上下边缘垂直，滚刷6的旋转轴与光伏面板的距离为滚刷6的软毛长度的3/4。

需要说明的是，处理器5可以安装在自适应姿态光伏面板清扫装置的任何位置，本发明对处理器5的安装位置不做限定。

一种实施方式中，装置基座1上有安装孔，可以通过装置基座1将本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置水平固定在移动车辆上，移动车辆平行于光伏面板阵列下边沿行走，为清扫装置提供平行于光伏面板阵列下边沿方向的运动。

本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置，通过转动齿轮带动主轴部件转动，以及多个连接轴部件之间、连接轴部件与主轴部件之间、连接轴部件与滚刷槽之间都通过转动关节转动，转动齿轮和转动关节上安装有角度编码器测量实时角度，滚刷槽上安装有距离传感器获取实时空间点数据，处理器根据距离传感器获取的实时空间点数据、转动齿轮的实时角度和各转动关节的实时角度，计算自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时转动齿轮的目标角度和各转动关节的目标角度，并驱动转动齿轮和各转动关节转动至目标角度，使自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态，从而光伏面板清扫装置在清扫过程中可以适应不同的地面情况，保持合适的接触姿态。

可选地，计算自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时转动齿轮的目标角度和各转动关节的目标角度，包括：

采用点云配准的方法，计算第一点云到第二点云的点云变换矩阵；第一点云是基于距离传感器50在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点数据构建的；第二点云是基于距离传感器50获取的实时空间点数据构建的；

基于点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定转动齿轮10的目标角度和各转动关节的目标角度。

具体地，可以预先在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下，由距离传感器50获取空间点数据，并构建出第一点云，即，第一点云为目标清扫姿态对应的点云；根据距离传感器50获取的实时空间点数据可以构建第二点云，即，第二点云为实时清扫姿态对应的点云。

可以采用点云配准(Point Cloud Registration)的方法计算第一点云到第二点云的点云变换矩阵，本发明对点云配准的方法不做限定，例如可以使用迭代最近点算法(Iterative Closest Point，ICP)。点云变换矩阵可以表示为平移旋转的形式(T_x,T_y,T_z,r_x,r_y,r_z)，其中，T_x,T_y,T_z分别表示第一点云沿x轴、y轴和z轴方向的平移距离；r_x,r_y,r_z分别表示第一点云绕x轴、y轴和z轴的旋转角度。

为计算方便，第一点云和第二点云的坐标系可以设为O4子坐标系，其中，O4子坐标系的原点为连接滚刷槽4和连接轴部件的转动关节的中心，y轴正向沿滚刷槽4的滚刷槽固定件41的中心轴指向滚刷6，z轴正向沿滚刷6的旋转轴向上，x轴与y轴和z轴垂直呈右手坐标系。可以理解的是，在第一点云和第二点云的坐标系设为O4子坐标系的情况下，该点云变换矩阵所依据的坐标系也为O4子坐标系。

得到点云变换矩阵后，可以根据点云变换矩阵进行逆向运动学解算，来确定转动齿轮10的目标角度和各转动关节的目标角度。

可选地，在自适应姿态光伏面板清扫装置包括两个连接轴部件的情况下，基于点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定转动齿轮10的目标角度和各转动关节的目标角度，包括：

根据点云变换矩阵、转动齿轮10的实时角度、各转动关节的实时角度、转动齿轮10与第一转动关节20之间的距离、第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离以及第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离，计算第一坐标，第一坐标为自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态下的第三转动关节40在空间坐标系中的坐标；

根据第一坐标，计算转动齿轮10的目标角度、转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离；

根据第一转动关节10与第二转动关节20之间的距离、第二转动关节20与第三转动关节30之间的距离，以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离，计算第二转动关节30的目标角度；

根据转动齿轮10与第一转动关节20之间的距离、第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离、第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离、转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离，以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离，计算第一转动关节20的目标角度；

根据点云变换矩阵，确定第三转动关节40的目标角度；

其中，第一转动关节20为主轴部件2与连接轴部件相连的转动关节；第二转动关节30为两个连接轴部件相连的转动关节；第三转动关节40为滚刷槽4与连接轴部件相连的转动关节。

具体地，如图1所示，自适应姿态光伏面板清扫装置包括两个连接轴部件，分别是连接轴部件31和连接轴部件32的情况下，即该自适应姿态光伏面板清扫装置有三个转动关节，其中，第一转动关节20为主轴部件2与连接轴部件31相连的转动关节；第二转动关节30为连接轴部件31和连接轴部件32相连的转动关节；第三转动关节40为滚刷槽4与连接轴部件32相连的转动关节。

在这种情况下，处理器根据点云变换矩阵进行逆向运动学解算的过程可以是：

处理器5首先根据点云变换矩阵、转动齿轮10的实时角度、各转动关节的实时角度、转动齿轮10与第一转动关节20之间的距离、第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离以及第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离，计算第一坐标，第一坐标为自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态下的第三转动关节40在空间坐标系中的坐标。

其中，为了计算方便，可以预先设定基坐标系，计算自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态下的第三转动关节40在基坐标系中的第一坐标。

一种实施方式中，基坐标系可以是以转动齿轮10的中心为原点，z轴正向沿主轴部件2的旋转轴向上，y轴正向指转动齿轮10的角度呈0°的方向，x轴与y轴和z轴垂直，呈右手坐标系。在这种情况下，第一坐标(x′,y′,z′)可以根据以下公式计算：

式中，M_trans为点云变换矩阵，θ₁为转动齿轮10的实时角度，θ₂为第一转动关节20的实时角度，θ₃为第二转动关节30的实时角度，θ₄为第三转动关节40的实时角度，h1为转动齿轮10的中心与第一转动关节20之间的距离，h2为第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离，h3为第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离。

确定第一坐标后，处理器5就可以根据第一坐标，分别计算转动齿轮10的目标角度、转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离。

可选地，在得到第一坐标(x′,y′,z′)后，转动齿轮10的目标角度θ′₁可以根据以下公式计算：

θ′₁＝atan(y′,x′)

可选地，在得到第一坐标(x′,y′,z′)后，转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离l1以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离l2可以通过以下公式计算：

l1＝‖x′,y′,z′‖

l2＝‖(x′,y′,z′)-(0,0,h1)‖

其中，h1为转动齿轮10的中心与第一转动关节20之间的距离。

得到转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离后，可以根据各转动关节之间的距离、转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离分别计算得到第二转动关节30和第一转动关节20的目标角度。

其中，处理器5可以根据第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离、第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离，以及第一转动关节20的中心与第一坐标之间的距离，计算第二转动关节30的目标角度；处理器5还可以根据转动齿轮10与第一转动关节20之间的距离、第一转动关节20与第二转动关30节之间的距离、第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离、转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离，以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离，计算第一转动关节20的目标角度。

可选地，在得到第一转动关节20与第一坐标之间的距离l2后，第二转动关节30的目标角度θ′₃可以根据以下公式计算：

其中，h2为第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离，h3为第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离。

可选地，在得到转动齿轮10的中心与第一坐标之间的距离l1以及第一转动关节20与第一坐标之间的距离l2后，第一转动关节的目标角度θ′₂可以根据以下公式计算：

θ′₂＝β₁+β₂

其中，h1为转动齿轮10的中心与第一转动关节20之间的距离，h2为第一转动关节20与第二转动关节30之间的距离，h3为第二转动关节30与第三转动关节40之间的距离。

最后，可以根据点云变换矩阵，确定第三转动关节40的目标角度。

可选地，第三转动关节40的目标角度θ′₄可以根据以下公式计算：

θ′₄＝r_x

式中，r_x 为点云变换矩阵M_trans中用于指示绕x轴旋转角度的元素。

可选地，第二点云的确定方法包括：

对滚刷槽4上安装的两个距离传感器分别获取的实时空间点数据进行直线拟合，并筛选出位于光伏面板上的两条直线；

根据属于两条直线的实时空间点数据中距离最大的点对，得到两条初始线段；

将两条初始线段修剪为相同长度，并从每条修剪后的线段中均匀选取预设数量的点，得到第二点云。

具体地，光伏面板材质特殊且放置在室外开放环境中，对非接触式电磁波类距离传感器的测量数据会产生干扰，因此传感器获取的空间点数据在光伏面板上不呈理想的直线。另外，在滚刷6与光伏面板位置交错时，距离传感器获取的数据可能包括光伏面板上的空间点数据和非面板(如地面)上的空间点数据，因此需要在拟合直线中筛选出由光伏面板上的空间点数据拟合得到的直线，并且，当滚刷6与光伏面板不在合适的相对姿态时，筛选得到的光伏面板上两直线段的长度不同。

图2为本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置的俯视图，如图2所示，滚刷槽4上安装有两个距离传感器，分别为安装于滚刷槽4右侧壁上部的第一距离传感器51和安装于滚刷槽4左侧壁下部的第二距离传感器52。

图3为本发明提供的距离传感器获取实时空间点数据的示意图，如图3所示，滚刷槽4上安装的两个距离传感器获取的实时点空间点数据分别包括I、II和III。其中，第一距离传感器51获取的实时空间点数据为I，第二距离传感器52获取的实时空间点数据为II和III，I和II为位于光伏面板上的实时空间点数据，因此可以拟合成两条位于光伏面板上的直线。III为位于地面上的实时空间点数据，拟合成的是位于地面上的直线。

在一些实施例中，可以采用点云库(Point Cloud Library，PCL)的随机采样一致性(Random sample consensus，RANSAC)点云直线拟合方法对空间点数据进行直线拟合，该方法可以给出拟合的直线参数和点云集合中属于该直线的点云子集。

一种实施方式中，可以将得到的直线按照预设的斜率阈值进行聚类，例如，将斜率阈值配置为15°，可以将图3中的空间点数据得到的直线聚为两类，一类是两条位于光伏面板上的直线，另一类是一条位于地面上的直线。

然后，可以选择与O4子坐标系的xz平面夹角最小的直线聚类，通过计算两类直线与O4子坐标系的xz平面夹角，可以确定哪一类直线为位于光伏面板上的直线，并从该类直线中选择出离O4子坐标系的原点最近的两条直线。

一种实施方式中，可以根据属于某一条直线的实时空间点数据，累加每个空间点与O4子坐标系原点的距离，来计算该直线与O4子坐标系原点的距离。

得到位于光伏面板上的两条直线后，可以根据属于该两条直线的实时空间点数据中距离最大的点对，得到两条初始线段。然后，可以将两条初始线段修剪为相同长度。

图4为本发明提供的修剪线段的示意图之一，图5为本发明提供的修剪线段的示意图之二，如图4和图5所示，两条初始线段分别为以P_end11和P_end12为端点的初始线段1，以及以P_end21和P_end22为端点的初始线段2。分别计算初始线段1的长度len₁和初始线段2的长度len₂，计算对齐长度len＝min(len₁,len₂)+|len₁-len₂|/2。

若len_j<len，则延长初始线段j，若len_j>len，则缩短初始线段j，(j∈(1,2))延长或缩短线段操作处理的端点对象是两线段中远离光伏面板上下边缘的点，或者两线段中接近的两个端点。如图4中的将P_end12延长至P′_end12，将P_end21缩短至P′_end21，以及如图5中的将P_end12缩短至P′_end12，将P_end21延长至P′_end21。

得到修剪后的线段后，可以从每条修剪后的线段中均匀选取预设数量的点，得到第二点云。在修剪后的线段上构造第二点云，以此进行第一点云和第二点云的配准，得到的变换矩阵可以引导自适应姿态光伏面板清扫装置的滚刷与光伏面板中线对齐，使得清扫面积最大。

可选地，第一点云的确定方法包括：

以第一空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向下的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第一空间点集合；以及，以第二空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向上的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第二空间点集合；

根据第一空间点集合和第二空间点集合，得到第一点云；

其中，第一空间点为距离传感器50在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最上方的点；第二空间点为距离传感器50在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最下方的点。

具体地，第一点云可以由第一空间点集合和第二空间点集合中的空间点组合而成。

其中，第一空间点集合以距离传感器50在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最上方的点为第一空间点，以第一空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向下的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点得到；第二空间点集合以距离传感器50在自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最下方的点为第二空间点，以第二空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向上的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点得到。

需要说明的是，第一空间点集合中不包括第一空间点，第二空间点集合中不包括第二空间点，仅以第一空间点和第二空间点为基准，通过预设步长获取预设个数的空间点来分别得到第一空间点集合和第二空间点集合。

可以理解的是，在清扫装置包括两个距离传感器，且两个距离传感器分别位于滚刷槽4上部和下部的情况下，第一空间点为位于滚刷槽4上部的距离传感器获取的位于光伏面板最上方的点，第二空间点为位于滚刷槽4下部的距离传感器获取的位于光伏面板最下方的点。

如图2所示，以安装于滚刷槽4右侧壁上部的第一距离传感器51和安装于滚刷槽4左侧壁下部的第二距离传感器52为例，通过第一距离传感器51获取的空间点数据来得到第一空间点集合{p_i}的方法可以为：

通过第二距离传感器52获取的空间点数据来得到第二空间点集合{p′_i}的方法可以为：

第一点云的获取方法可以为：

cloud0＝{{p_i},{p′_i}},i∈(1,2,…,n)

其中，()为自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下第一距离传感器51获取的空间点数据中位于光伏面板最上方的空间点p_top在O4子坐标系中的坐标；(x_pi,y_pi,z_pi)为第一点云集合中的元素p_i在O4子坐标系中的坐标；()为自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下第二距离传感器52在光伏面板上的响应点云中最下面的空间点p_bottom在O4子坐标系中的坐标；(/>)为第二点云集合中的元素p′_i在O4子坐标系中的坐标点；Δz为预设步长；n为预设数量；cloud0为第一点云，是第一空间点集合{p_i}、第二空间点集合{p′_i}的合集。

以下通过具体实施例的方式对本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置做进一步说明。

图6为本发明提供的清扫装置坐标系的示意图，如图6所示，该清扫装置包括两个连接轴部件，其坐标系包括一个基坐标系和四个子坐标系。

具体地，四个子坐标系分别对应转动齿轮和三个转动关节，其中子坐标系O1的原点为主轴部件2的旋转轴与基座上表面的交点，z轴正方向沿主轴部件2的旋转轴向上，y轴正方向指向清扫装置正前方(主轴部件2当前的旋转角度所指向的方向)，x轴与y轴、z轴呈右手坐标系；子坐标系O2的原点为连接轴部件31底端U型凸体上圆形柱状孔的中心，x轴正向与子坐标系O1保持一致，z轴沿连接轴31的竖向中心线向上，y轴与x轴、z轴垂直呈右手坐标系；子坐标系O3的原点为连接轴部件32底端U型凸体上圆形柱状孔的中心，x轴正向与子坐标系O1保持一致，z轴沿连接轴部件32的竖向中心线向上，y轴与x轴、z轴垂直呈右手坐标系；子坐标系O4的原点为滚刷槽固定件41底端U型凸体上圆形柱状孔的中心，x轴正向与子坐标系O1保持一致，y轴沿滚刷槽固定件41的竖向中心线向上，z轴与x轴、y轴垂直呈右手坐标系。

具体的，基坐标系与主轴部件2旋转角度为零时的O1坐标系重合，基坐标系与装置基座的相对位姿始终不变，四个子坐标系随着关节的旋转与基坐标系的相对位姿会发生变化。

本发明还提供上述光伏面板清扫装置的自适应姿态调整工作流程，具体流程如下：

步骤S1：初始化最佳相对姿态时的理想点云cloud0，所述最佳相对姿态指主轴部件2转动角度为零、滚刷6与光伏面板上下边缘垂直、清扫距离合适时的位姿，合适的清扫距离可以是滚刷6既不压迫板面又不脱离接触板面的距离；距离传感器的测量数据表达为三维空间点，两距离传感器的测量数据构成点云集合，由最佳相对姿态时光伏面板与装置的相对位置初始化点云cloud0，优选地，合适的清扫距离设置为滚刷旋转轴与光伏面板平行、滚刷旋转轴与光伏面板距离为滚刷软毛长度的3/4。

光伏面板表面为平面，距离传感器的测量数据为线状点云，最佳相对姿态时装置滚刷槽右侧壁上部距离传感器51的理想点云初始化方法为：

最佳相对姿态时装置滚刷槽左侧壁下部距离传感器52的理想点云初始化方法为：

cloud0＝{{p_i},{p′_i}},i∈(1,2,…,n)

其中，p_top为最佳相对清扫姿态时距离传感器51在光伏面板上的响应点云中最上面的空间点在O4子坐标系中的坐标；p_i为最佳相对清扫姿态时距离传感器51在光伏面板上的理想响应点在O4子坐标系中的坐标点；Δz为两相邻点之间z坐标轴方向的增量；p_bottom为最佳相对清扫姿态时距离传感器52在光伏面板上的响应点云中最下面的空间点在O4子坐标系中的坐标；p′_i为最佳相对清扫姿态时距离传感器52在光伏面板上的理想响应点在O4子坐标系中的坐标点；cloud0为点集p_i、点集p′_i的合集。

优选地，在一些实施例中，距离传感器可以配置为单线激光雷达、线性排列超声传感器阵列；优选地，在一些实施例中Δz配置为1cm；优选地，在一些实施例中n配置为50。

步骤S2：实时获取光伏面板上传感器响应点云，实时采集两距离传感器的测量数据，将点云数据转化到O4子坐标系中，采用空间点云直线拟合方法得到直线集合，提取光伏面板上的拟合直线段，修剪拟合直线段后得到点云cloud1。

如图3所示，光伏面板材质特殊且放置在室外开放环境中，对非接触式电磁波类距离传感器的测量数据会产生干扰，因此光伏面板上传感器响应点云不呈理想的直线，采用空间直线拟合方法得到拟合直线集合；另外，在滚刷7与光伏面板位置交错时，得到的距离传感器响应点云可能包括光伏面板上响应点云和非面板(如地面)上响应点云，因此需要在拟合直线中筛选出由光伏面板上响应点云拟合得到的直线；通常，当不在最佳相对姿态时，筛选得到的光伏面板上两直线段的长度不同，对两直线段进行修剪对齐，取修剪后直线段上的点构成cloud1；修剪对齐线段的目的和作用是，在修剪对齐后的线段上构造点云，以此进行理想姿态点云和实时姿态点云的配准，得到的变换矩阵可以引导装置清扫末端与光伏面板中线对齐，使得清扫面积最大。

优选地，在一些实施例中，所述空间直线拟合方法采用PCL RANSAC点云直线拟合方法，该方法可以给出拟合的直线参数和点云集合中属于该直线的点云子集。

具体的，步骤S2中，所述筛选光伏面板上响应点云拟合直线的方法为：

步骤S211：平行直线聚类，根据斜率阈值对直线进行聚类；

步骤S212：选择与O4坐标系的xz平面夹角最小的直线聚类；

步骤S213：在步骤S2选择的直线聚类中，选择与O4子坐标系的原点距离最近的两条直线。

优选地，在一些实施例中步骤S211中斜率阈值配置为15°。

具体的，步骤S213中，直线与O4子坐标系原点的距离计算方法为：获取属于拟合直线j的点云集合，累加每个点与O4子坐标系原点的距离即为拟合直线j与O4子坐标系原点的距离。

具体的，步骤S213筛选得到两光伏面板上拟合直线后，修剪两直线段的方法为：

步骤S221：获取属于拟合直线j(j∈(1,2))的点云，筛选出点云中两两距离最大的一个点对，求两个点在拟合直线j上的投影，作为直线段的端点，分别是(P_end11，P_end12)和(P_end21，P_end22)；

步骤S222：计算两线段的长度len₁、len₂，计算对齐线段长度len＝min(len₁,len₂)+|len₁-len₂|/2；

步骤S223：若len_j<len，则延长直线段j，若len_j>len，则缩短直线段j，延长或缩短线段操作处理的端点对象是两线段中相近的两个端点，如图4和图5中的P_end12和P_end21。

具体的，步骤S2中，取修剪后直线段上的点构成cloud1的方法为：分别在两线段端点(P_end11，P′_end12)、(P′_end21，P_end22)间各均匀取m个点，构成cloud1，优选地，在一些实施例中，m配置为50。

步骤S3：计算cloud0到cloud1的变换矩阵，采用点云配准的方法计算cloud0到cloud1的变换矩阵M_trans，变换矩阵M_trans表达为平移旋转的形式为(T_x,T_y,T_z,r_x,r_y,r_z)；

步骤S4：根据变换矩阵M_trans进行逆向运动学解算，依次解算出主轴和各连接轴的旋转角度；

具体的，如图6所示，步骤S4中，根据变换矩阵进行逆向运动学解算的方法为：

步骤S41：根据变换矩阵M_trans，计算改变姿态后O4子坐标系的原点在基坐标系中的坐标(x′_O4,y′_O4,z′_O4)；

步骤S42：计算主轴部件2的旋转角度θ′₁；

步骤S43：计算基坐标系原点、O2子坐标系的原点与(x′_O4,y′_O4,z′_O4)的距离l₁、l₂；

步骤S44：依次计算连接轴部件31、连接轴部件32的旋转角度θ′₂、θ′₃；

步骤S45：计算滚刷槽固定件41的旋转角度θ′₄；

具体的，步骤S41中，改变姿态后O4子坐标系的原点在基坐标系中的坐标计算方法为：

/>

其中，M为当前各轴旋转角度配置下基坐标系变换到O4子坐标系的变换矩阵，θ₁为主轴部件2的当前旋转角度，θ₂为连接轴部件31的当前旋转角度，θ₃为连接轴部件32的当前旋转角度，θ₄为滚刷槽固定件41的当前旋转角度，h₁为坐标系O1的原点到坐标系O2原点的距离，h₂为坐标系O2的原点到坐标系O3原点的距离，h₃为坐标系O3的原点到坐标系O4原点的距离。

具体的，步骤S42中，主轴部件2的旋转角度θ′₁计算方法为：

θ′₁＝atan(y′_O4,x′_O4)

具体的，步骤S43中，基坐标系原点、O2子坐标系的原点与(x′_O4,y′_O4,z′_O4)的距离l₁、l₂计算方法为：

l₁＝‖x′_O4,y′_O4,z′_O4‖

l₂＝‖(x′_O4,y′_O4,z′_O4)-(0,0,h1)‖

具体的，步骤S44中连接轴部件32的旋转角度θ′₃的计算方法为：

具体的，步骤S44中连接轴部件31的旋转角度θ′₂的计算方法为：

θ′₂＝β₁+β₂

具体的，步骤S45中，滚刷槽固定件41的旋转角度θ′₄＝r_x。

步骤S5：驱动清扫装置运动，调整旋转关节到步骤S4计算得到的角度。

具体的，驱动清扫装置运动、调整关节角度后，主轴部件2、连接轴部件31、连接轴部件32、滚刷槽固定件41的当前旋转角度更新为θ′₁、θ′₂、θ′₃、θ′₄。

本发明提供的自适应姿态光伏面板清扫装置可以实时自动调整清扫滚刷与光伏面板的相对位姿，在清扫过程中以最佳相对姿态对光伏面板进行清扫，可以克服光伏基地地面坑洼不平对装置清扫姿态带来的干扰；同时，清扫装置与光伏面板之间通过滚刷软接触，避免了对光伏面板的压迫和损伤，清扫装置安装在移动车辆上，随着车辆移动可完成光伏面板阵列的清扫工作。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种自适应姿态光伏面板清扫装置，其特征在于，包括：

装置基座、主轴部件、多个连接轴部件、滚刷槽以及处理器；

所述主轴部件安装在所述装置基座上，由转动齿轮带动所述主轴部件绕所述装置基座中心轴转动；

所述多个连接轴部件之间通过转动关节串联；串联的多个连接轴部件的两端分别与所述主轴部件和所述滚刷槽通过转动关节连接；

其中，所述转动齿轮和各转动关节上安装有角度编码器，用于测量所述转动齿轮的实时角度和所述各转动关节的实时角度；所述滚刷槽上安装有距离传感器，用于获取实时空间点数据；所述处理器用于根据所述距离传感器获取的实时空间点数据、所述转动齿轮的实时角度和所述各转动关节的实时角度，计算所述自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，并驱动所述转动齿轮和所述各转动关节调整至目标角度；所述滚刷槽中嵌装有滚刷，用于清扫光伏面板；

所述计算所述自适应姿态光伏面板清扫装置达到目标清扫姿态时所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，包括：

采用点云配准的方法，计算第一点云到第二点云的点云变换矩阵；所述第一点云是基于所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点数据构建的；所述第二点云是基于所述距离传感器获取的实时空间点数据构建的；

基于所述点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度；

在所述自适应姿态光伏面板清扫装置包括两个连接轴部件的情况下，所述基于所述点云变换矩阵进行逆向运动学解算，确定所述转动齿轮的目标角度和所述各转动关节的目标角度，包括：

根据所述点云变换矩阵、所述转动齿轮的实时角度、所述各转动关节的实时角度、所述转动齿轮与第一转动关节之间的距离、所述第一转动关节与第二转动关节之间的距离以及所述第二转动关节与第三转动关节之间的距离，计算第一坐标，所述第一坐标为所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态下的所述第三转动关节在空间坐标系中的坐标；

根据所述第一坐标，计算所述转动齿轮的目标角度、所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离；

根据所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离、所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离，以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离，计算所述第二转动关节的目标角度；

根据所述转动齿轮与所述第一转动关节之间的距离、所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离、所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离、所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离，以及所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离，计算所述第一转动关节的目标角度；

根据所述点云变换矩阵，确定所述第三转动关节的目标角度；

其中，所述第一转动关节为所述主轴部件与连接轴部件相连的转动关节；所述第二转动关节为所述两个连接轴部件相连的转动关节；所述第三转动关节为所述滚刷槽与连接轴部件相连的转动关节；

所述第一坐标根据以下公式计算：

式中，所述第一坐标为(x′,y′,z′)；M_trans为所述点云变换矩阵，θ₁为所述转动齿轮的实时角度，θ₂为所述第一转动关节的实时角度，θ₃为所述第二转动关节的实时角度，θ₄为所述第三转动关节的实时角度，h1为所述转动齿轮的中心与所述第一转动关节之间的距离，h2为所述第一转动关节与所述第二转动关节之间的距离，h3为所述第二转动关节与所述第三转动关节之间的距离；

所述转动齿轮的目标角度根据以下公式计算：

θ′₁＝atan(y′,x′)

式中，θ′₁为所述转动齿轮的目标角度；

所述第二转动关节的目标角度根据以下公式计算：

式中，θ′₃为所述第二转动关节的目标角度；l2为所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离；

所述第一转动关节的目标角度根据以下公式计算：

θ′₂＝β₁+β₂

式中，θ′₂为所述第一转动关节的目标角度；l1为所述转动齿轮的中心与所述第一坐标之间的距离；l2为所述第一转动关节与所述第一坐标之间的距离；

所述第三转动关节的目标角度根据以下公式计算：

θ′₄＝r_x

式中，θ′₄为所述第三转动关节的目标角度；r_x为所述点云变换矩阵M_trans中用于指示绕x轴旋转角度的元素。

2.根据权利要求1所述的自适应姿态光伏面板清扫装置，其特征在于，所述第二点云的确定方法包括：

对所述滚刷槽上安装的两个距离传感器分别获取的实时空间点数据进行直线拟合，并筛选出位于光伏面板上的两条直线；

根据属于所述两条直线的实时空间点数据中距离最大的点对，得到两条初始线段；

将所述两条初始线段修剪为相同长度，并从每条修剪后的线段中均匀选取预设数量的点，得到第二点云。

3.根据权利要求1所述的自适应姿态光伏面板清扫装置，其特征在于，所述第一点云的确定方法包括：

以第一空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向下的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第一空间点集合；以及，以第二空间点为基准，在光伏面板所在平面上沿垂直于光伏面板上下边缘向上的方向，按照预设步长获取预设个数的空间点，得到第二空间点集合；

根据第一空间点集合和第二空间点集合，得到第一点云；

其中，所述第一空间点为所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最上方的点；所述第二空间点为所述距离传感器在所述自适应姿态光伏面板清扫装置处于目标清扫姿态的情况下获取的空间点中的位于光伏面板最下方的点。