一种用于光伏电池板组的智能化清洗机器人装置及清洗机器人的定位方法与流程

本发明涉及的是一种用于光伏电池板组的智能化清洗机器人装置及清洗机器人的定位方法，属于光伏电池板的清洗技术领域。

背景技术：

光伏电池板发电的原理是，当阳光照射到光伏电池板玻璃表面下的发电芯片，芯片就将阳光转换成电流；抵达发电芯片的阳光越充足，发电的效率就越高；如果阳光在抵达发电芯片之前就有有一部分被折射，那么发电效率就会降低。阳光被折射的原因很多，除了大气层中的各种气体分子之外，还有水气(云、雾等)、空气中的污染物颗粒。另外的原因就是覆盖在光伏电池板上的各种异物，包括尘土、沙粒、鸟粪、工业排放到空气中后降落在光伏电池板上的污染物、酸雨在光伏电池板上留下的痕迹、废纸、树叶、或其他飘落或掉落到光伏电池板上的异物等等。

要保持光伏电池板的最佳发电效率状态，就必须保持光伏电池板表面的干净。目前，全球各地绝大部分保持光伏电池板表面干净的方法都是人工清洗操作。有所谓的机械化清洗流程，就是在大卡车上安装大型机械臂，机械臂的末端安装刷子或高压水枪，操作人员开着卡车在一排排的光伏电池板之间操作机械臂进行刷洗。

也有使用吸尘机在光伏电池板上爬行清洗的，但主要是操作人员通过遥控设备对吸尘机远程操控。有使用相对自动化的清洗机器人的，却都采取简单、非智能化的方法，也就是说，安装在清洗机器人上的刷子的宽度，必须与每一排的光伏电池板的高度一致，清洗机器人只采取水平线移动刷洗，在水平移动时，刷子的长度必须覆盖整个光伏电池板阵列的高度，一次性刷洗整个光伏电池板阵列的高度。此设计模式比较简单，也不需要考虑机器人的定位和移动轨迹问题，清洗机器人只需要横向移动到没有导轨的地方就可以停下来，在导轨两端之间都假设是光伏电池板表面，只要在两端之间都启动刷洗模式即可。此设计模式还做了一个更大的假设，就是光伏电站的每一排阵列的高度都是一样的，如果光伏电池板的尺寸不一样，或者每一组电池板阵列的高度不一样，例如在光伏电池板安装密度比较高的电站，可能会一排安装上中下多片电池板。应对这种情况，前面描述的设计方案就得采取设计不同长度的刷子。但是如果刷子太长了，不但转动刷子的控制难度大，而且刷洗不干净，维护成本也比较高。所以这种设计方案只能针对某一特定电站使用，而且必须是光伏电池板密度不太高的地方。

目前，市场上有两种类似家用吸尘机的光伏电池板清洗机器人，一种非智能化的是由操作人员操控，没有自己行动与定位功能。另一种是自动行走的，采用红外感应器和声波感应器来确定是否已经行走到边缘，同时使用算法计算自己行走的距离和方向来确定位置。此类机器清洗的速度很慢，每次充电后能清洗的面积不大，不适合大型电站，硬件成本也比较高，而且功能实现复杂，不容易维护。

以上描述的各种清洗流程和模式都有其问题，有的手工操作成本太高，不能大面积推广。有的非智能化的自动机器人假设了一种理想化的环境，只适合特定情况，也不容易大面积推广。以上描述的自动化机器人的主要问题在于没有实现准确的机器人移动和定位系统，所以难适应各种不同的环境。有实现移动和定位系统的机器人，类似家用吸尘机的机器人，不但成本高，而且因为技术实现方式而只适合小面积清洗。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种智能化、低成本、容易准确控制，能通过RFID定位、磁钢和干簧管定位，结合机器人的初始位置、移动方向和速度、移动轨迹的精确计算，准确的计算出机器人当前的位置和下一步位置的用于光伏电池板组的智能化清洗机器人装置及清洗机器人的定位方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种用于光伏电池板组的智能化清洗机器人装置，所述的光伏电池组为由多片光伏电池板组成的光伏电池板阵列，所述的光伏电池组上方和下方分别安装有供机器人横向移动用的上导轨和下导轨，在所述上导轨和下导轨上通过滚轮架设可控制机器人左右移动的纵向导轨，且所述机器人还可以沿着纵向导轨上下移动；所述的上导轨和下导轨以及光伏电池组的左右两侧边分别安装有磁钢片，而在每片光伏电池板上均贴装有唯一的RFID标签。

作为优选：所述的机器人安装在光伏电池组上面、所述两根并排布置在上导轨和下导轨上的纵向导轨上，所述的机器人内部带有存储器和控制电路板，所述的机器人四周设置有可与安装在上下导轨和光伏电池组左右两侧边磁钢片对应配套的干簧管，并构成边缘定位装置；所述干簧管的信号线路连接机器人内设的控制电路板上；所述的控制电路板能够接收光伏电池板的RFID信息并构成RFID光伏电池板定位装置。

一种用于所述智能化清洗机器人装置的机器人定位方法，所述的机器人定位方法主要是基于机器人与磁钢片和RFID标签构成的边缘定位装置和光伏板定位装置，当清洗机器人启动开始清洗光伏电池板时，一般的起始位置有四个：右上角、右下角、左上角、左下角，从那个位置开始的清洗路径是由清洗规划系统决定的，如果从右上角或左上角开始，机器人则开始向下移动；如果从左下角或右下角开始，机器人则开始向上移动；

所述机器人自带的存储器和控制电路板可将机器人行走过程中由边缘定位装置和光伏板定位装置获得的参数记录并通过控制电路板定时地用无线网络发送给外置的监控服务器，其中记录的参数包括：移动方向、移动速度、时间、使用的刷洗工具、刷子转动速度和方向、是否有洒洗涤剂、洗涤剂喷嘴方向、当前光伏电池板的RFID号。

作为优选：所述的机器人通过所述边缘定位装置和光伏板定位装置获得参数过程是：

机器人在清洗过程中，在移动操作时，判断当前的位置是通过开始时的起始位置，然后根据移动方向、速度和读取到的RFID号，即可准确判断机器人当前是在那一片光伏电池板上的那个位置；

机器人的四周安装有干簧管，干簧管的信号线路连接机器人的电路控制板，当机器人移动到边缘时，机器人四周的干簧管接近安装在导轨上的磁钢片时，磁钢片所产生的磁场会触发干簧管内的开关，从而产生一个信号；机器人通过判断是从那一边的干簧管发出来的信号，可以判断那个方向已经移动到边缘上，根据当前的移动方向和线路，计算出下一步该往那个方向转移。

作为优选：所述的机器人执行清洗任务时，会把移动轨迹和其他参数实时的记录到机器人内存里的日志文件，并且定时的将日志信息发送给后台监控系统；所述的日志文件采用一种特殊的二进制格式，开头有个8位的文件头，接下来是64位的唯一标示符，记录机器人的唯一ID；再接下来是机器人的起始位置，然后就是一个接一个的操作记录包；以下表格详细描述日志文件中的每一个字段的长度(以位数为单位)和定义：

有以上的日志文件，通过重放文件内容，后台监控系统可以从头到尾的跟踪每一台机器人操作的整个过程和行走轨迹；如果机器人出现异常情况，例如突然断电，在重启后可以根据日志文件的数据定位自己当前所在位置，并且确定之前未完成的工作要如何继续完成。

本发明具有智能化、低成本、容易准确控制，能通过RFID定位、磁钢和干簧管定位，结合机器人的初始位置、移动方向和速度、移动轨迹的精确计算，准确的计算出机器人当前的位置和下一步位置等特点。

附图说明

图1是本发明所述的在光伏电池板组上面安装自动清洗机器人装置的示意图。

图2是本发明所述自动机器人在光伏电池板组上面移动的轨迹示意图。

图3是本发明所述自动机器人周边干簧管与导轨上磁钢片接触的示意图。

图4是本发明所述机器人记录的日志文件格式图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：图1-3所示，本发明所述的一种用于光伏电池板组的智能化清洗机器人装置，所述的光伏电池组为由多片光伏电池板1组成的光伏电池板阵列，所述的光伏电池组上方和下方分别安装有供机器人2横向移动用的上导轨3和下导轨4，在所述上导轨3和下导轨4上通过滚轮架设可控制机器人2左右移动的纵向导轨5，且所述机器人2还可以沿着纵向导轨5上下移动；所述的上导轨3和下导轨4以及光伏电池组的左右两侧边分别安装有磁钢片6，而在每片光伏电池板1上均贴装有唯一的RFID标签7。

图中所示，所述的机器人2安装在光伏电池组上面、所述两根并排布置在上导轨3和下导轨4上的纵向导轨5上，所述的机器人2内部带有存储器和控制电路板，所述的机器人2四周设置有可与安装在上下导轨3、4和光伏电池组左右两侧边磁钢片6对应配套的干簧管8，并构成边缘定位装置；所述干簧管8的信号线路连接机器人内设的控制电路板上；所述的控制电路板能够接收光伏电池板1的RFID信息并构成RFID光伏电池板定位装置。

一种用于权利要求1或2所述智能化清洗机器人装置的机器人定位方法，所述的机器人定位方法主要是基于机器人2与磁钢片6和RFID标签7构成的边缘定位装置和光伏板定位装置，当清洗机器人2启动开始清洗光伏电池板1时，一般的起始位置有四个：右上角、右下角、左上角、左下角，从那个位置开始的清洗路径是由清洗规划系统决定的，如果从右上角或左上角开始，机器人2则开始向下移动；如果从左下角或右下角开始，机器人2则开始向上移动；

所述机器人2自带的存储器和控制电路板可将机器人行走过程中由边缘定位装置和光伏板定位装置获得的参数记录并通过控制电路板定时地用无线网络发送给外置的监控服务器，其中记录的参数包括：移动方向、移动速度、时间、使用的刷洗工具、刷子转动速度和方向、是否有洒洗涤剂、洗涤剂喷嘴方向、当前光伏电池板的RFID号。

本发明所述的机器人通过所述边缘定位装置和光伏板定位装置获得参数过程是：

机器人在清洗过程中，在移动操作时，判断当前的位置是通过开始时的起始位置，然后根据移动方向、速度和读取到的RFID号，即可准确判断机器人当前是在那一片光伏电池板上的那个位置；

机器人2的四周安装有干簧管8，干簧管8的信号线路连接机器人的电路控制板，当机器人2移动到边缘时，机器人2四周的干簧管8接近安装在导轨上的磁钢片6时，磁钢片6所产生的磁场会触发干簧管8内的开关，从而产生一个信号；机器人2通过判断是从那一边的干簧管8发出来的信号，可以判断那个方向已经移动到边缘上，根据当前的移动方向和线路，计算出下一步该往那个方向转移。

本发明所述的机器人执行清洗任务时，会把移动轨迹和其他参数实时的记录到机器人内存里的日志文件，并且定时的将日志信息发送给后台监控系统；所述的日志文件采用一种特殊的二进制格式，见图4所示，开头有个8位的文件头，接下来是64位的唯一标示符，记录机器人的唯一ID；再接下来是机器人的起始位置，然后就是一个接一个的操作记录包；以下表格详细描述日志文件中的每一个字段的长度(以位数为单位)和定义：

有以上的日志文件，通过重放文件内容，后台监控系统可以从头到尾的跟踪每一台机器人操作的整个过程和行走轨迹；如果机器人出现异常情况，例如突然断电，在重启后可以根据日志文件的数据定位自己当前所在位置，并且确定之前未完成的工作要如何继续完成。

实施例：

在大型光伏电站中，光伏电池板的安装密度可能相当高，一组电池板的高度由一片或多片电池板组成，虽然在设计电站的时候，设计师会尽量将设计方案统一，也就是说，如果高度是一片电池板，那么所有光伏电池板组都会采用统一的高度。但是，这也不是必定的，设计师主要是根据地形和需求而设计，最终目的是土地面积使用和发电效率的最大化。而且每一个光伏电站在设计方面需要考虑的因素都不太一样，所以一个全自动化、全智能化的光伏电池板清洗机器人的设计，要考虑其通用性，要能适应各种光伏电站的智能化清洗需求。其中考验机器人的智能水平的指标之一，就是机器人的移动和定位能力，因为这直接影响到机器人是否能全面覆盖所有要清洗的光伏电池板，且不需要根据光伏电池板的尺寸、电站的布局方式而定制机器人和刷子的尺寸。

要适应各种尺寸的光伏电池板和各种阵列布局方案，清洗机器人必须是通用型的，而且能自动适应新环境。其中一个难点就是解决机器人在大面积的光伏电池板组合板面上进行清洗操作时，能准确的反馈自己所在的位置。这需要精确的定位方法。

本发明提供一种用于光伏电池板清洗机器人的机器人移动和定位方法。机器人在清洗一组光伏电池板时，会从某一个初始位置开始，然后根据清洗模式规划好的线路进行，但是在清洗的过程中，机器人需要不停的反馈自己的所在的位置给后台监控和管理系统。

图1-3所示在一个典型的光伏电池板组上面安装有一套智能化的自动清洗机器人装置，其中有：光伏电池板1，每一组由多片光伏电池板组成。图中显示的2x5片光伏电池板的阵列只是一个例子，本发明适用于各种阵列；代表智能化的自动清洗机器人2；机器人横向移动用的上导轨3；机器人横向移动用的下导轨4；机器人纵向移动用的纵向导轨5，机器人沿着纵向导轨上下移动，而纵向导轨则架在横向上下导轨3、4上，通过滚轮控制机器人的左右移动；贴在导轨上的磁钢片6；贴在光伏电池板上的RFID标签7，每一片光伏电池板都有一份唯一的RFID标签；

当清洗机器人启动开始清洗光伏电池板时，一般的起始位置有四个：右上角、右下角、左上角、左下角。从那个位置开始是由清洗规划系统决定的。如果从右上角或左上角开始，机器人则开始向下移动。如果从左下角或右下角开始，机器人则开始向上移动。

机器人在光伏电池板上的移动轨迹如图2所示，图中的移动轨迹是从左上角开始的，这是轨迹中的一种。如果机器人的起始位置不一样，其移动轨迹就不一样。

机器人有四种移动的方向：向上、向下、向左、向右。机器人在移动的过程中，会将几个参数记录到机器人的内置的内存里，并定时的通过无线网络发送给监控服务器。记录的参数包括：移动方向、移动速度、时间、使用的刷洗工具(刷子、刮水器、或者两者都使用)、刷子转动速度和方向、是否有洒洗涤剂、洗涤剂喷嘴的方向、当前光伏电池板的RFID号等等。

这些数据形成机器人每一次清洗操作的轨迹，不但记录了机器人的移动线路，同时也记录了清洗操作的整个过程记录。操作数据都记录在日志文档里。

在正常的情况下，机器人的起始位置是在左上角、左下角、右上角或右下角。起始位置由规划系统决定后，从服务器通过无线网络发送规划路线给机器人实施。有一种特殊的情况，机器人的起始位置不是在正常情况下的四个角落，而是在光伏电池板组的任何一个位置。只有在异常情况下才会出现，例如机器人正在清洗光伏电池板时突然断电。当电源恢复后，如果机器人判断上一次操作是异常中断的，就开始重放日志文件，根据之前的起始位置，并通过计算已经走过的轨迹，可以判断当前的所在位置、移动方向、移动速度、需要使用的刷洗工具、是否需要洒洗涤剂等。机器人可以从当前的位置，继续异常中断之前未完成的工作任务，而不需要重头再来。

机器人在清洗的过程中，在移动操作时，判断当前的位置是通过开始时的起始位置，然后根据移动方向、速度和读取到的RFID号，即可准确的判断机器人当前是在那一片光伏电池板上的那个位置。

但是，不管是由多少片光伏电池板组成，每一组光伏电池板阵列也不是无限大的，所以机器人总会移动到边缘上。机器人如何判断自己已经走到边缘，主要是靠安装在导轨上的磁钢片和安装在机器人四周的干簧管，如图3所示。

四周导轨上，在特定的位置上都贴上磁钢片，而机器人四周都装置了干簧管，干簧管的信号线路链接机器人的电路板。当机器人移动到边缘上时，机器人四周的干簧管接近安装在导轨上的磁钢片时，磁钢片所产生的磁场会触发干簧管内的开关，从产生一个信号。机器人通过判断是从那一边的干簧管发出来的信号，可以判断那个方向已经移动到边缘上，根据当前的移动方向和线路，计算出下一步该往那个方向转移。

机器人执行清洗任务时，会把移动轨迹和其他参数实时的记录到机器人内存里的日志文件，并且定时的将日志信息发送给后台监控系统。机器人记录的日志文件的格式如图4所示。

日志文件采用一种特殊的二进制格式，开头有个8位的文件头，接下来是64位的唯一标示符，记录机器人的唯一ID。再接下来是机器人的起始位置，然后就是一个接一个的操作记录包。以下表格详细描述日志文件中的每一个字段的长度(以位数为单位)和定义：

有以上的日志文件，通过重放文件内容，后台监控系统可以从头到尾的跟踪每一台机器人操作的整个过程和行走轨迹。前面提过，如果机器人出现异常情况，例如突然断电，在重启后可以根据日志文件的数据定位自己当前所在位置，并且确定之前未完成的工作要如何继续完成。

从以上描述可以看到，本发明用磁钢片和干簧管的边缘定位装置、RFID光伏电池板定位装置，结合算法，可以最低成本的、准确的计定位机器人的位置。机器人在移动的过程中，通过算法不断的运算，和机器人不断反馈的新信息(如RFID信息、干簧管信号等)，准确的定位机器人的每一个位置，并准确的判断下一步要移动的方向和位置。而操作日志文件又给后台监控系统和大数据分析系统提供完整的机器人操作过程记录，为跟踪机器人轨迹、分析机器人的工作效率提供有效的依据。本发明的机器人定位方法的灵活性，适用于大小光伏电站的各种光伏电池板阵列，不需要因为地形或光伏电池板排列方式不一样而需要重新设计机器人的刷洗工具和移动方案。

本发明具有如下特点：一是能够准确、有效的定位；

二是准确的定位方法为智能化的清洗规划提供可靠的基础，且成本低、容易集成；

三是设置位置非常方便；

四是容易实施，为光伏电站提供智能化、自动化的监控与管理功能；

五是通用，适合各种光伏电站场景，尤其是光伏电池板安装密度高的地方；

六是详细的操作日志文件，除了可以用来跟踪机器人的运行轨迹之后，还可以用来协助技术人员排查问题。收集到所有机器人的操作日志文件，可以用来分析清洗效率以及清洗后对发电效率的影响等。