带有太阳能板无源双模自动清洁装置的自然能驱动机器人的制作方法

本发明属于自然能驱动机器人技术领域，具体涉及一种带有太阳能板无源双模自动清洁装置的自然能驱动机器人。

背景技术：

能量捕获对于要求有长自持力的海洋运载器来说非常重要，只有尽可能增加对外界能量的捕获能力，才能有效的实现在海洋中的监测，勘察等任务。目前在实际工程应用中，不同的海洋运载器利用的海洋环境能源不同，主要集中在太阳能、波浪能、风能和温差能等方面。目前，太阳能是水面上的海洋结构物主要能量获取源之一。俞建成(2018)在《海洋机器人环境能源收集利用技术现状》中指出海洋表面没有覆盖物的遮挡，接受光照的条件较好，平均太阳能功率密度为168。太阳能主要集中在海水表面，海洋运载器在水面或者浅水航行时，可以通过太阳能板将光照转化为电能进行储存并供给海洋运载器使用。为满足长期化、网络化的实时海洋观测任务，nsv将在海面连续工作数月，海上天气多变、波涛汹涌，经历过海水拍击的太阳能板在高温和通风良好的情况下会发生海盐结晶，此外，海面上的海鸟的排泄物、附着海生物以及海水中微生物的分泌物都有可能粘结在太阳能板上。以上这些都将对太阳能板的捕获能力提出考验，能源获取能力又对nsv的续航力产生了影响。因此，保持太阳能捕获能力是维持nsv续航力的关键。

英国asvglobal公司发明的c-endure海洋运载器采用太阳能板的弧形铺设，用以减少海水在其表面的停留时间，但针对海盐析出和海鸟排泄物等粘性附着物不能有效避免。

公开日2015年09年09日，公开号为204633672u，发明名称为“一种海上太阳能光伏发电装置”，其中喷水装置利用压力装置将海水通过喷头喷出，对太阳能板进行清洗。高压水流虽然可以清除粘性附着物，但利用了海水冲洗，还是未能解决海盐析出问题。

公开日2018年04月17日，公开号为107919847a，发明名称为“太阳能板清洁装置”，其中所述第一电动机、第二电动机联接有电源，需要外接能源，对于远离陆地的海上此方法不能适用。

公开日2019年11月08日，公开号为110425484a，发明名称为“自清洁太阳能路灯”，其中翼板与清洁刷需要在风力的作用下来完成清洁动作，驱动源是风，不能即时对太阳能板进行清洁，主动性差。

公开日2019年5月10日，公开号为cn109733544a，发明名称为“一种自然能驱动的翼舵联动长航时双体无人艇”，此发明在执行长航时任务时，容易出现太阳能板表面污浊，太阳能能捕获能力下降的问题。本发明针对此问题提出解决方案。

以上发明的驱动源有的是依靠岸端供给，有的是使用太阳能板获得存储的能量。这样的方法对长时间在海上航行且对续航力有高要求的nsv是不现实的。nsv虽然能依靠太阳能板捕获能量，但还要维持海洋运载器自身的续航力以及各种海洋观测设备的供电。因此，需要一种无源设备既能保证nsv太阳能捕获装置正常工作，又不能占用太阳能板捕获的能量，且装置驱动时机准确，自动完成。此外，海上天气情况变化多端，阴晴无常，能适应各种时刻和天气且鲁棒性强具有多模驱动源的装置是亟需的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带有太阳能板无源双模自动清洁装置的自然能驱动机器人。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括整体框架；所述的整体框架左右两侧下方设有浮体，整体框架首尾两端下方设置有水翼，整体框架的顶部安装有雨水收集器和倾斜能量收集器；所述的整体框架左右两侧下方的浮体上搭载有支架，在支架上安装有储气瓶、控制模块和太阳能清洁模块；所述的水翼与两侧的浮体及浮体上搭载的支架通过连杆连接；所述的支架两侧设有轨道，在两侧轨道之间铺设有太阳能板；所述的太阳能清洁模块包括支撑梁，支撑梁两侧通过滑轮安装在轨道上，在支撑梁上方安装有驱动马达、淡水舱和清洁剂舱，在支撑梁下方安装有毛刷，毛刷紧贴太阳能板；所述的淡水舱通过软管与雨水收集器连接；所述的倾斜能量收集器通过电缆与马达连接；所述的驱动马达的输出端与气动执行器的输出端连接；所述的雨水收集器、储气瓶与气动执行器之间通过雨水收集管路连接；所述的雨水收集管路通过传热导管与太阳能板连接，雨水收集管路与雨水收集器连接处设有集雨阀，雨水收集管路与储气瓶连接处设有储气阀，集雨阀和储气阀由控制模块控制。

本发明还可以包括：

所述的控制模块内部设有电压监控器、光辐射传感器和温度计；所述的电压监控器监控太阳能板产生的电压v实；所述的光辐射传感器监控太阳辐射强度r实；所述的温度计测量环境的温度t实；当v实≥v理时，太阳能清洁模块不工作，倾斜能量收集器和热能收集器分别捕获倾斜能量和太阳能板附近的热能，储存能量；当v实＜v理时，太阳能清洁模块开始工作，对太阳能板进行刷洗；倾斜能量收集器和热能收集器释放之前捕获的能量为太阳能清洁模块的运动提供能量，直到v实≥v理；其中，v理＝f理(r实,t实)，f理是太阳能板通过不同温度和光辐射强度条件下进行测试拟合得出的太阳能板发电电压拟合函数。

本发明的有益效果在于：

本发明的太阳能清洁模块采用无源混合能源驱动，不消耗自然能驱动机器人本身所载能量，即面向载体不会成为负载；驱动能源易于获得且不单一，通过nsv的姿态变化和太阳能板周围的热量获得能量，能在不同天气的各个时刻进行捕获，例如在阳光低辐射的环境中，主要依靠nsv时时刻刻的姿态变化进行能量捕获，而在阳光高辐射环境，太阳能板周围的热量成为此装置的主要捕获对象，双模的混合驱动源增加了装置的鲁棒性；本发明清洁太阳能板可自动完成且时机精准，根据比对太阳能板的发电状态和当时环境的理论发电状态决定清洁动作，摒弃了传统的定时清洁方式，达到耗能和捕能的最优状态。本发明通过混合的海上能源捕获，在不浪费nsv自身能量的前提下对太阳能板进行自动精准的清洗维护，提高nsv的续航力。

附图说明

图1是本发明中太阳能清洁模块的安装示意图。

图2是本发明的整体结构示意图。

图3是本发明中控制模块的组成示意图。

图4是本发明中控制模块的逻辑判断流程图。

图5是本发明中太阳能板清洁模块的组成示意图。

图6是本发明中倾斜能量收集器的工作原理图。

图7是本发明中热能收集器的工作原理图。

图8是本发明中气动执行器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种带有太阳能板无源双模自动清洁装置(offshoresolarpanelsclean，ospc)的自然能驱动机器人(nsv)。为满足长期化、网络化的实时海洋观测任务，nsv将在海面连续工作数月，海上天气多变、波涛汹涌，经历过海水拍击的太阳能板在高温和通风良好的情况下会发生海盐结晶，此外，海面上的海鸟的排泄物、附着海生物以及海水中微生物的分泌物都有可能粘结在太阳能板上。本发明通过混合的海上能源捕获，在不浪费nsv自身能量的前提下对太阳能板进行自动精准的清洗维护，提高nsv的续航力。

一种带有太阳能板无源双模自动清洁装置的自然能驱动机器人，包括整体框架；所述的整体框架左右两侧下方设有浮体，整体框架首尾两端下方设置有水翼，整体框架的顶部安装有雨水收集器和倾斜能量收集器；所述的整体框架左右两侧下方的浮体上搭载有支架，在支架上安装有储气瓶、控制模块和太阳能清洁模块；所述的水翼与两侧的浮体及浮体上搭载的支架通过连杆连接；所述的支架两侧设有轨道，在两侧轨道之间铺设有太阳能板；所述的太阳能清洁模块包括支撑梁，支撑梁两侧通过滑轮安装在轨道上，在支撑梁上方安装有驱动马达、淡水舱和清洁剂舱，在支撑梁下方安装有毛刷，毛刷紧贴太阳能板；所述的淡水舱通过软管与雨水收集器连接；所述的倾斜能量收集器通过电缆与马达连接；所述的驱动马达的输出端与气动执行器的输出端连接；所述的雨水收集器、储气瓶与气动执行器之间通过雨水收集管路连接；所述的雨水收集管路通过传热导管与太阳能板连接，雨水收集管路与雨水收集器连接处设有集雨阀，雨水收集管路与储气瓶连接处设有储气阀，集雨阀和储气阀由控制模块控制。

所述的控制模块内部设有电压监控器、光辐射传感器和温度计；所述的电压监控器监控太阳能板产生的电压v实；所述的光辐射传感器监控太阳辐射强度r实；所述的温度计测量环境的温度t实；当v实≥v理时，太阳能清洁模块不工作，倾斜能量收集器和热能收集器分别捕获倾斜能量和太阳能板附近的热能，储存能量；当v实＜v理时，太阳能清洁模块开始工作，对太阳能板进行刷洗；倾斜能量收集器和热能收集器释放之前捕获的能量为太阳能清洁模块的运动提供能量，直到v实≥v理；其中，v理＝f理(r实,t实)，f理是太阳能板通过不同温度和光辐射强度条件下进行测试拟合得出的太阳能板发电电压拟合函数。

实施例1：

(1)自然能驱动机器人用太阳能板无源双模自动清洁装置采用无源混合能源驱动，不消耗自然能驱动机器人(nsv)本身所载能量，即面向载体不会成为负载；驱动能源易于获得且不单一，通过nsv的姿态变化和太阳能板周围的热量获得能量，能在不同天气的各个时刻进行捕获，例如在阳光低辐射的环境中，主要依靠nsv时时刻刻的姿态变化进行能量捕获，而在阳光高辐射环境，太阳能板周围的热量成为此装置的主要捕获对象，双模的混合驱动源增加了装置的鲁棒性；此装置清洁太阳能板可自动完成且时机精准，根据比对太阳能板的发电状态和当时环境的理论发电状态决定清洁动作，摒弃了传统的定时清洁方式，达到本装置耗能和nsv捕能的最优状态。

(2)图1是自然能驱动机器人用太阳能板无源双模自动清洁装置(offshoresolarpanelsclean，ospc)的安装示意图；图2是自然能驱动机器人(nsv)的结构图。①是nsv的太阳能捕获装置支架用于支撑太阳能板，此支架可以是独立于此系统的支架，安装在图2所示位置；②是太阳能板清洁模块(solarpanelsclean，spc)执行清洗运动的运动轨道；③是连接nsv支架和spc运动轨道的连接模块，连接模块和①、连接模块和②的连接方式是密封铆接铆接，且分别需要至少打一个铆钉孔；④是可根据用户需求定制的圆形通孔(至少八个)，用于固连太阳能板和nsv太阳能捕获装置支架；倾斜能量收集器(obliqueenergycollection，oec)安装于nsv纵摇和横摇比较明显的地方，一般安置于nsv上层建筑附近，是一种收集nsv纵摇和横摇能量的装置；雨水收集器用于收集海洋中的雨水(淡水)，还要避免海水灌入，因此安装于nsv的最上部；热能收集器(heatenergycollection，hec)是收集太阳能板附近热量的装置，安装于太阳能捕获装置附近；清洁判断器(cleaningjudge，cle-judge)安装于太阳能捕获装置附近，用于监控太阳能板工作情况，从而发出是否清洁的信号。

(3)图3是清洁判断器(cleaningjudge，cle-judge)的组成示意图。清洁判断器由电压监控器、光辐射传感器和温度计组成。电压监控器用于监控nsv所载的太阳能板产生的电压v实；光辐射传感器用于监控当时的太阳辐射强度r实；温度计用于测量nsv所处环境的温度t实。

(4)图4是清洁判断器(cleaningjudge，cle-judge)的逻辑判断流程图。根据太阳辐射强度r实、nsv所处环境的温度t实计算太阳能板产生的电压v理，且v理＝f理(r实,t实)，其中f理是nsv搭载的太阳能板通过不同温度和光辐射强度条件下进行测试拟合得出的太阳能板发电电压拟合函数；当v实≥v理时，ospc中的spc不工作，oec和hec分别捕获nsv倾斜能量和太阳能板附近的热能，储存能量；当v实＜v理时，ospc中的spc开始工作，对太阳能板进行刷洗，oec和hec释放之前捕获的能量为spc运动提供能量，直到v实≥v理。

(5)图5是spc的组成示意图。spc由主支撑结构、马达、淡水舱和清洁剂舱组成。雨水收集器通过软管与淡水舱连接，利用大气压和水的重力势能，作为淡水舱的淡水补充源，机构简单可靠；oec通过电缆与马达相连，用于驱动spc进行清洗运动。轮子用于减少运动中的摩擦，使结构在清洗过程中更加顺滑。毛刷紧贴nsv的太阳能板，用于清洁顽固的盐渍和其他粘度高的附着物等。

(6)图6是oec的工作原理图。上下由两个极性不同的条形磁体构成oec内部的磁场；线圈因为nsv的横摇(纵摇)运动在磁场中进行切割磁感线运动，产生电动势，驱动电荷运动，将能量存储与电容中；线圈的两端有储线箱，储线箱内部有扭转弹簧连接线圈，扭转弹簧的松紧要做到不影响线圈的切割运动还要做到能即时收回多余的线圈。

(7)图7是hec的工作原理图。雨水收集管路的两端由阀门控制，集雨阀与雨水收集器连接；储气阀与储气瓶连接。雨水收集管路通过传热导管和太阳能板连接；oec和spc通过气动执行器连接。当太阳照射太阳能板，大量热量分布在捕获板周围，捕获板开始升温，热量通过传热导管对雨水收集管路中的水进行加热，水变成水蒸气，管内压力增大，此时集雨阀关闭，储气阀打开进行存储气体。当需要hec工作时储气筏打开，集雨阀关闭，气体进入气动执行器驱动spc工作。

图8是气动执行器的结构示意图。雨水收集管路的水蒸汽进入推动活塞，驱动杆推动spc运动，水蒸气消失，活塞受弹簧弹力作用，恢复到原位。

倾斜能量收集器(obliqueenergycollection，oec)依靠nsv长时间在海上的纵摇、横摇等运动进行能量收集；热能收集器(heatenergycollection，hec)收集太阳能板周围的热量，二者互为补充构成双模驱动源；清洁判断器(cleaningjudge，cle-judge)根据周围的光辐射强度、环境温度和太阳能板的电压进行计算输出控制信号，对hec、oec和spc进行控制；太阳能板清洁模块(solarpanelsclean，spc)通过接收清洁判断器的控制信号进行驱动操作，若信号反馈执行，太阳能板清洁模块将在nsv的太阳能板上进行反复运动。若信号反馈不执行，则机构处于待命状态：清洁判断器不断检测周围环境驱动太阳能板清洁模块机构运动，循环往复。

自然能驱动机器人用太阳能板无源双模自动清洁装置(offshoresolarpanelsclean，ospc)的安装示意图如图1和图2所示；①是自然能驱动机器人(nsv)的太阳能捕获装置支架，用于支撑太阳能板，此支架可以是独立于此系统的，安装在图2所示位置，安装在nsv的栅格梁架上；②是太阳能板清洁模块(solarpanelsclean，spc)执行清洗运动的运动轨道；③是连接nsv支架和spc运动轨道的连接模块，连接模块和①、连接模块和②的连接方式是密封铆接铆接，且分别需要至少打一个铆钉孔；④是可根据用户需求定制的圆形通孔(至少八个)，用于固连太阳能板和nsv太阳能捕获装置支架；倾斜能量收集器(obliqueenergycollection，oec)安装于nsv纵摇和横摇比较明显的地方，一般安置于nsv上层建筑附近，是一种收集nsv纵摇和横摇能量的装置；雨水收集器用于收集海洋中的雨水，安装于nsv的最上部，如图2所示位置；热能收集器(heatenergycollection，hec)是收集太阳能板附近热量的装置，安装于太阳能捕获装置附近，如图2所示位置；清洁判断器(cleaningjudge，cle-judge)安装于太阳能捕获装置附近，如图2所示位置，用于监控太阳能板工作情况，发送清洁控制信号。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。