作者：李偉榮、李學輝、金茹芳、沙小平

單位：寧夏大學

指導老師：康彩、張冬

一、執(zhí)行總結(jié)

1.1 項目概述

? ? ? ?在“十三五”發(fā)展的大形勢下，由于現(xiàn)在國家大力發(fā)展清潔能源，而太陽能發(fā)電受到了很大重視，但是目前并沒有一個完整的系統(tǒng)來管理光伏發(fā)電站。

? ? ?? 威寶光伏電站自動管理系統(tǒng)是由清洗機器人，巡檢機器人和電腦端三部分人組成，其中以清洗機器人為主要功能對光伏板進行清洗和溫度檢測，采用局域網(wǎng)通信，來實現(xiàn)信息交流和數(shù)據(jù)采集。

? ? ?? 工作人員只需在電腦端軟件設置巡檢路線，清洗區(qū)域即可，當清洗完成后電腦端會顯示。軟件中可以查看光伏板的溫度，發(fā)電量，損耗等各項指標。如有異常狀況自動切斷相應光伏板的電源。

1.2 項目運行情況

? ? ? ?這個項目立項之前，就參觀了好多的太陽能發(fā)電站，針對出現(xiàn)的各種問題進行了整理，可以分析出面臨的一個共同的問題就是針對太陽能電池板的清洗和檢測管理問題。就在想可不可以做出一個可以實現(xiàn)光伏板自動管理系統(tǒng)，大大節(jié)省了人力，真正的解放了勞動力，由此準備對這種機器裝置進行研究，設計，克服了種種困難，研制威寶光伏電站自動管理系統(tǒng)。

1.3 優(yōu)勢特色

? ? ? ?方便了光伏發(fā)電站的管理，以光伏板清洗機器人為主要功能并且更好的檢測光伏板發(fā)電情況進行安全保護，可以極大的提高發(fā)電效率。

1.4 項目運行目標

? ? ? ?本項目的研究是為了更好的服務于太陽能發(fā)電企業(yè)，讓企業(yè)盡可能的減少投資，盡可能的獲得最大的利益。使我們的產(chǎn)品更好的應用于這個領域，服務于這個領域。解決廣大企業(yè)對該產(chǎn)品的需求，營造良好的發(fā)展環(huán)境，促進太陽能產(chǎn)業(yè)更高效，更快速，更健康的發(fā)展。

二、創(chuàng)業(yè)背景

2.1 項目政策

? ? ?? 新能源產(chǎn)業(yè)是衡量一個國家和地區(qū)高新技術發(fā)展水平的重要依據(jù)，也是新一輪國際競爭的戰(zhàn)略制高點，世界發(fā)達國家和地區(qū)都把發(fā)展新能源作為順應科技潮流、推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構調(diào)整的重要舉措。新能源產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展十分迅速。政策扶持和技術進步是我們新能源行業(yè)未來快速發(fā)展的主要驅(qū)動力?！缎履茉串a(chǎn)業(yè)振興和發(fā)展規(guī)劃》被業(yè)界奉為“國家新能源發(fā)展戰(zhàn)略”，包括太陽能、風能、核能等可再生能源的開發(fā)利用，也包括煤化工等傳統(tǒng)能源體系的變革。大力發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，符合國家長期發(fā)展規(guī)劃，后期無論是政策還是具體實施都將出現(xiàn)較大轉(zhuǎn)變。與此同時，傳統(tǒng)能源雖然短期內(nèi)難以撼動其主導地位，但也應順應時代發(fā)展的趨勢，不斷創(chuàng)新與革新，提升內(nèi)在競爭力，實現(xiàn)能源產(chǎn)業(yè)共贏的新局面。

2.2市場需求

?????? 由于國家會大力發(fā)展清潔能源，而太陽能發(fā)電無污染，又環(huán)保，符合綠色發(fā)展的宗旨，而且國家針對這種新能源發(fā)電又有很大的扶持力度，這種太陽能發(fā)電會大量增加。隨著社會對于電力需求的增加，這樣的發(fā)電站也會不斷增加，因此對與太陽能電池板的清洗也會不斷增加，而對于社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，人工工資也會不斷增長，由此在清洗電池板的費用也會不斷提高，針對這點，使用威寶光伏電站自動管理系統(tǒng)會大大節(jié)省人力，物力，財力。

三、技術與產(chǎn)品

3.1 項目的技術特點

? ? ? ?1、清洗機器人能自動往返爬行，自動完成清洗的所有規(guī)定動作，自動停機，出現(xiàn)故障自動報警等等。

? ? ? ?2、清洗機器人上的多種傳感器可以檢測溫度等以確定光伏板是否良好，自動連接和切斷電源。

? ? ? ?3、裝有自動導航系統(tǒng)，內(nèi)置的紅外傳感器也能使機器人按設定的路線進行運動。

? ? ? ?4、運載車裝有攝像頭等裝置，具有自動巡檢功能。

? ? ? ?5、運載車可將清洗機器人運載到任一光伏板上進行清洗。

? ? ???6、清潔機器人，巡檢機器人和電腦端通過局域網(wǎng)通信，電腦端可操控機器人并查看機器人及光伏板的相關數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障時自動警告并切斷相關電源。

3.2主要技術

a) 無線傳輸技術

? ? ? ?本產(chǎn)品通過局域網(wǎng)，將電池板上的信息通過ＷＩＦＩ模塊實時傳送給操作人員，根據(jù)傳回的信息，工作人員隨時改變清洗設備的工作狀態(tài)，如無需更改，可以選擇默認工作方式讓清洗設備繼續(xù)工作下去。

b) 跟隨系統(tǒng)

? ? ? ? 跟隨系統(tǒng)適用于軌道式清潔設備，使小車與清洗設備保持固定的距離，從而保證車載水箱與噴水裝置的連接不會斷開。同時，保證了小車在第一時間到達清洗設備處，執(zhí)行抓取操作。

c) 圖像處理

? ?? ? 清洗設備上裝有固定的攝像頭，一但發(fā)現(xiàn)污垢，系統(tǒng)會自動識別污垢位置，然后停止干洗程序，打開濕洗程序，對污垢進行定點清除。

d) 定位系統(tǒng)

? ?? ? 由于光伏電站里太陽能電池板排與排之間是不等距的，故此必須加入精準的定位操作，從而保證清洗設備的準確收起放下。同時，也方便維修人員的準確定位。

e) 抓取系統(tǒng)

? ?? ? 當清洗設備清洗完一排的時候，隨動設備――小車便會行駛至清洗設備處，抓取清洗設備，然后小車將會行駛到下一排太陽能電池板，放下清洗設備執(zhí)行清洗工作。

四、硬件及軟件設計

4.1 硬件設計

? ? ? ? 清洗設備采取四輪驅(qū)動，為清洗設備提供動力。另外加入四個支撐輪，便于固定清洗設備。此外，清洗設備還裝有舵機，步進電機，紅外測溫傳感器，攝像頭，觸碰開關，超聲波以及碼盤電機。其中，舵機控制刮泥板的收放，步進電機控制刮泥板行進。碼盤電機負責清洗設備的測距，方便定位。

? ? ??? 抓取設備中裝近紅外對管，保證定位的精度。同時裝有大量的舵機，從而對機械臂進行準確的控制。另外，抓取設備中裝有傾斜度傳感器和壓力傳感器，從而保證了清洗設備的準確放下，并不會破壞電池板。

4.2 軟件設計

?????? 項目通過機械視覺傳輸技術，并將所傳輸?shù)膱D像進行處理，從而根據(jù)圖片上的信息控制相應的電機執(zhí)行相應的操作。由CPU對各種傳感器返回的信息進行統(tǒng)一處理，并與設置的參數(shù)進行比較，從而精確的控制機器的行進及工作。

? ?? ? 該產(chǎn)品增加了紅外溫度檢測技術，通過MLX90614對電池板的表面溫度進行實時監(jiān)控，反饋太陽能電池板的工作狀態(tài)。激光測距使得跟隨系統(tǒng)變得觸手可及。不對稱的定位裝置排列，讓機械臂可以準確的識別清洗設備的位置，為一機多排的工作形式做了有效的保證。

4.3 控制原理

? ? ?? 通過樹莓派建立圖像處理環(huán)境，應用相應算法將泥點的位置進行標記，并發(fā)送相應的控制信號給arduino控制板。由arduino控制板對清洗機進行相應控制，切換干洗操作模式為濕洗模式。同時，由邊緣檢測采集相應的邊緣信號控制運載車的行進，進行相應抓取與放下操作，實現(xiàn)一機多排的清潔方式。

五、系統(tǒng)測試

?????? 系統(tǒng)測試是針對整個產(chǎn)品系統(tǒng)進行的測試，目的是驗證系統(tǒng)是否滿足了需求規(guī)格的定義，找出與需求規(guī)格不符或與之矛盾的地方，從而提出更加完善的方案。系統(tǒng)測試是將經(jīng)過集成測試的軟件，作為計算機系統(tǒng)的一個部分，與系統(tǒng)中其他部分結(jié)合起來，在實際運行環(huán)境下對軟件設計進行的一系列嚴格有效地測試，以發(fā)現(xiàn)軟件潛在的問題，保證系統(tǒng)的正常運行。

? ? ?? 對編寫好的軟件進行測試都是必不可少的一步。根據(jù)對該太陽能電池板清潔機器人所要實現(xiàn)的功能進行需求分析的結(jié)果，來對它的各個模塊進行相應的功能測試。通過對本設計的要求進行詳細的分析，并結(jié)合整個機器人系統(tǒng)的各個功能模塊執(zhí)行實現(xiàn)的情況，來對程序進行詳細的調(diào)試與修改。最終力求得到一個可以很好地實現(xiàn)設計要求的程序。

5.1 模塊軟件測試

5.1.1 清洗頭模塊測試

? ? ? ?該部分是本設計的核心部分，也是最為復雜的部分。對于該模塊的軟件測試，需要拆分開來，每一個小部分單獨進行測試。例如，溫濕度傳感器對溫度濕度的測量程序結(jié)合LCD1602液晶顯示屏部分，它們作為一個小部分單獨進行測試。

5.1.2 ?紅外溫度傳感器模塊測試

5.2 ?超聲波測距模塊測試

? ??? ?超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。

? ? ? ?串口調(diào)試助手是串口調(diào)試相關工具，用各種波特率及自定義波特率，可以自動識別串口，能設置校驗、數(shù)據(jù)位和停止位，能以ASCII碼或十六進制接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)或字符，可以任意設定自動發(fā)送周期,并能將接收數(shù)據(jù)保存成文本文件，能發(fā)送任意大小的文本文件。

5.3 測試結(jié)果

? ??? ?通過對上面對程序各個部分的模塊化測試，基本上各個部分所要實現(xiàn)的功能都已經(jīng)可以達到設計的要求了。但是整體的相互協(xié)調(diào)還需要經(jīng)過不斷地將程序整合測試，才能讓整個系統(tǒng)的各個模塊相互配合完成要求，實現(xiàn)所有功能。在這部分主要是通過在Genuino101中不斷地編譯，通過錯誤提示進行修改，直到整個程序可以編譯成功為止。

? ??? ?我們的光伏電池板自動清洗機器人能在軌道上正常的運行了，通過現(xiàn)場的調(diào)試運行，雖然我們只做了一個小的模型，但是對于這個大的機械裝置我們已經(jīng)完全設計好了，只要經(jīng)費寬裕的情況下，我們可以制作出一臺大型的能適用于光伏電廠的自動清洗機器人，以滿足不同客戶的需求，更好的服務于光伏發(fā)電站。 ? ?

? ??? ?總之，經(jīng)過了上面的各個方面的對系統(tǒng)程序的測試，程序中許多不合理或者錯誤的部分得以修正，最終使各部分的程序能夠毫無差錯的編譯成功。

六、清洗設備分析

6.1 優(yōu)點分析

? ? （1）全自動清洗，大大提高了發(fā)電效率；

? ? （2）帶水清洗，有效去除泥巴等頑固污漬；

? ? （3）加裝紅外測溫儀，實時傳回電池板的溫度情況進行過熱檢測；

? ? （4）高纖維螺旋毛刷，清潔力度高；

? ? （5）全自動，高效節(jié)能，成本底；

? ? （6）采用軌道式移動，節(jié)約材料；

? ? （7）皮帶齒輪的傳動裝置改善了動力系統(tǒng)問題；

? ? （8）新型的雨刮清洗工具使清潔更干凈。

6.2 創(chuàng)新點分析

? ? （1）應用跟隨系統(tǒng)，方便抓取

? ? （2）采取紅外測溫，方便檢測

? ? （3）多方式，全地形

七、項目創(chuàng)新點分析

? ? （1）清洗機實現(xiàn)干濕混合清潔，使清潔效率更高。

? ? （2）清洗機采取一機多排的清潔方式，有效降低了區(qū)域內(nèi)的清潔成本。

? ? （3）加入溫度檢測模塊，實時采集電池板的溫度，有利于發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的電池板。

八、推廣應用價值

?????? 光伏電站清洗機可以進行小型化，特殊化，從而適應家用電池板的清潔。同時，該產(chǎn)品所應用的無線技術可以應用與智能家居，遙感機器人等方面。對于其他領域的清潔設備，均可以在現(xiàn)有的基礎上適當?shù)男薷南鄳挠布Y(jié)構，從而實現(xiàn)多用途的清潔。

九、項目總結(jié)

??? ?? 隨著時代的發(fā)展，清潔能源將會更加普遍的進入人們的視野。太陽能作為清潔能源的一大主要組成部分，必將越來越被人類所重視。光伏電站發(fā)的未來將會越發(fā)的輝煌。

?? ??? 光伏發(fā)電技術日漸趨于成熟，未來定會成為清潔能源的一大主力。因此，清潔問題也必將日益顯得重要。清洗機器人的道路也逐漸變寬。未來的清洗行業(yè)必將會是機器人的天下，定會是人機智能的時代。

? ? ? ?光伏電站自動清潔器的市場也將會變得更加寬廣。

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