目 录
基于光伏板清洗机器人的研究与仿真 I
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.2.3文献综述 3
1.3研究内容与论文框架 4
1.3.1 研究内容…4
1.3.2 论文框架…5
2 光伏清洗机器人工艺分析和总体方案设计 6
2.1 设计目标 6
2.2 光伏板清洗机器人工艺分析 7
2.3 光伏板清洗机器人组成部件…10
2.4 光伏板清洗机器人工作原理…11
3 光伏板清洗机器人的机械设计 13
3.1 机械系统组成 13
3.2 清洁装置设计 14
3.3 行走结构系统设计 15
3.4 机械结构设计与计算…16
4 光伏板清洗机器人伺服系统设计 17
4.1 伺服系统组成…17
4.2 电机选型 18
4.3 驱动器设计 19
4.4 主电路接线图…19
5 光伏板清洗机器人电气控制系统的设计 20
5.1 检测系统的组成与原理…20
5.2 控制系统的设计 21
5.2.1 控制器的选型 22
5.2.2 PLC I/O分配表 25
5.2.3 PLC梯形图…25
5.2.4 PLC控制接线…29
6 虚拟样机装配与运动仿真 33
6.1 光伏板清洗机器人的三维建模 33
6.2 运动仿真分析 35
7 结论 40
参考文献 42
致谢…43
1 绪论

1.1 研究目的及意义
近年来，人们乱砍滥伐和二氧化碳的过度排放使得环境污染，在国家推出的新政策“绿水青山就是金山银山”的影响下，人们将目光放在了节能环保的能源上，其中最重要的能源就是太阳能。随着有效利用太阳研究的取得成果，2021年，全球与中国光伏太阳能电池板市场规模达到15815.86亿人民币与4275.03亿人民币。初步估计，在未来6年内全球光伏太阳能板市场将会以14.96%的复合年增长率增长。光伏板因其改进升级迅速，性价比高，因此应用广泛。而随着时间推移光伏板也需要定期清洗设备上的灰尘以及雨水等外来物的侵蚀，这就使得光伏板清洗机器人需要进一步的研究。我国的光伏电站大部分设置在戈壁或者沙漠等太阳能资源丰富的地区，要求常年光照达3000小时以上。而在这些地区风沙大、环境恶劣，有时会出现极端天气，就会让光伏板积累较多灰尘从而影响发电效率。一方面光伏板表面积灰和污渍影响了光线的透射率，另一方面阻挡光伏板热量向外传递，导致光伏板热量不得释放而升温，这会直接影响光伏组件的功率输出。不同污染物积累造成直接经济损失可达5％到20％不等，大约为20亿人民币到80亿人民币。随着光伏板清洗机器人的改进和发展，可以有效降低经济损失，这将成为未来几十年光伏板清洗的主流，也是大势所趋。
光伏板清洗机器人能够将清洗工作达到预期，其较于同类设备做到了劳动强度小，清洁效率高。在此基础上有些光伏板清洗机器人可以做到无人操作，高效完成作业。它节约了水源也在很大程度上降低了清洗成本，规避了人工清洗和机械清洗的短板。在提倡“绿色、环保”的今日，光伏板清洗机器人的出现是站在了最前线，也为日后有效利用太阳能做出了贡献。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外现状
对于重工业国家也就是欧洲、美国而言，首先他们将太阳能转化为电能的技术已经是炉火纯青了，同样配套设施如光伏板、光伏板清洗技术也是名列前茅。根据资料显示他们在这方面想到了在光伏板上能够产生的静电，因此会有许多灰尘覆盖，这是所没有思考到的问题[7]。而他们在清洗光伏板时，也是使用的机械清洗和人为清洗两种方式，但还是机械清洗为主，人为清洗为辅。机械清洗由于其本身具有多种清洗零件，使得其比人为清洗效率高，清洗范围广，不易造成对光伏板的损伤，也是欧美清洗光伏板的主流[8]。
美国波士顿大学于2009年和东北大学共同研发出一种光电式清洁机器人，名叫 PVCleaner Robot V1.0。光电式清洗机器人主体是电动脚踏车，人为可以操纵它在光伏板表面上下移动。这款清洗机器人不仅做到了清洗光伏板，也可以为光伏板提供部分动力，目前最有效的一种光伏板清洗机器人在光电设备的应用[8]。
日本有家公司也研制出了一种清洗机器人，而此机器人也是世界上首款不需要水就可以清洗光伏板的机器人，它体型较为轻便，而且具有长续航的能力。在恶劣环境如大风大雨以及干旱的沙漠环境下也可以工作。它的清洁能力也是不亚于欧美的机械清洗[9]。
而在日本的无水清洗机器人之后以色列一家公司公司紧随其后也研制出了一种不需要水就可以清洗光伏板的机器人。此类清洗机器人适用更为精确和合理，主要用于太阳能发电站。但较为可惜的是它只能适用于清洗光伏设备的零件，但由于其特殊的清洗结构于是便有了高效率的清洗模式，清除灰尘也是一流。
1.2.2 国内现状
国内光伏板清洗机器人也崭露头脚，目前比较著名的就是重庆一家公司中国已有光电板清洁装置问世。目前对于像西藏、新疆、甘肃部分等较为缺水的地方目前并不能补充足够多的水源来完成清洗任务。于此同时虽然清洗设备安装轮胎较为西方国家灵活，但是位于路面崎岖的地方作业其自身也就丧失了稳定性，取而代之的是作业时较为颠簸，而颠簸会给光伏板造成一些不必要的损伤，严重的可能使光伏板表面出现裂纹而极大的削弱光伏板的工作效率[9]。除重庆公司生产的光伏板清洗机器人之外，上海公司也研发出了以吸引力为主导的“保利”机器人。其主要是以吸盘的吸力进行作业，原理是通过吸盘的吸光伏板的一边而后释放进行清洗光伏板任务的，这就显示出它明显的一个短板，配套设备之间交替完成任务，做不到充分利用每一个零部件，因此此设备的清洗速度较先前重庆公司研发的较慢，不能够达到既定的清洗速度[10]。
1.2.3 文献综述
光伏清洗机器人是一种能够实现智能清洗光伏板的新型设备。其工艺流程主要包括电源、控制模块、信息采集模块和运动模块。机械机构和结构计算和设计以及动力源及驱动系统的设计是机器人的重要组成部分。在动力源的选择方面，直流电机被广泛采用。电气控制系统是机器人的核心，采用单片机进行控制，主要作用于机器人的驱动、定位和清洗等部位。检测系统是为了保证机器人能够正确行动而设计的。虚拟样机装配与仿真可以帮助设计者进行机器人的虚拟装配和仿真测试，从而优化机器人的设计方案。目前，国内外对光伏清洗机器人的研究主要集中在其整体工艺分析、机械结构设计、动力源选取、控制系统设计和检测系统设计等方面。通过对这些研究的整合和总结，可以为光伏清洗机器人的设计和应用提供重要的学术支持。
1.3 课题的研究内容与论文框架
1.3.1 课题的研究内容
（1）整体工艺分析
此工艺流程主要分为电源、控制模块、信息采集模块及运动模块。电源提供机器人所需的电力，控制模块负责控制机器人的运行，信息采集模块负责采集环境信息以指导机器人的工作，而运动模块则控制机器人的移动和清洗操作。这些模块密切协作，确保机器人能够高效准确地完成清洗任务。
（2）机械机构和结构的计算与设计
光伏清洗机器人的机械结构设计是其核心之一。机械结构设计包括从机器人总体结构、机械部件的选型和布局、机械参数的计算等方面进行设计。在机械参数计算方面，需要对机器人各部件的负载、运动速度和加速度等参数进行计算，以确保机器人的可靠性和稳定性。此外，机械结构设计还需要考虑机器人的尺寸和重量等因素，以便于机器人在操作时能够稳定、高效地运行。
（3）电气控制系统设计
这一部分包括硬件选型、接口设计和调试等。需要考虑到机器人的控制精度、稳定性、安全性以及对外部干扰的抗干扰能力。同时，也需要保证控制系统的实时性和可靠性，以确保机器人的正常运行。
1.3.2 论文框架
论文框架如图1.1所示。

图1-1 流程图
2 光伏清洗机器人工艺分析和总体方案设计

2.1 设计目标
本课题围绕着机械行业光伏板清洗机器人展开，目前清洗光伏板存在设备价格昂贵以及危险性较大的人工清洗的现状，应通过市场和技术调研，查阅相关文献，在认真分析光伏板机器人的生产工艺流程基础上，综合运用所学过的基础理论知识，提出一种可实施的设计方案，以提高光伏板清洗机器人的生产质量和效率，降低设备的价格和规避现存人工清洗伴随危险系数。最终确保机器人足够高效地清洁光伏板表面，提高清洁作业的速度和效率；设计人员配备高度的自主化能力，能够完成清洁任务的全部过程，减少人工干预和操作；确保机器人在清洗过程中能够精确定位和控制清洗工具，以保证清洗度的准确和一致性。器人的运动轨迹和运动应用具有稳定性，以防免对光伏板造成损伤或损坏清洁效果不佳。
因光伏板所处地理环境、季节气候等的不同会使其安装角度不一样，本次实验对象为光伏组件采用45°到90°倾角，尺寸为100×50CM。同时因为光伏组件之间会存在20mm的高度差，机器人也需要克服这个困难。

图2-1 光伏板清洗机器人
2.2 光伏板清洗机器人工艺分析
首先，通过确定位置系统确定光伏板的位置，以方便机器人能足够确定位置和计划清洁路径。然后，机器人利用喷水系统和刷子对光伏板表面进行清洁，去除积尘、污垢和其他杂质。清洁过程中，机器人采用往复清洗的方式，以覆膜整光伏板表面并提供高清洗效果。在清洗过程中，机器人会伴随清洗进行表面检测，确保清洁质量达到预期标准。整个清洁工艺的自动化和精度足以提供高清洁效率和清洁质量，减少工人操作和提供高光伏板的性能和寿命。

图2-2 工艺流程分析
定位与导航系统在光伏板清洁器人中的使用非常重要，可以使用光电传感器等多种技术来实现精确定位和导航。确定位置与导航系统使用感应器和算法来确定光伏板的位置和尺寸，并规划机器人的清洁路径。其中，光电传感器是一种常用的传感器类型，可用于感知光伏板的位置和周围环境。通过光电传感器，机器可以确定光伏板的边界和位置，并将这些信息传送给导航算法。导航算法根据光伏板的位置和尺寸，执行相应的操作。它可以提供准确的位置和距离信息，在相应操作中可以快速的响应，并指导机器人做出相应的运动。

图2-3 传感器
2.3 光伏板清洗机器人组成部件
组成由集尘箱、光电传感器、直流无刷电机、直列滚刷、电池块组成。工作时无需人工干预，仅需将其放置于光伏板表面，可在整列光伏板上自主移动、跨板，同时无死角地完成整列光伏板的清洁。
由单片机控制清洁机器人自动寻边、纠偏、加速、减速和躲避障碍，有完全的自适应轨迹规划功能。在清洁过程中直列滚刷含可将质量较重的沙粒和灰尘落在集尘箱底部，较细的微尘在透过集尘箱四周的收尘布时被捕集附着于收尘布中，从而完成清扫和灰尘收集，并且防止二次污染。
底盘是该机器人的核心组成部分，电池横块采用18650锂离子电池作为电源，单片机、伺服电机和光电传感器构成运行控制系统。2组直列滚刷在底盘下侧围成半封闭负压腔，可以使得机器人稳定贴附于光伏板表面，双刷清洁部件左右两侧安装伺服电机
2.4 光伏板清洗机器人工作原理
光伏板清洗机器人是一款以自动化为主导的机器人，主要用于清洗光伏板，其工作原理如下：
机器人本身具有上下左右4个传感器，将机器人放于光伏板表面左下角除，此时右边传感器与上边传感器感应到没有障碍物，于是开始向上运动。当机器人运动到光伏板表面顶端时，上传感器感应到有障碍物，于是右边传感器像右运动一秒，而后下传感器感应下方无阻碍于是向下开始运动。运动之光伏板表面低端时，下端传感器感应到有阻碍，于是使右侧传感器作出反应并向右移动一秒，而后上端传感器无阻碍于是向上运动，以此类推做往复运动。当机器人分别经过一次光伏板表面右上和右下角，即完成了整个光伏板的清洗工作时，机器人位于光伏板右上或右下角，此时上下传感器各感应一次，而右侧传感器则一直感应，此时完成清洗任务。

图2-4 工作原理图

3 光伏板清洗机器人机械设计

3.1 机械系统组成
光伏板清洗机器人的机械系统主要由以下几个部分组成:
底盘：机器人的框架，用于支持和固定其他零件，保证整个系统的结构牢固和平稳运行。
行走装置：机器人的行走和引导部分，用于在光伏板表面移动和定位。行走装置为行走轮以现实机器人的移动功能，确保机器人能够在光伏板表面进行移动。
清洗系统：包括滚刷、挡尘板、吸尘器口等组成，用于清水在光波面板表面进行清洗。能够提供稳定的清洗，以有效清除污垢和杂质。
定位与导航系统：用于确定光伏板的位置。提供导航和路径规划功能，确保机器人按照预定轨迹进行清洗。
控制系统：用于控制机器人的运动和清洁操作，以现实机器人的自动化控制和监控，确保清洗过程的准确性和效率。
3.2 清洗装置设计
清洁机构主要由清洁刷和固定件构成。清洁刷固定在传动轴上，由行走电机同时驱动，旋转方向与行走方向相反。经多次试验，最终确定其具体的结构及材料组成。
滚刷是由滚筒、刷毛、转轴等部分所构成，滚刷可分成螺旋滚刷和直列滚刷，将滚轮上刷毛都沿滚轮圆周方向成螺线排布的滚刷涂叫做螺旋滚刷，将滚轮的各列刷毛都沿滚筒轴心线方向成平行排布的称为直列滚刷。在任何时候，一排刷毛与地板接触并发生变形，假定刷毛处于静态状态，其运动是通过接触和空气阻力相关的力来计算的。为了有效的清洁和收集污垢和碎片，刷毛必须遵循基于大变形的非线性梁理论。清洗装置中最重要的还有吸尘器口。

图3-1 吸尘器口
清洗系统还需要考虑到机器人的加速度和制动距离等因素。这些参数的计算公式如下：
加速度（m/s^2）= 最大速度（m/s）/ 加速时间（s） （3-1）
其中，加速时间是机器人从静止状态加速到最大速度所需的时间，可以根据机器人的设计参数和运动学参数进行估算。
制动距离（m）= 最大速度（m/s）^2 /（2 × 制动加速度） （3-2）
其中，制动加速度是机器人在制动过程中所能承受的最大加速度，可以根据机器人的设计参数和材料参数确定。
机器人的最大速度为4.47m/s，加速时间为3秒，制动加速度为2m/s^2，则机器人的加速度和制动距离计算结果如下：
加速度（m/s^2）= 4.47m/s / 3s ≈ 1.49m/s^2 （3-3）
制动距离（m）= (4.47m/s)^2 / (2 × 2m/s^2) ≈ 9.99m （3-4）
在控制模块设计中，需要选择适合机器人最大速度、加速度和制动距离的控制器和执行器，以确保机器人在工作过程中能够稳定、可靠地运行。
3.3 行走结构系统设计
此清洗机器人的行走方式为轮式行走，行走装置由底盈支架、直流有刷电机、滚刷、行走车轮等构成，行走装置相当于汽车的车架，其他部件都在行走装置上定位、组装，采用优质铝合金板作为支架的材料，通过铆接的方式构成框架，使轻量化和刚性同时得到兼顾。主、副行走轮。设计的光伏清洗机器人来用外径为12 cm，内径为3cm的行走轮，行走轮外表为弹性橡胶，能防雨水侵蚀和空气氧化。行走机在运动时，主副行走轮能为机身提供弹性支持力，使机器人能紧紧爬附在光伏电池板上。

图3-1 行走轮
行走结构设计其主要作用是控制机器人的运动，包括机器人的移动、转向、抬升等。在运动模块设计中，需要考虑到机器人的机械结构、电气控制系统等因素。一个重要的参数是机器人的转向半径。机器人的转向半径可以通过计算机器人的转向参数来确定。机器人的转向参数包括轮距、轮径、前后轮距等。在机器人的运动模块设计中，需要根据机器人的设计参数和转向参数，确定机器人的转向半径，以确保机器人能够在狭小的空间内灵活、精确地运动。
机器人的转向半径计算公式如下：
转向半径（R）= 车轮轨距（W）/ 2 + （车轮轨距（W）/ 2）^2 / 转向角度（θ）× tan(π/2 - θ/2) （3-5）
其中，车轮轨距是机器人前后轮的距离，可以根据机器人的设计参数确定；转向角度是机器人在转向过程中的角度，可以根据机器人的设计参数和控制算法确定。
机器人的轮距为1m，转向角度为30度，则机器人的转向半径计算结果如下：
转向半径（R）= 1m/2 + (1m/2)^2 / 30度 × tan(π/2 - 30度/2) ≈ 1.6m （3-6）
3.4 机械结构设计与计算
机械结构设计是光伏板清洗机器人设计的重要部分之一，其主要作用是实现机器人的运动和清洗功能。在机械结构设计中，需要考虑到机器人的结构强度、稳定性和重量等因素。一个重要的参数是机器人的载荷能力。机器人的载荷能力可以通过计算机器人的结构强度来确定。机器人的结构强度包括机器人的受力情况、材料的强度和刚度等因素。在机器人的机械结构设计中，需要根据机器人的设计参数和结构强度要求，确定机器人的结构材料和尺寸，以确保机器人能够承受运动和清洗过程中的载荷。
机器人的结构强度计算公式如下：
受力情况（F）= 载荷重量 + 机器人本身重量 （3-7）
材料的强度和刚度（S）= 材料的屈服强度或破坏强度 + 刚度系数 （3-8）
结构强度（P）= 受力情况（F）× 材料的强度和刚度（S） （3-9）

图3-2 结构设计

图3-3 样机
机器人需要承载的载荷重量为10kg，机器人本身重量为5kg，所选材料的屈服强度为100MPa，刚度系数为10GPa，则机器人的结构强度计算结果如下：
受力情况（F）= 10kg + 5kg = 15kg （3-8）
材料的强度和刚度（S）= 100MPa + 10GPa = 10.1GPa （3-9）
结构强度（P）= 15kg × 10.1GPa ≈ 151.5kPa (3-10)
其主要作用是分析机器人的运动特性，包括速度、加速度、运动轨迹等。在运动学分析中，需要考虑到机器人的机械结构、控制算法和运动参数等因素。一个重要的参数是机器人的速度。机器人的速度可以通过计算机器人的运动参数来确定。机器人的运动参数包括机器人的速度、加速度、角速度、角加速度等。在机器人的运动学分析中，需要根据机器人的设计参数和控制算法，确定机器人的运动参数，以确保机器人能够在运动过程中稳定、快速地运动。
机器人的速度计算公式如下:
速度（V）= 直线速度（Vl）+ 旋转半径（R）× 角速度（ω） （3-11）
其中，直线速度是机器人直线运动的速度，可以通过机器人的设计参数和控制算法确定；旋转半径是机器人的转向半径，可以通过运动模块设计中计算得到；角速度是机器人的角速度，可以通过机器人的设计参数和控制算法确定。
机器人直线速度为0.5m/s，旋转半径为1.6m，角速度为1rad/s，则机器人的速度计算结果如下：
速度（V）= 0.5m/s + 1.6m × 1rad/s ≈ 2.1m/s （3-12）
在运动学分析中，需要根据机器人的运动参数来确定机器人的速度和运动轨迹，以实现对机器人运动的精确控制。同时，还需要对控制算法和运动参数进行优化和调整，以提高机器人的运动性能和稳定性。

4 光伏板清洗机器人伺服驱动系统设计
4.1 伺服系统组成
伺服系统又称随动系统，主要由伺服电机与驱动器组成。伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统，主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理。
4.2 电机选型
针对基于光伏板清洗机器人的研究与仿真，设计电机选型的具体表格参数如下：
表4-1 电机选型的具体表格参数
参数 数值
额定电压 24V
额定功率 100W
额定转速 3000 rpm
额定扭矩 0.32 Nm
电机类型 欧姆龙R7M
驱动方式 直接驱动
电机控制方式 PWM调速

图4-1 欧姆龙R7M电机
分析表4.1参数，额定电压：选择合适的额定电压可以保证电机正常工作，同时也要考虑电机的使用环境和电源供应情况。额定功率：根据清洗机器人的工作需求，选择合适的额定功率可以满足清洗机器人的运行需要，同时也要考虑电机的能耗。额定转速：清洗机器人的清洗效果与转速有关，选择合适的额定转速可以保证机器人的清洗效果。额定扭矩：选择合适的额定扭矩可以保证机器人在清洗时的力度和效果。电机类型：无刷直流电机具有体积小、重量轻、转速范围广等优点，适合清洗机器人的应用。驱动方式：直接驱动方式可以提高清洗机器人的响应速度和控制精度。电机控制方式：采用PWM调速可以实现电机转速的精确控制，满足不同清洗任务的要求。电机参数设计是机器人设计的重要部分之一，其主要作用是确定机器人所选电机的参数，以确保机器人能够在运行过程中具有良好的性能和可靠性。在电机参数设计中，需要考虑到机器人的工作环境、功率需求和运动参数等因素。

图4-2 电池板系统
一个重要的参数是机器人所选电机的额定功率。电机的额定功率是电机能够输出的最大功率，可以通过计算机器人的功率需求和电机的效率来确定。在机器人的电机参数设计中，需要根据机器人的设计参数和功率需求，确定机器人所选电机的额定功率，以确保机器人能够在运行过程中满足功率需求。
机器人所选电机的额定功率计算公式如下：
额定功率（P）= 功率需求（Pe）÷ 电机效率（η） （4-1）
其中，功率需求是机器人所需要的功率，可以根据机器人的设计参数和清洗需求确定；电机效率是电机的效率，可以通过电机厂商提供的数据或实验测定得到。
机器人的功率需求为500W，电机的效率为0.85，则机器人所选电机的额定功率计算结果如下：
额定功率（P）= 500W ÷ 0.85 = 588.2W （4-2）
在机器人的电机参数设计中，需要根据机器人的功率需求和电机的效率，来确定机器人所选电机的额定功率，以保证机器人能够在运行过程中满足功率需求和具有良好的性能和可靠性。
4.3 驱动系统设计
驱动系统设计是机器人设计的重要部分之一，其主要作用是确定机器人所选的驱动器和控制器，以确保机器人能够在运行过程中具有良好的性能和可靠性。在驱动系统设计中，需要考虑到机器人的功率需求、控制精度和驱动器的效率等因素。一个重要的参数是机器人所选驱动器的额定电流。驱动器的额定电流是驱动器能够输出的最大电流，可以通过计算机器人的功率需求和电机的额定电压来确定。在机器人的驱动系统设计中，根据机器人的设计参数和功率需求，确定机器人所选驱动器的额定电流，以确保机器人能够在运行过程中满足电流需求。
机器人所选驱动器的额定电流计算公式如下：
额定电流（I）= 额定功率（P）÷ 电机额定电压（V） （4-3）
其中，额定功率是机器人所选电机的额定功率，可以通过电机参数设计中的计算公式计算得到；电机额定电压是机器人所选电机的额定电压，可以通过电机的参数手册或电机厂商提供的数据得到。机器人所选电机的额定功率为600W，额定电压为24V，则机器人所选驱动器的额定电流计算结果如下：
额定电流（I）= 600W ÷ 24V ≈ 25A （4-4）
因此机器人的驱动系统可以选择直流无刷电机。使用行走轮作为传动装置，通过与光伏板接触并提供牵引力，实现代机器人在表面上的移动。这种轮胎工具具有良好的抓地力和摩擦力，以确保机器人在清洗过程中的稳定性和可靠性。
4.4 主电路图接线

5 光伏板清洗机器人测控系统

5.1 检测系统的组成和原理