CN109981042A - 一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,包括多旋翼无人机,所述多旋翼无人机包括机架、支臂以及飞控***;所述机架为圆盘形机架,所述支臂从所述机架外周径向伸出,所述支臂上安装有侧旋翼;所述侧旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线垂直;所述机架上面设有多个顶旋翼;所述顶旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线平行;所述机架下面设有由电机驱动旋转的圆形清洁刷。本发明通过飞控***控制侧旋翼和顶旋翼旋转提供动力以驱动机器人在太阳能电池板上移动进行清洁,解决了清洁装置在较高角度倾斜的太阳能电池板上附着和移动难的问题,可随时清理、定点清理且损耗小。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能机器人,特别涉及一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人。
背景技术
目前,太阳能是丰富的可再生能源,具有取之不尽、用之不竭的特点,同时太阳能也是最清洁的绿色能源。太阳能光电站建立后,维护费占运行费用比重极大,而维护费用中占比最多的是光电板的清洁和维护费用。
因为太阳能光场中的太阳能板长期暴露在室外环境中,空气中的灰尘颗粒物、杂质很容易积累在太阳能板表面,在很大程度上造成光场光电转化效率的下降。由此可见,处理应对太阳能板表面积灰是太阳能光场使用推广中面临的重要问题之一。
参阅已有调查研究文献《光伏电站运维过程中清洁技术的经济性分析》(杜萌,对外经济贸易大学商学院),光伏元件的表面积灰是影响太阳能光伏发电***效率的一个重要因素。经清洁处理比较,清洁积灰后,发电效率有较高的提升。而在成本计算环节中,清洁费用不理想,致使在该调查中近半个月产生的经济价值相比发电费用要低,故整体呈现负盈利。
对于太阳能发电站光场,目前的太阳能光场清洁方案主要有人工(用拖布)清理、移动水车清理、高压水枪、定点淋浴清理、压缩空气清理等。这些清理方案以“定期清理”为主,都具有周期长、成本高、损耗大、清洗间隔中仍然流失发电效率等缺点。
目前已有专利中,有固定在太阳能板周边的清扫装置,也有依托在太阳能板两侧架设的导轨的清扫装置。这些方式需要对太阳能光场进行不同程度的改造,成本较高。并且后期维护不方便,装置同时暴露在室外环境中,也会在一定程度上影响装置本身的寿命。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可随时清理、定点清理且损耗小的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,包括多旋翼无人机,所述多旋翼无人机包括机架、支臂以及飞控***;所述机架为圆盘形机架,所述支臂从所述机架外周径向伸出,所述支臂上安装有侧旋翼;所述侧旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线垂直;所述机架上面设有多个顶旋翼;所述顶旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线平行;所述机架下面设有由电机驱动旋转的圆形清洁刷。
进一步地,所述机架下面还沿周向均布三至四个万向轮;所述万向轮位于所述清洁刷的外侧且两者底部平齐。
进一步地,所述机架周向均布四个支臂;每个所述支臂包括主干和两个相对于主干对称布置的分支;所述主干和两个所述分支形成Y字形;所述主干从所述机架外周径向伸出;两个所述分支端部各自安装一个侧旋翼;位于同一所述支臂上的两个所述侧旋翼的旋转轴线夹角为85°~90°。
进一步地,所述机架上面周向均布四个顶旋翼。
进一步地,所述飞控***包括陀螺仪、加速度传感器和GPS定位***;所述陀螺仪用于检测旋转角速度;所述加速度传感器用于测量三轴加速度和重力;所述GPS定位***用于定位所述机架。
进一步地,所述机架上还设有红外线传感器;所述红外线传感器用于测量所述机架与太阳能电池板边缘的距离。
进一步地,所述机架下面还设有无线摄像头;所述无线摄像头拍摄太阳能电池板表面。
进一步地,所述机架设有保护壳,所述飞控***封装在所述保护壳内。
本发明具有的优点和积极效果是:通过侧旋翼和顶旋翼旋转提供动力,解决了清洁装置在较高角度倾斜的太阳能电池板上附着和移动难的问题。由电机驱动旋转的圆环形清洁刷清洁太阳能电池板,使太阳能电池板的清洁轻量化、经常性地进行,可随时清理、定点清理且损耗小。
附图说明
图1是本发明的俯视结构示意图;
图2是本发明的仰视结构示意图;
图3是本发明的内部结构示意图;
图4是本发明的一种飞控***的电气原理框图。
图5是本发明的一种清洁路径示意图。
图中:1、机架;2、支臂;201、前左支臂;202、前右支臂;203、后左支臂;204、后右支臂;3、支臂的分支;301、第一侧旋翼;302、第二侧旋翼;303、第三侧旋翼;304、第四侧旋翼;305、第五侧旋翼;306、第六侧旋翼;307、第七侧旋翼;308、第八侧旋翼;309、第一顶旋翼;310、第二顶旋翼;311、第三顶旋翼;312、第四顶旋翼;4、红外传感器;5、万向轮;6、圆环形清洁刷;7、无线摄像头;8、飞行控制器;9、驱动***;10、加速度传感器;11、通信单元;12、陀螺仪;13、GPS定位***。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹列举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
请参见图1,一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,包括多旋翼无人机,所述多旋翼无人机包括机架1、支臂2以及飞控***;所述机架1为圆盘形机架1,所述支臂2从所述机架1外周径向伸出,所述支臂2上安装有侧旋翼;所述侧旋翼的旋转轴线与所述机架1的中心轴线垂直;所述机架1上面设有多个顶旋翼;所述顶旋翼的旋转轴线与所述机架1的中心轴线平行;所述机架1下面设有由电机驱动旋转的圆形清洁刷6。为了清洁太阳能板表面,在机架1下面安装圆形清洁刷6,通过圆形清洁刷6旋转,清理太阳能电池板表面;圆形清洁刷6可为圆盘形或圆环形。
所述机架1可周向均布四个支臂2;每个所述支臂2可包括主干和两个相对于主干对称布置的分支;所述主干和两个所述分支可形成Y字形;即支臂的分支3以支臂2的主干中心轴线为中心左右对称向外延伸,所述主干从所述机架1外周径向伸出;两个所述分支端部可各自安装一个侧旋翼;每个所述侧旋翼的旋转轴线与所述机架1的中心轴线垂直;位于同一所述支臂2上的两个所述侧旋翼的旋转轴线夹角可为85°~90°。
所述机架1上面可周向均布四个顶旋翼。每个所述顶旋翼可位于所述支臂2上,且所述顶旋翼的旋转轴线可与所述支臂2的主干中心轴线垂直相交。
如图1所示,在机架1上可安装八个侧旋翼及四个顶旋翼,八个侧旋翼可呈井字形分布,侧旋翼旋转推动机器人沿太阳能电池板的表面移动。顶旋翼用于控制机器人飞行至其他光伏阵列进行清洁作业,同时可通过顶旋翼的旋转,用以调整机架1作用在太阳能电池板的力,来提高清洁效果。
所述机架1可周向均布四个支臂2;分别为:前左支臂201、前右支臂202、后左支臂203、后右支臂204。其中:
所述前左支臂201的前侧安装前第三侧旋翼303,其左侧安装第五侧旋翼305,其顶端安装第一顶旋翼309。
所述前右支臂202的前侧安装第四侧旋翼304,其右侧安装第七侧旋翼307,其顶端安装第二顶旋翼310。
所述后左支臂203的后侧安装第一侧旋翼301,其左侧安装第六侧旋翼306,其顶端安装第三顶旋翼311。
所述后右支臂204的后侧安装第二侧旋翼302,其右侧安装第八侧旋翼308,其顶端安装第四顶旋翼312。
请参见图2,所述机架1下面还可沿周向均布三至四个万向轮5;所述万向轮5可位于所述清洁刷6的外侧且两者底部平齐。万向轮5与太阳能电池板接触,并在侧旋翼的推动下,沿太阳能电池板表面移动,万向轮5与太阳能电池板接触的滚动面材质,为橡胶等不损害太阳能电池板的弹性材质。
请参见图3,所述飞控***可包括陀螺仪12、加速度传感器10和GPS定位***13;所述陀螺仪12用于检测旋转角速度;所述加速度传感器10用于测量三轴加速度和重力;所述GPS定位***13用于定位所述机架1。
进一步地,所述机架1上还可四侧设有红外线传感器;所述红外线传感器可用于测量所述机架1与太阳能电池板边缘的距离。
进一步地,所述机架1下面还可设有无线摄像头7;所述无线摄像头7可拍摄太阳能电池板表面。
进一步地,所述机架1可设有保护壳,所述飞控***可封装在所述保护壳内。
为了减低自身的重量,提高续航能力,机架1可采用骨架设计,保证强度并缩减重量。同时机架1可设有圆型保护壳保护飞控***等中心控制部件。
请参见图4,飞控***可包括电源***、检测***、控制***和驱动***9;为了实现自身姿态的稳定,本发明可设有检测***,用于检测机架1的位置、姿态和速度,其中检测***可包括陀螺仪12、加速度传感器10、红外传感器4和GPS定位***13等,控制***可包括飞行控制器8、通信单元11等;驱动***9包括侧旋翼的电机、顶旋翼的电机、清洁刷6的电机,以及对应的电机驱动模块或电机驱动电路。
检测***将检测的信号反馈给飞行控制器8;飞行控制器8通过反馈的信息,采用常规控制方法,输出信号至驱动***9,驱动***9驱动侧旋翼以及顶旋翼的电机工作,控制各个多旋翼的转速及转向,通过对多旋翼的运动控制产生不同方向的动力和力矩,从而控制多旋翼无人机的姿态和行进速度,使多旋翼无人机可以在太阳能板上自由移动。在移动过程中,飞行控制器8输出信号至控制驱动***9,驱动***9驱动清洁刷6的电机工作,清洁刷6旋转清扫,有效清扫区域面积不断叠加,最终完成对太阳能板的清洁。飞行控制器8还可通过通信单元11与远程无人机操控平台通信,接收来自远程控制模块的信号,输出信号控制驱动***9工作。飞行控制器8根据检测的信息或操作人员的指令信息,可以采用常规控制方法调节各个旋翼的转动速度和方向,平衡移动机器人位置。
上述检测装置中的加速度传感器10可选型号为MS9002.D的加速度传感器10、陀螺仪12可选型号为ADXRS290的陀螺仪12,这两者可以用来检测机器人的运动状态,可在机架1四侧各加装型号为GP2Y0A21YK0F的红外传感器4,用于检测机架1与太阳能电池板边缘位置关系;GPS定位***13可选型号为SKM66的GPS模块以及u-blox公司生产的NEO-6M定位芯片,飞行控制器8可采用STM32F4系列等微处理器作为核心处理器;为了减轻重量并提高检测精度,检测***还可采用惯性测量模块MPU6050模块,它集成了3轴MEMS陀螺仪和3轴MEMS加速度计,以及一个可扩展的数字运动处理器DMP,免除了组合陀螺仪12与加速度传感器10的时间轴之差的问题,减少了大量的封装空间。其由三个独立的振动MEMS速率陀螺仪组成,可检测旋转角度X轴,Y轴和Z轴。当陀螺仪12围绕任何感应轴旋转时,科里奥利效应就会产生电容式传感器检测到的振动。所得到的信号被放大,解调和滤波产生与角速度成比例的电压。MPU-6050***可参考产品手册:MPU-6000and MPU-6050Product SpecificationRevision,厂家为InvevSense,说明书出版日期2013年8月19日第39页。通信单元11可包括NRF24L01模块;电源***可采用LM1117-3.3和LM2940-5电源集成电路构成;电机及电机驱动模块可匹配选型,电机驱动模块与电机可成套选用市售产品。
进一步地,所述机架1下面还可设有无线摄像头7;所述无线摄像头7可拍摄太阳能电池板表面。为了更好检测清洁情况,可在机架1的后侧加装一无线摄像头7,可以将清洁后的电池板表面的图像数据传送给飞行控制器8或远程无人机操控平台,由飞行控制器通过图像比对或操作人员检视来确定是否补充清扫。本发明可包括远程无人机操控平台,可通过遥控控制机架1定位清扫,后台人员也可以通过无线摄像头7反馈的图像情况,遥控机架1移动及驻留。
上述检测***中的陀螺仪12、加速度传感器10或者集成的惯性测量模块;以及红外传感器4和GPS定位***13;控制***中的飞行控制器8、通信单元11等;驱动***9中的侧旋翼的电机、顶旋翼的电机、清洁刷6的电机,以及对应的电机驱动模块或电机驱动电路、无线摄像头7、远程控制模块等,这些电气元件或功能部件均可采用市售的产品,采用常规控制电路和常规控制方法,实现各电机的自动启停及正反转。具体的电路连接和控制方法可根据产品说明书、教科书、论文、期刊等公开技术文献,参考已公开的现有技术方案实施。
本发明的工作原理:
本发明的旋翼***,包括侧旋翼和顶旋翼均通过电机驱动旋转,当机器人位于倾斜的太阳能电池板上时;固定在右侧的第七侧旋翼307、第八侧旋翼308与左侧的第五侧旋翼305、第六侧旋翼306配合工作,产生左右方向上的推力,产生的力与机器人重力沿斜面向下的分力相结合,可使机器人沿着倾斜的光伏电池板向左右移动;也可以使各侧旋翼工作,使总体产生的沿斜面向上的力等于机器人重力沿斜面向下的分力,使机器人驻留进行清扫。可以由前侧的第三侧旋翼303、第四侧旋翼304,以及后侧的第一侧旋翼301、第二侧旋翼302配合工作产生前后方向上的推力,使机器人前后移动或驻留。
当产生的沿斜面向上的力大于机器人重力沿斜面向下的分力时,机器人向上移动;当产生的沿斜面向上的力等于机器人重力沿斜面向下的分力时,机架1驻留;当产生的沿斜面向上的力小于机架1重力沿斜面向下的分力时,机器人向下移动。机器人可以由左右两侧的侧旋翼与前后两侧的侧旋翼配合工作左右移动。
机器人移动过程中,电机带动圆形清洁刷67对光伏电池板进行清洁,当单一光伏阵列清洁完毕后,机器人通过第一顶旋翼309、第二顶旋翼310、第三顶旋翼311、第四顶旋翼312,四个顶旋翼旋转产生向上升力升空,飞行至下一光伏阵列进行清洁。
通过飞控***的陀螺仪12、加速度传感器10和GPS定位***13,可以检测机架1的姿态、位置和受力情况;飞控***根据检测的信息,可以采用常规控制方法调节各个旋翼的转动速度和方向,使机架1可以在太阳能电池板上可沿图5的路径移动或驻留清扫。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点,其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施,不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围,即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰,仍落在本发明的专利范围内。
Claims (8)
1.一种基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,包括多旋翼无人机,所述多旋翼无人机包括机架、支臂以及飞控***;其特征在于,所述机架为圆盘形机架,所述支臂从所述机架外周径向伸出,所述支臂上安装有侧旋翼;所述侧旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线垂直;所述机架上面设有多个顶旋翼;所述顶旋翼的旋转轴线与所述机架的中心轴线平行;所述机架下面设有由电机驱动旋转的圆形清洁刷。
2.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架下面还沿周向均布三至四个万向轮;所述万向轮位于所述清洁刷的外侧且两者底部平齐。
3.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架周向均布四个支臂;每个所述支臂包括主干和两个相对于主干对称布置的分支;所述主干和两个所述分支形成Y字形;所述主干从所述机架外周径向伸出;两个所述分支端部各自安装一个侧旋翼;位于同一所述支臂上的两个所述侧旋翼的旋转轴线夹角为85°~90°。
4.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架上面周向均布四个顶旋翼。
5.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述飞控***包括陀螺仪、加速度传感器和GPS定位***;所述陀螺仪用于检测旋转角速度;所述加速度传感器用于测量三轴加速度和重力;所述GPS定位***用于定位所述机架。
6.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架上还设有红外线传感器;所述红外线传感器用于测量所述机架与太阳能电池板边缘的距离。
7.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架下面还设有无线摄像头;所述无线摄像头拍摄太阳能电池板表面。
8.根据权利要求1所述的基于多旋翼的太阳能电池板清洁的智能机器人,其特征在于,所述机架设有保护壳,所述飞控***封装在所述保护壳内。
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