[发明专利]自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人及控制系统

权利要求书

1.一种自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统，其特征在于，所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统包括控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、电源部分、吸附与清扫部分；

所述控制模块根据预先设定路线与传感器采集的反馈信息进行路径修正，向行走驱动模块和清扫部分发送控制信号；

行走驱动模块，包括 H桥电路，通过改变两路输入信号的高低电平以及电平持续时间改变电机运行方向与调整电机速度；

信息采集模块，包括姿态传感器和红外传感器；姿态传感器采集清洁机器人本身的位姿信息，用来修正清洁轨道以及调整机身姿态；红外传感器检测太阳能板边缘，当清洁机器人到达太阳能板边缘时，红外传感器输出信号跳变，控制模块由此信息来进行下一清洁轨道的切换；

电源部分，为系统各个模块进行供电；

吸附与清扫部分，通过接收控制模块的控制信号进行机器人的吸附与稳定；

吸附与清扫部分，包括高速电机和L298驱动器，高速电机运转中，带动离心风扇高速旋转，使得机器人底部与太阳能板之间的空间中产生负压完成机器人的斜面吸附，并且根据陀螺仪的数据调整负压值以满足不同倾斜角下的吸附力，实现清洁机器人的自适应；

清扫部分的鼓风机产生的吸力吸取底层清洁抹布边缘的灰尘与太阳能板上的浮灰进入灰尘收集仓；

控制模块包括：主控STM 32系统，用于处理所有的传感器数据，以及控制整个系统的运行逻辑；

正交编码器，用于获取电机速度以达到准确的运动控制，通过正交编码器获取电机速度并借助STM32内部集成的正交解码单元实现解码；

当电机正向转动时，正交编码器A项输出超前B项输出，正交解码单元的解码器通过相位判断电机运动方向，通过对固定时间内脉冲个数的统计，计算出电机当前的速度；

陀螺仪，用于太阳能板的倾斜角测量与清洁轨道的修正，还用于反馈智能清洁机器人角度将智能清洁机器人机身以及智能清洁机器人姿态进行调整；

光电传感器，检测太阳能板边缘，用于防止机器人跌落；还用于获取太阳能板清洁度的反馈量；

电源部分使用DC/DC模块将锂电池电压降低，为控制模块、行走驱动模块、信息采集模块、吸附与清扫部分供电；

控制模块包括：

主控模块，通过各传感器的采集量对系统进行控制与调整，输出的控制信号通过光耦进行隔离，防止行走驱动模块对主控模块的干扰；

温度检测模块，检测系统的运行温度，高于安全工作温度时，停止工作并报警；

电压电流监控模块，用于欠压报警，过压过流报警和保护；

电源部分包括电量监控模块，实时监测系统电量，设有低电量报警，并且有一定的续航能力，防止智能清洁机器人跌落；

所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人控制系统的控制方法，包括：运行时，通过反复调整机身方向寻找太阳能板左下角，找到左下角之后开始清洁任务；在每一个直线清洁轨道中采用速度环与角度环双环PID算法修正机身位姿；到达上边缘时，机器人开始切换至下一清洁轨道，通过S弯的变轨方式完成轨道切换，在S弯过程中通过检测陀螺仪角度来判断S弯的旋转角度，最终完成轨道切换；具体包括：

硬件的初始化：对STM32核心控制卡和陀螺仪进行参数初始化；

行走控制：直线清扫控制；转弯控制；清扫路径规划控制；

边沿检验：边沿检测传感器检测到边沿时，产生信号触发单片机的外部中断，通过中断通道判断触发中断的对应的传感器，做出不同的应答调整，并通过对边沿的记录与解算来判断是否完成整块太阳能板的清洗，全部完成，则自动寻找并停止在角落；

清扫控制：通过经济模式和强力模式两种模式满足不同环境下、多种使用领域的需求，用户通过手机端控制并随时修改，当机器人监测到边沿时，将自动更新其轨道，执行转弯调整操作，直到检测到已完成整块太阳能板的清扫为止，机器人行进偏离设定轨道，由自身的陀螺仪修正，出现预期之外的情况，机器人自动停止行进，并发出警报告知用户；

采用蓝牙4.0技术在手机端和清洁机器人之间建立通信，通过串口服务和清洁机器人的主控模块进行通信，获取清洁机器人的电量、运行状态、工作环境的温度、吸附部分和外部环境的压强差信息；

所述控制方法进一步包括数据校验策略，包括：（1）每次接收相同长度的字符串，通过检测字符串长度、起始位和结束位来判断数据的准确性；

（2）对变化频率较低的数据如电量、温度信息，采用短时间内大量接收取均值的方案减小数据非正常波动；

（3）数据发送采用等长的包含控制信号的字符串和结束信号的数据结构，清洁机器人的主控模块只有在接收到控制指令并检测到结束信号时执行接收到的指令；

对接收的字符串进行解析之后，提取出相应位置的字符串进行数据类型的变化和格式的变化，构造出在应用的显示模块正确显示的字符串并有用户界面线程显示对应的数据，若检测到故障以及低电量的信号时在客户端报警提醒用户；

硬件的初始化进一步包括：

状态监控：通过系统提供的人机界面，控制模块与手机端建立通信，将自身的状态全部传输；

自动清扫：清洁机器人上电之后，检测到太阳能板自动开启工作；系统默认强力模式，对太阳能板进行强力清扫；

手动调整：清洁机器人通过手机端发送开启与停止、修改路径命令执行相应模式；

直线清扫控制包括：通过初始的摆放位置确定行进的方向，结合陀螺仪的角度信息和编码器信息，采用增量式PID算法实时控制电机速度进行调整和修正，沿设定方向行进，实现直线清扫；

转弯控制包括：检测到边沿后以转弯形式调整到下一轨道，转弯过程中，设定左右履带差速控制，结合陀螺仪闭环控制，转至任意设定角度；

清扫路径规划控制包括：经济模式清扫方案、强力模式清扫方案。

2.一种实施权利要求1所述控制系统中控制方法的自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人，其特征在于，所述自适应太阳能光伏发电设备智能清洁机器人包括：

吸尘结构，包括涡轮风扇和灰尘轨道，涡轮风扇包括灰尘吸附风机；灰尘轨道包括：灰尘吸附通道；

吸尘位置在智能清洁机器人前后，顶部涡轮风扇产生强吸附力，通过灰尘轨道将灰尘吸附并收集在灰尘仓；

吸尘结构灰外围分布毛刷，清洁机器人行走时推动毛刷将灰尘刷起，灰尘收集装置将浮灰吸收，纤维抹布将残留灰尘进行擦除；

底部采用履带式移动机构，用于增大摩擦力；

外壳四周用于装载红外对管，用于边沿检测，清洁机器人检测到太阳能板边沿后立即停止；

灰尘收集装置固定灰尘收集仓处。