一种基于物联网的光伏巡检机器人
技术领域
本发明属于光伏巡检技术领域，具体涉及一种基于物联网的光伏巡检机器人。
背景技术
在清洗方面，光伏电站的太阳能电池板以阵列的形式露天倾斜安装，大气中的砂粒、灰尘、杂物和一些腐蚀物质很容易附着在其表面。尤其是在干旱、多风及植被稀少的荒漠化地区，四周便会在电池板上盖满沙尘，严重影响其光电转换效率，甚至损坏电池板，因此，定期或适时对太阳能电池板进行清洁就成为光伏电站日常运行维护中必不可少的重要环节。
国内大型光伏电站对太阳能电池板的清洁维护仍主要采用人工冲水清洗的方式。对于地处干旱荒漠的大规模光伏电站而言，该方式凸显出耗水严重、效率低、成本高的缺点。
同时在巡检方面，阳能光伏发电系统主要分集中式和分布式，集中式电站一般占地面积广，大多建在我国西北部和一些偏远地区，自然环境较为恶劣；分布式电站一般建在屋顶、大棚和大面积水池上。这些光伏电站并网后带来了大量的运营维护压力，如常规设备检测、光伏板巡检等；传统运维方式采用的是人工巡检，效率低，而且大多依据运维人员经验来判别设备故障，极易产生偏差 ；在偏远地区恶劣的自然环境下，光伏电站巡检工作是十分困难和危险的 ；对于农光互补、渔光互补、屋顶电站等光伏区，传统的人工巡检已不能满足需求，无法实现安全高效的光伏巡检目的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于物联网的光伏巡检机器人，在清洗的过程中完成巡检的任务，提高工作效率。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于物联网的光伏巡检机器人，其特征在于：本机器人包括车体，车体底部安装有行走机构，车体顶部设有清洗机构；车体前部和侧向安装有传感器组，用于障碍物识别、污渍识别和破损识别；
车体设有内腔，内腔中设有供能模块、控制模块、通信模块、行走驱动模块和清洗驱动模块；供能模块用于为传感器组、控制模块、通信模块、行走驱动模块和清洗驱动模块供电；控制模块根据传感器组采集的数据识别障碍物，并根据识别结果和/或通过通信模块接收的指令，通过行走驱动模块驱动行走机构、通过清洗驱动模块驱动清洗机构。
按上述方案，所述的传感器组包括红外光电传感器、热敏相机和超声波传感器；其中，车体前部和两侧均设有红外光电传感器，热敏相机和超声波传感器均设置在车体前部。
按上述方案，控制模块具体通过热敏相机识别光伏电池上的污渍，通过红外光电传感器识别光伏电池的向阳面和向阴面，通过超声波传感器识别障碍物。
按上述方案，所述的控制模块按预设的路线通过行走驱动模块驱动行走机构在待清洁光伏电池上行驶；当超声波传感器感受到障碍物时，控制模块控制行走驱动模块停止或绕行。
按上述方案，所述的清洗机构包括设置在车体顶部的清洁毛刷，所述的清洗驱动模块包括电机，电机的输出端通过旋转凸台和摇杆与清洁毛刷背部连接，用于调整清洁毛刷的方向使得清洁毛刷与待清洁光伏电池接触；内腔中还设有水箱、水泵和水管，水泵由所述的控制模块控制从水箱抽水通过水管到达清洁毛刷。
按上述方案，当红外光电传感器识别光伏电池的向阳面和向阴面，控制模块通过驱动电机控制旋转凸台，使得清洁毛刷转向向阴面，并通过驱动电机控制摇杆的伸缩角度，使得清洁毛刷与待清洁光伏电池接触和移动；然后开启水泵，沾水的清洁毛刷在移动下对待清洁光伏电池擦洗。
按上述方案，所述的通信模块远程连接手持终端或PC端，所述的控制模块设有自动模式和手动模式；在自动模式下，按照预设的程序进行巡检和清洗；在手动模式下，远程发送传感器组采集的数据，并远程接收手持终端或PCT端的指令进行巡检和清洗。
按上述方案，所述的传感器组包括指南针九轴传感器，机器人清洗完一列后，通过指南针九轴传感器自动旋转90度，进入下一列光伏电池进行清洗。
按上述方案，所述的供能模块为蓄电池，所述的车体顶部还设有太阳能电池板，太阳能电池板的输出端与蓄电池连接。
按上述方案，所述的行走机构为履带。
本发明的有益效果为：通过将巡检所需的设备和清洗所需的设备融为一体，并通过物联网与远程端连接，从而实现巡检加清洗一次实现的功能，同时能够远程实时监控光伏电池的破损情况，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明实施例中机器人未工作状态前视图。
图2是本发明实施例中机器人未工作状态俯视图。
图3是本发明实施例中机器人未工作状态侧式图。
图4是本发明实施例中机器人未工作状态轴测图。
图5是本发明实施例中机器人工作状态轴测图。
图6是本发明实施例中系统框图；其中（a）为自动模式，（b）为手动模式。
图7是本发明实施例中的控制电路图。
图8是本发明实施例中的电源电路图。
图9是本发明实施例中的继电器控制电路图。
图10是本发明实施例中的红外控制电路图。
图11是本发明实施例中的指南针导向电路图。
图中，1-热敏相机，2-超声波传感器，3-侧翼红外光电传感器，4-太阳能电池板，5-前端红外光电传感器，6-履带，7-清洁毛刷，8-车体，9-输水管，10-伸缩推杆，11-中间摇杆，12-旋转凸台。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
参照图1~图7所示，一种基于物联网的光伏巡检机器人，包括车体8，所述车体8中间位置分别安装有供能模块、清洁模块、传感模块，两侧安装有侧翼红外光电传感器3及热敏相机1，前部安装有前端红外光电传感器5及超声波传感器2，用以避障，底部安装有履带6车轮增强车辆的越障性能。内部安装有无线通信模块、蓝牙模块、陀螺仪，用户可以通过手机APP无线操控巡检机器人执行任务。
进一步地，供能模块为蓄电池，车体8顶部还设有太阳能电池板4。
进一步地，清洁模块由清洁毛刷7、水箱、水泵、输水管9、伸缩杆10、旋转凸台12、中间摇杆11组成。清洁模块处于关闭状态时，清洁毛刷7与车体8上平面处于同一平面，旋转凸台12底端由一号步进电机驱动，实现360°旋转，另一端通孔内径与中间摇杆11凸起的外径相等，两者嵌套相连，且由二号步进电机驱动摇摆。
进一步地，清洁毛刷7中间设有通孔，通孔与输水管9相连，水泵由水箱抽出的水经有输水管9再由清洁毛刷7中央通孔喷射而出，实现冲水清洗的目的。
进一步地，伸缩杆一端与清洁毛刷7相连，另一端与中间摇杆11相连，两个铰接处各有舵机，四号步进电机驱动，实现清洁毛刷7的伸长与角度旋转。实现清洁毛刷7的各种角度清洁及洗刷长度要求。在算法驱动下，光伏巡检清洗机器人会根据设定好的路线沿直线在光伏阵列的中间行驶，当侧翼红外光电传感器3感应到光伏板向阳面时，旋转凸台12转向对应一面，继电器开启水泵上电，开始清洗工作。清洗同时，清洁毛刷7可上下左右运动，达到全范围清洗。
进一步地，机器人前端安装的前端红外光电传感器5利用红外线避障，超声波传感器2通过超声波避障。在遇到障碍物等危险问题时能够及时处理。可利用数学建模以及运动物理学的相关知识实现控制代码的优化，使得机器人的稳定性，协调性达到最佳。考虑到光伏电池有污渍的地方反射光强会有所不同，故使用热敏相机1来准确识别光伏电池板上的污渍。
本发明的工作原理：
本装置首先处于关机模式，打开开关之后，供电模块开始给系统供电。中央处理模块开始初始化各个传感器和模块。初始化完成之后，通过WiFi模块主动发送系统的运行状态。之后工作人员可通过APP来选择机器人的工作模式，工作模式包括手动模式及自动模式。选择模式之后，机器人开始运行，热敏相机1、侧翼红外光电传感器3等传感模块设备开始采集光伏板面信息，并实时将识别到的信息传送给后台。系统底盘采用履带式6，即满足机器可适应复杂路面，又可增大与地面摩擦力，使机器稳定沿直线运行。系统采用太阳能电池板4与锂电池双重供电，节约成本。在算法驱动下，光伏巡检清洗机器人会根据设定好的路线沿直线在光伏阵列的中间行驶，机器人前端安装有超声波传感器2，当光伏巡检清洗机器人前方有人或者动物时，机器人会暂停工作，躲避障碍物。左右两侧设有光电红外传感器3，当光电红外传感器3感应到光伏板向阳面时，旋转凸台12转向对应一面，在多台步进电机驱动下，旋转凸台12对应到需要清洗的方位，同时中间摇杆11转动，伸缩杆10伸长，使得清洁毛刷7到达合适位置，继电器开启水泵上电，水由输水管9运送从清洁毛刷7中央通孔处喷射，冲洗污渍，之后清洁毛刷对光伏板面进行擦拭清洁。清洗同时，清洁毛刷7可上下左右运动，达到全范围清洗。工作人员可通过手机APP远程控制光伏巡检清洗机器人对光伏矩阵进行清洗与巡检工作。工作人员通过控制机器人速度与方向，清洗时间，以及清洗、巡检的角度以实现清洗、巡检的自由性，便捷性。同时自动模式与远程控制模式可根据实际情况由工作人员进行切换。清洗一周期后，机器人继续前行。
机器人清洗完一列后，系统通过指南针九轴传感器自动旋转90°后，进入下一列光伏矩阵进行清洗。如此，我们的系统可实现无人智能化清洗同时比目前的清洗车更节约用水，清洗效果更好。
机器人在行驶时，系统通过图像识别模块，采集光伏板面的图像信息，并实时传输到电脑PC端，光伏板面有任何破损或异物都会及时标记出来。
如此，将大幅缩减光伏电站巡检所需人数及巡检时间，节省人力运维成本，有效提高电站巡检效率与精确性，降低日常巡防工作经济支出。通过减少人工支出和日常巡检设备费用支出及管理支出，有效减少企业负担，节约人工成本及设备维护成本。
硬件设计
如图7所示，STM32系列是基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的ARM Cortex-M3内核的微控制器。本设计采用的是STM32F103型号，属于中等容量增强型，32位基于ARM核心的带128K字节闪存的微控制器，拥有强大的硬件资源：USB，CAN，7个定时器，2个ADC，9个通信接口。最高72MHZ的工作频率。
如图8所示，由于机器人采用12 V锂电池供电，所以需要电平转换来给STM32供电。本系统采用的是LM2596是稳压芯片。DC_IN是接直流电源，电压输入范围是6~24 V。可以将输入的电压转换成5 V电压。其中D4防止电源反接的二极管。
在系统工作时，由于集成的继电器、指南针传感器、光电红外传感器工作范围是0~5 V，而主控芯片STM32F103的ADC电压范围为2.0V-3.6V，所以本系统需要进行电平转换，将5 V变为3.3 V后，以保证主控系统的ADC正常工作。
5 V转3.3 V最常用且简单的方法就是电阻分压法。5 V电平经一个1.6 k电阻和一个3.3 k电阻分压，此时分出的电压就是3.3 V。
另一种方法就是使用电平转换芯片。因此在本系统中，我们采用的是AMS1117作为电平转换芯片。电容是为了滤掉纹波。
如图9所示，继电器电路采用5V电压供电，系统设计，当红外光电传感器感应到光伏板时，继电器高电平输出吸合。
继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须进行扩流，即驱动。
我们电路采用用NPN型三极管驱动继电器，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。当输入为0V时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器释放（OFF）；相反，当输入为+VCC时，三极管饱和，继电器线圈有相当的电流流过，则继电器吸合（ON）。
如图10所示，检测部分利用红外发射管发射红外光，遇障碍物后经反射被红外接受管接收，产生电平转换，利用单片机I/O口检测红外检测模块电平输出，以此判断前方障碍物有无，检测到障碍物后，经单片机I/O口控制电机驱动电路，经由电机驱动电路输出不同电压，产生差速，实现转向，最终以达到避障的目标。
如图11所示，机器人通过指南针导向，实现无限次S型转弯，转弯角度精确到90°。JY-901系列模块集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。模块内部集成了姿态解算器，配合动态卡尔曼滤波算法，能够在动态环境下准确输出模块的当前姿态，姿态测量精度0.01度，稳定性极高，性能甚至优于某些专业的倾角仪!
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
