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光伏清洁机器人臂架结构设计及其运动控制研究

董奇峰  
【摘要】:光伏发电作为世界清洁能源技术的重要组成部分,已得到越来越多的应用。然而,由于光伏电站多处于生态环境较差的偏远地区,对光伏组件的运维提出了极大的挑战。特别是,光伏板表面的积尘严重影响了光伏组件的发电效率和使用寿命。自走式光伏清洁机器人能适应复杂的路面工况,在大型光伏电站的清洁工作中具有广阔的应用前景。臂架作为自走式光伏清洁机器人必不可少的部件,其结构形式、运动规划以及控制策略已成为该类机器人自主作业领域的重要课题。本文基于实际工程需求,围绕自走式光伏清洁机器人臂架的自主定位、位姿复现、自主回位和动态调整四项自主作业控制,从结构设计、运动规划和控制策略三方面展开研究,并结合现场实验验证所研究内容的可行性,为自走式光伏清洁机器人臂架部分的自主作业开辟了一条新的途径。首先,针对光伏清洁机器人主动悬挂底盘质量较轻、清扫装置质量较重且工作位置较远引起的机身失稳问题,采用将动力站置于臂架旋转平台作为配重的设计理念,对光伏清洁机器人臂架结构进行设计,并对所设计的机械结构进行有限元静态分析和模态分析,验证所设计结构的可靠性。其次,针对自主作业需求,采用D-H法和几何法对光伏清洁机器人臂架进行运动学分析,并结合臂架及清扫装置传感器系统提出臂架自主作业运动控制方案;考虑到臂架作业的运动平顺性和控制要求,采用关节受力较好的五次多项式算法对臂架关节空间进行轨迹规划,将其复杂控制分解为几个单一系统的协同控制问题。再次,针对光伏清洁机器人臂架驱动控制系统的控制需求,建立臂架电液比例阀控马达和阀控缸位置控制系统数学模型,提出了基于PID控制算法的阀控马达和基于模糊PID控制算法的阀控非对称缸控制策略,并结合具体工况分析了系统的响应特性。最后,对光伏清洁机器人臂架自主作业进行实验探究,检查机器人在实际工况中的性能表现。试验结果表明:基于本文所设计臂架结构所提出的自主作业运动控制方案和控制策略,能够完成光伏清洁机器人在光伏电站的自主作业要求。


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