3D感知在光伏清洁机器人中的应用

光伏电站在运行一段时间之后，光伏板上通常会有积灰和其他赃物，不及时清洁会导致发电效率下降，还可能形成热斑，缩短光伏板的使用寿命。因此，需要定期对光伏板进行清洁。当前主要的清洁方式是人工水洗，这种方式需要消耗大量的淡水，成本高。最近几年以来，清洁机器人在这一领域逐步得到了应用。

清洁机器人一般采用干洗的方式。作业时，机器人的滚轮贴合在光伏板的铝合金边框上行驶，同时用旋转的滚刷将光伏板上的积灰清扫掉，如下图所示。这种无水的清扫方式逐步得到了市场的认可。

这种清扫方式想要大规模使用，还需要解决跨板作业的问题。光伏电站由组串组成，各个组串之间存在间隙，如下图所示。清洁机器人运动到组串边缘位置时，需要跨过这个间隙然后运动到下一个组串上进行作业，除非为每个组串配置一台清洁机器人，但这样做成本太高。这一问题对于大型集中式光伏电站尤为突出。

对于跨板问题目前主要有3种解决方案：

1.搭建过桥。在组串之间搭建金属过桥作为导轨，让清洁机器人通过这些导轨进入下一个组串。这种方式技术难度低，建造成本高。受地形限制，绝大多数集中式电站的组串之间存在高程差，错落不齐，如下图所示，即使搭建过桥也无法让机器人通过。

2.为清洁机器人配置底盘以及机械臂，机械臂与清洁机构始终保持连接，带动清扫机构向前运动，到达间隙时将机械臂抬起，带动清扫机构跨板，这种方案如下图所示。改方案的核心是通过调整机械臂末端的姿态确保清洁机构始终与光伏板贴合。这种方案的实现难度并不高，但难以保证作业效率和场地的通过性。底盘在崎岖的地面或者高速行驶时会有震动和颠簸，机械臂末端的姿态会快速变化，很难保证清扫机构能够实时调整到与光伏板相贴合的姿态。

3.通过机械臂抓放实现清扫机构的跨板，如下图所示。这种方案也有底盘与机械臂，与方案2不同的是，机械臂末端与清扫机构没有硬连接，二者独立同步行驶。到达组串的边缘时，机械臂自动将清扫机构抓起来，然后放置到下一个组串的起始位置。这种方案的技术难度大，但效率和通过性好。采用这种方案的清洁机器人在清扫时的行驶速度可以达到3.6km/h，加上跨板抓放所需的时间，平均清扫速度可以达到1.3~1.5km/h甚至更高，且能适应各种复杂的地形与光伏板安装姿态。

下面介绍方案3的技术细节。无人车上安装的第一组3D相机实时定位清扫机构的坐标并计算出它的行驶速度，让无人车保持着相同的速度沿着规划的轨迹行驶。清扫机构到达组串的边缘时自动停车，无人车也同步停车。无人车上安装的3D相机扫描清扫机构以及一下组光伏板，计算出清扫机构的坐标与姿态，以及下一个组串的起始板的坐标与姿态。机械臂根据扫描的结果抓取清扫机构，然后将它放置到下一个组串的板上。

这个方案核心的技术难点是能用于户外的高精度3D感知系统。系统需要在室外各种复杂光照条件下工作，包括强光、高反光、弱光、逆光、夜间，清扫机构的长度有4~5m，抓起悬空时会有形变。系统要求2m以上距离拍照时对清扫机构和光伏板的定位误差< 3mm，对光伏板角度的估计误差

视觉系统还要有极高的可靠性，一台机器人在一天的作业中要完成上百次抓放操作，一年的时间里抓放作业次数可达上万次，视觉系统的定位失败概率应