光伏电站维修智能辅助机器人的研发.pdf

今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application82 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5目前，自动跟随控制技术已经应用在一些机器人或工具车的设计使用中，自动跟随技术的应用让新能源场站的维修人员对工具车的控制更加容易，不再需要专人驾驶，实现自动跟随行进，有效降低了人员维保成本，提高了工作效率。随着新能源智慧场站的建设推广，信息化管理也延伸到了安全生产的维保段。任务执行过程中的物料调用、施工人员状况、维保任务的进度等信息的及时跟踪反馈和管理，构成了新能源智慧场站信息管控的重要组成部分。维修智能辅助机器人在工作现场全程参与维修任务执行，可以作为信息管理系统的终端采集平台，而本次研制开发的具有自动跟随及定位功能的维修智能辅助机器人，可以实现上述目标。1 维修智能辅助机器人的机械构成图1为维修智能辅助机器人。图1 维修智能辅助机器人维修智能辅助机器人由运动底盘、稳定系统、电动升降平台3个部分构成，其中运动底盘具有适应沙摘 要50MW 以上中大型光伏电站多置于自然采光条件好的废弃矿坑、不适合农林耕作的连片丘陵荒地、戈壁滩、荒漠等地貌地区。对于目前尚不成熟的光电生产技术，硬件设备的维修维护工作是电站生产的重要组成部分，而地貌复杂性给维修维护工作增加了若干额外难度。文章对荒漠条件下的维修智能辅助机器人进行研发，通过跟随控制技术和 UWB-AOA 定位系统的应用，使其具有智能生产属性。这些技术的应用让维修智能辅助机器人具有了自动跟随、定位两大亮点。自动跟随的维修智能辅助机器人，不仅可以提供现场维修物料的搬运，也具备了运输工具箱检修维护时使用的安全升降梯、移动测试站等功能。在模拟地图下可以实时定位及实现现场监控能力，实时向指挥中心汇报现场工作情况，实现维修生产过程的智能监管。本研发设备的应用，将会促进推广新能源智慧场站建设的进程5。关键词光伏电站；维修智能辅助机器人；跟随控制；UWB-AOA 定位系统；新能源智慧场站中图分类号TM615 文献标志码A 文章编号20956487（2023）05008203Research and Development of Intelligent Auxiliary Robots for Maintenance of Photovoltaic Power PlantsHE Yajing，ZHANG Lei，XU GuangpingAbstractLarge and medium-sized photovoltaic power plants with a capacity of over 50MW are often located in abandoned mines with good natural lighting conditions,contiguous hilly wasteland that is not suitable for agricultural and forestry cultivation,Gobi Desert,and other landform areas.For the currently immature optoelectronic production technology,the maintenance and repair of hardware equipment is an important component of power plant production,and the complexity of the terrain adds several additional difficulties to the maintenance and repair work 2-4.The article focuses on the research and development of intelligent auxiliary robots for maintenance under desert conditions,utilizing tracking control technology and UWB-AOA positioning system to endow them with intelligent production attributes.The application of these technologies has provided intelligent maintenance assistance robots with two major highlights:automatic following and positioning.The automatic following intelligent repair assistance robot not only provides on-site transportation of repair materials,but also has functions such as safety elevators and mobile testing stations for transportation toolbox maintenance.Under the simulated map,real-time positioning and on-site monitoring capabilities can be achieved,and real-time reporting of on-site work conditions to the command center can be achieved,achieving intelligent supervision of the maintenance and production process.The application of this research and development equipment will promote the process of promoting the construction of new energy smart stations.Keywordsphotovoltaic power plant;maintenance intelligent auxiliary robot;following control;UWB-AOA positioning system;new energy smart station光伏电站维修智能辅助机器人的研发何雅静1，张磊1，徐光平2（1.内蒙古北方润达新能源有限公司，内蒙古鄂尔多斯014030；2.北京中安吉泰科技有限公司，北京100000）今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application2 0 2 3.5 今日自动化 832 0 2 3 年第5 期2023 No.5漠地貌的四轮驱动设计；稳定系统可折叠隐蔽收纳，与传感器配合实现升降工作台启动时的底盘稳定功能；电动升降平台可以举高5 m，可以安全、稳定的作为光伏板及连接支架的维修工作载台。维修智能辅助机器人除了可以实现光伏板、逆变器等物料的输运，还可装载运输维修现场需要跟换的各类传感器、无线网络摄像头等备品备件，取代了以往需要人工进行肩扛手提的繁重体力搬运，提高了工作人员的工作效率。2 维修智能辅助机器人的自动跟随功能为降低维修智能辅助机器人的管理成本，提高工作效率，维修智能辅助机器人采用了基于 UWB-AOA的定位系统，以及 PID 闭环算法的运动自动跟随控制技术。2.1 UWB-AOA的定位系统UWB 定位技术（Ultra Wide Band）通过发送和接收极窄脉冲来实现无线传输，具有功耗低、抗干扰能力强、定位精度高的特性。图2为 UWB 定位技术的工作原理。智能报警设备智能报警设备定位标签定位标签定位错点定位错点感知层网络层解算层应用层通讯基站通讯基站交互机防火墙定位服务器PC三维可视化软件移动设备移动端APP三维可视化软件定位解算服务器TCP/IPAPP定位错点定位错点激励器激励器LoRa窄带物联网定位错点定位标签报警设备激励器图2 UWB定位技术的工作原理维修智能辅助机器人前方配置 UWB 跟随基站，实时接收跟随手环信号，反馈方向、角度、距离数据信息。维修智能辅助机器人控制单元对数据信息进行分析计算，然后由伺服控制系统对行驶速度及偏转角度进行实时修正。机器人跟随系统角度精度 5，测距精度 10 cm，测距距离（空旷可视）80（稳定）150 m（极限），定位角度120，而且手环可以同时控制多台维修智能辅助机器人跟随操作。维修智能辅助机器人配备手柄遥控器，分遥控模式和跟随模式。当维修智能辅助机器人需要手动操作时，将手柄切换到遥控模式，进行前进、后退、左转、右转操作。遥控器与维修车为2.4G 信号传输，最远实际控制距离可达200 m。图3为维修智能辅助机器人自动跟随/手动控制系统组成。2.2 PID算法维修智能辅助机器人的行走速度采用了改进型PID 算法。为解决系统硬件的限制给维修智能辅助机器人带来的不利影响，将前馈反馈控制方法运用到维修智能辅助机器人的控制上，对偏差带来的干扰进行提前处理。文章将不完全微分和微分现行算法引入到PID 算法中，以改善系统的动态性能。改进型 PID 算法是在原 PID 算法中加入了一阶惯性环节 Gf（s）=1/1+Tf（s），将一阶惯性环节直接加到微分环节上，可得到系统的传递函数为：（1）将式（1）的微分项推导并整理，得到方程为：（2）式中，=Tf（Tf+T）为由系统的时间常数 T 和一阶惯性环节时间常数 Tf决定的一个常数。为编程方便可以将式（2）写成如下形式：（3）式中，H（k-1）=Ud（k-1）-Kd（1-）e（k-1）。分析式（3）可知，引入不完全微分后，微分输出在第一个采样周期内被减少了，此后又按照一定比例衰减。试验表明，不完全微分有效克服了维修智能辅助机器人的偏差干扰给速度控制带来的不良影响，具有较好的控制效果。2.3 闭环控制算法在微处理器里面，控制器是通过软件实现其控制算法的，所以必须对模拟调节器进行离散化处理，这样其只需根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，需要使用离散的差分方程式代替连续的微分方程。位置闭环控制是根据编码器的脉冲累加测量电机的位置信息，并与目标值进行比较，得到控制偏差，再通过对偏差的比例、积分、微分进行控制，使偏差趋向于0的过程。根据位置式离散 PID 公式：Pwm=Kpe(k)+Kie(k)+Kde(k)-e(k-1)式中，e（k）为本次偏差；e（k-1）为上一次偏差；e（k）为 e（k）以及之前偏差的累积和；k 为1，2，k；Pwm 为输出值。图4为自动跟随控制逻辑原理。手环 手柄遥控器 2.4G接收模块图3 维修智能辅助机器人自动跟随/手动控制系统组成今 日 自 动 化Automation Today自动化技术与应用Automation technology and Application84 2 0 2 3.5 今日自动化2 0 2 3 年第5 期2023 No.5直流电机位置反馈编码器PID控制器设定值主板图4 自动跟随控制逻辑使用 C 语言将上述理论分析和控制原理实现的步骤为：计算上一次编码器数值（即速度）与这一次编码器数值的差（Bias_A）；根据 Bias_A 计算出偏差积分；通过增量式 PID 控制器计算出 Pwm值；保存数值以供下一次使用；返回 Pwm 数值；在其他函数中调用这个数值，即可完成对编码器电机的控制，如 Set_Pwm_Motor1（Pwm_A）。3 维修智能辅助机器人的定位系统维修智能辅助机器人的定位系统主要采用了 UWB-AOA 定位系统，无线局域网以及4G 网络中，利用基于 UWB-AOA 定位的接收信号强度进行定位，主要是根据接收信号强度随距离变化而变化的规律进行定位。UWB-AOA 导航系统目前有很多的接入服务商使用，其只需通过接口调用，就可实现准确的定位。定位系统的具体操作使用到 Java 技术，系统前端框架采用流行的 Vue，后端采用了经典组合 Java+Spring Boot。数据管理采用了 MYSQL 和 Redis 两种数据库，其应用到的技术主要有 Spring Security、Socketio、MyBatis-Plus 等。图5为定位模拟显示的原理结构，具体实现过程为：维修智能辅助机器人通过 UWB-AOA 模块获得绝对位置信息；维修智能辅助机器人将位置信息汇报给管理主机；管理主机将维修智能辅助机器人实时位置投送到基于百度地图的模拟地图中，实现位置同步孪生显示。（地图实时位置信息孪生显示）维修工具车模拟地图数据交互GPS信息卫星电脑图5 定位模拟显示的原理结构4 维修智能辅助机器人的现场信息采集汇报功能维修智能辅助机器人的现场信息采集汇报功能，主要由自主设计的实时监控软件及机械结构设计中的传感器完成。实时监控软件系统的技术在维修工具车的定位系统中有提及。现场信息采集的汇报内容主要包括：（1）设备监控。包括电池、机电系统、结构状态等硬件设备的实时状态收集及反馈。（2）环境监控。包括环境温度、湿度、风力、光照等环境参量的采集和显示。（3）任务过程监控。通过集成在维修智能辅助机器人上的无线网络监控终端及通讯终端，实现维修任务执行过程中的远程监控。5 结束语针对建设在荒漠地区的光伏电站，提出了一种全新的维修智能辅助机器人的设计研发。通过该设计研发，可以在提高维修维护工作效率、降低维保成本的同时，将维修任务过程并入信息化管理。此维修智能辅助机器人的应用，将在客观上推进新能源智能场站的建设进程。参考文献1 张帆.智慧电厂一体化大数据平台关键技术及应用分析J.华电技术，2017，39（2）：4.2 周竞钰，阳萍华，赵志朋.我国光伏发电设备发展现状与趋势分析 J.工程建设与设计，2018（22）：2.3 郭琛.大型光伏电站电气设备的运行维护要点 J.电力设备管理，2021（14）：3.4 王国光，邓平，瞿亚运.光伏电站智能监控管理系统：CN205846869UP.2016-10-28.5 冯奇波，郭卓飞，张建军.一种用于光伏电站的多功能运维车：CN211494143UP.2020-9-15.6 刘磊，孙晓菲，张煜.基于 STM32 的可遥控智能跟随小车设计 J.电子测量技术，2015（6）：4.7 李楠，鲁根森.AprilTag 与自抗扰控制结合的智能平衡跟随车的设计 J.现代电子技术，2022（16）：45.8 赵彦俊.全球定位系统（GPS）与捣固车的结合与应用 J.冶金管理，2022（5）：4-5.9 陶汉卿，黄莺，蔡煊，等.基于北斗卫星导航系统、惯性测量单元和轨道电子地图的有轨电车车载组合定位技术J.城市轨道交通研究，2022（3）：25.