挂板式光伏清扫机器人动力学建模与控制

随着光伏技术发展，光伏电站规模的扩大，不少光伏电站开始利用清扫机器人取代工人来进行光伏面板的清扫，挂板式光伏清扫机器人结构简单，工作效率高，可适用于绝大多数场合，是现在较为常见的一类光清扫机器人，但挂板式光伏清扫机器人运行过程中容易会出现上下驱动无法保持同步导致机器人发生偏摆，严重情况下机器人与光伏板间的相会作用力可能会造成零部件损坏甚至机器人从光伏板上掉落，存在较大安全隐患。为了解决这个问题，采用机理建模的方式对挂板式光伏清扫机器人进行研究。基于对上端悬挂装置的弹性形变分析，给出机器人平移和旋转运动的完整描述，并建立了挂板式光伏清洁机器人动力学模型。通过研究机器人与光伏板间力和运动关系，提出了一种基于线性二次型调节器(LQR)的控制方案，以保证机器人的上下端协同运动，抑制偏摆问题，避免机器人卡死的情况发生。仿真结果表明，设计的线性二次型调节器能够快速纠正挂板式光伏清扫机器人的偏摆，具有良好的稳定性，保证机器人平稳运行，为挂板式光伏清扫机器人的控制系统设计提供了理论基础。

随着全球能源需求的增加，光伏发电作为一种清洁能源得到了广泛的关注[1]。但是，由于光伏板长期暴露在室外，容易受到雨水、尘埃和脏污等因素的影响，导致光伏板表面积累大量的灰尘和污垢，影响了光伏发电效率[2] [3] [4] [5]。因此，对于光伏板的清洁非常必要。

现有清洁方式主要包括自然雨水清洁、自动喷淋清洁、人工清洁、车载设备清洁、光伏板清洁机器人清洁等。其中，自然雨水清洁虽然成本低但清洁力度不够，在污染和干旱地区不适用[6]；自动喷淋清洁效率高但需要大量用水， 不适用于缺水地区[7]；人工清洁成本高且清洁质量不稳定， 存在安全隐患[8]；车载设备清洁不适用于小型光伏电站且价格高昂[9]。光伏板清洁机器人效率高、安全可靠，对光伏板进行全面彻底的清洁，具有广阔应用前景[10] [11]。

目前光伏清洁机器人主要有三种路线：导轨式、小型便携式和挂板式。以以色列Ecoppia 公司的Ecoppia E4 机器人为代表导轨式清洁机器人[12]，通过专用导轨行走，适用于沙漠等沙尘较大的地区，此类机器人的问题在于需要铺设导轨， 费用高昂且使用效率低。

以Ecovacs Robotics 公司设计制造的Raybot [13]为代表小型便携式清洁机器人结构灵活， 不需要复杂安装， 但需要依靠吸附装置固定在光伏板表面上， 存在难以跨越板间缝隙、板间高度差等问题，续航能力也较差。挂板式清洁机器人清洁效率高，适用于多种场景，如Washpanel [14]、Ecopia T4 等都可归为挂板式清洁机器人。挂板式光伏清洁机器人主要有清扫机构、行走机构、悬挂机构等组成，此类机器人的主要问题在于容易在运动过程中因上下端运动不协同而发生偏摆甚至卡死，而机器人上下驱动协同运动问题受到机器人与光伏板间的相互作用与机器人主体框架所带来的约束影响。本文针对挂板式光伏情节机器人结构，采用机理建模的方式，基于对上端悬挂装置的弹性形变分析给出机器人平移与旋转运动的完整描述，并通过研究机器人与光伏板间力和运