Пылесос-робот для чистки солнечных батарей

Пылесос-робот для чистки солнечных батарей

Изготовление пылесоса-робота, основное предназначение которого – чистка солнечных панелей, это удачная инструкция как сделать пылесос работ своими руками. Применение солнечных панелей — актуальная тема. Ставкой на технологию солнечной энергии пытаются решить проблемы дороговизны ископаемых энергоресурсов. Между тем, как выясняется на практике, обычная пыль, оседающая на поверхности солнечных панелей, резко снижает эффективность этого типа приборов практически наполовину. По мнению специалистов, удачной защитой в таких случаях является пылесос-робот, настроенный на периодическую уборку поверхности солнечных панелей.

Технология и концепция пылесоса-робота

Цель публикации – не столько знакомство с технологией очистки солнечных панелей, сколько предоставление читателям информации о базовом конструктивном исполнении пылесосов-роботов.

Опираясь на этот материал, допустимо создать необычный пылесос-робот своими руками, что должно быть увлекательным и полезным делом.

Рассматриваемая ниже конструкция пылесоса-робота способна точно обнаруживать границы поверхностей, работать в условиях наклонных плоскостей, автоматически находить док-станцию и подключаться с целью подзарядки аккумулятора.

Концепция пылесоса-робота для чистки солнечных панелей, учитывает следующие факторы:

  • наклон поверхностей,
  • количество поверхностей,
  • сканирование и фиксация границ поверхностей,
  • запланированное время,
  • типичный алгоритм.

В принципе, пылесос, предназначенный для домашнего применения (например, Roomba), вполне может использоваться для чистки солнечных батарей.

Однако для такой техники характерны некоторые особенности, например,  ИК-датчики обнаружения стен или установка виртуальных препятствий. Рассматриваемая конструкция таковых особенностей не имеет, так как солнечные панели не имеют стен.

Пылесос-робот конструкция
Хаотично исполненная, просто и кустарно построенная — конструкция пылесоса-робота, которая работает не хуже промышленных моделей

Но в противовес Roomba и аналогичным конструкциям, есть индивидуальные преимущества – поддержка работы на поверхностях, имеющих наклон и применение ультразвукового датчика вместо ИК-датчика, который может не сработать при солнечном освещении.

Чтобы покрыть все пространство солнечных панелей, путь предварительно определен. Пылесос-робот перемещается по определённому пути, используя схему возвратно-поступательного движения.

Обратная связь с ультразвуковым датчиком и акселерометром используется для обнаружения границ панелей и места пребывания.

Стартовая панель системы пылесоса-робота

Стартовая панель MSP430G2 используется для общего управления пылесосом-роботом. Стартовая панель запускает ультразвуковой датчик и обрабатывает через АЦП входящие сигналы от акселерометра, а также импульсы эха от ультразвукового датчика для управления навигацией.

Через стартовую панель передаются сигналы управления двигателями, принимаются сигналы от индикатора уровня заряда аккумулятора для отслеживания напряжения источника питания.

Общий выходной сигнал от MSP430 используется для одновременного управления подвижной щеткой и пылесосом. Поскольку пылесос требует большого количества тока, он подключается непосредственно к батарее и управляется с помощью ключевого транзистора типа MOSFET (IRFZ44).

Схема питающего модуля с полимерным аккумулятором

Питающий модуль постоянного тока с литиевой батареей для заряда подключается к док-станции. Питающий модуль содержит 6-элементный аккумулятор напряжением 12.6V и рассчитан на входное постоянное напряжение 15 – 40 вольт.

Схема зарядного модуля
Принципиальная схема модуля, посредством которого осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи пылесоса-робота очистки панелей солнечных батарей

Схема модуля включает регулятор напряжения на LM317, транзистор BC547, двойной операционный усилитель LM358N и мощный MOSFET ключ IRF540N. Для обеспечения безопасности к зарядной цепи добавляется схема защиты от перенапряжения.

Для регулирования питания используются преобразователи LM2675-5.0 и LM2675-3.3. Схема преобразователя также содержит диодный и LC-фильтр. Использование LC-фильтра видится характерным для достижения выходного сигнала постоянного тока без пульсаций.

Схемой предусматривается линейная регулировка скорости заряда батареи или тока потребления от солнечных панелей, поскольку напряжение заряда поддерживается постоянным. Завершение зарядки аккумулятора указывается контрольным светодиодом.

Схема индикатора заряда батареи
Схематичное исполнение модуля индикации, показывающего уровень заряда аккумулятора, входящего в комплект пылесоса-робота

Индикатор уровня заряда построен на основе микросхемы типа LM 3914. Использование этого электронного компонента обеспечивает высокую точность определения границы заряда. Схема калибруется на границу – 12,6 вольт.

Управление двигателями и навигацией

Модуль управления двигателем построен на TPIC0298 или аналогичной электронике. Применение этой микросхемы обусловлено потреблением двигателями более высоких токов, чего не могут обеспечить драйверы двигателя на L293D. Микросхема TPIC0298 обеспечивает максимум 2A на один канал.

Чтобы гарантировать, что пылесос-робот перемещается по правильному пути, два акселерометра и ультразвуковые датчики используются для управления ориентацией и обнаружения кромок панелей, соответственно.

Схема управления моторами пылесоса
Схема управления моторами пылесоса, где применяется достаточно мощное по току решение. Тем не менее нагрузка на батарею остаётся на низком уровне

Трехходовые акселерометры построены на MMA7361 и обладают чувствительностью до 800 мВ/г. Ультразвуковой сенсорный модуль, выполненный на HCSR04, используется для обнаружения препятствий вдоль всего пути.

Алгоритм планирования пути для пылесоса-робота

Пылесос-робот пересекает путь, как показано на рис. 2.2. Этот предопределенный путь гарантирует, что общее пространство солнечных панелей эффективно покрывается. Ультразвуковой датчик используется для обнаружения границ панели солнечных батарей.

Чтобы оставаться на определенном пути, выходные сигналы от акселерометров обрабатываются микроконтроллером MSP430G2553 и сравниваются с заранее определенным набором значений.

Алгоритм построения модулей пылесоса
Модульный алгоритм: 1 — зарядный модуль; 2 — батарея; 3 — конвертер: 4 — акселерометр; 5 — индикатор; 6 — драйвер моторов; 7 — ультразвуковой датчик; 8 — ключ; 9 — мотор пылесоса; 10, 11 — правый и левый моторы; 12 — мотор щётки

Метод управления пропорциональной интегральной производной (ПИД) реализуется путем добавления вычисленной ошибки к значению регистра захвата/сравнения таймера.

Этим значением изменяется сигнал ширины импульсной широты (PWM), указанный в качестве входного сигнала для драйвера двигателя. Общая погрешность (e) определяется формулой:

e = (ep * kp) + (ei * ki) + (ed * kd)

где ep, ei, ed — это пропорциональные, интегральные и производные ошибки, обнаруженные путем сравнения показаний акселерометра с заданными значениями kp, ki и kd, которые обнаруживаются повторным тестированием на наклонных поверхностях.

Определенный набор значений выбирается таким образом, чтобы применить для любого небольшого наклона. Алгоритм ПИД-регулирования используется только для управления навигацией пылесоса-робота, так что общее пространство солнечных панелей эффективно покрывается.

Алгоритм зарядки аккумулятора пылесоса-робота

В попытке улучшить эффективность и долговечность батареи, в данном решении реализованы два состояния зарядки:

  1. Аккумулятор заряжается до заданного порога 12,6 В.
  2. Заряд выполняется при более низком токе.

Таким способом заряда удаётся предотвратить возможные разрушения, характерные при нарушениях зарядных режимов.

Конструктивное исполнение пылесоса-робота

Пылесос-робот построен на базе круглого шасси, сделанного из дерева. Момент движения машина получает от двух двигателей постоянного тока, расположенных диаметрально противоположно один другому.

Конструктивное построение пылесоса-робота
Конструктивное построение пылесоса-робота выглядит не совсем эстетично с дизайнерской точки зрения, но этот момент легко исправить при желании

Используемые колеса изготовлены из пластика и наделены дополнительным захватом из резины. Колёса пылесоса-робота имеют диаметр 11,3 см, чем обеспечивается достаточный захват и стабильность хода.

На разделе диаметра шасси размещены два небольших резиновых колеса. Конструкция пылесоса-робота использует дифференциальный привод для рулевого управления.

Конструкция дифференциального привода допускает повороты с нулевым радиусом и обеспечивает лёгкое рулевое управление. Используемые двигатели хода имеют крутящий момент 12В, 5 кг/см.

Редукторный электродвигатель с боковым валом имеет скорость 60 об/мин. Чистящая щётка функционирует через зубчатую передачу, от двигателя постоянного тока 12В, 300 об/мин.

Вакуумный канал основан на двигателе мощностью 250 Вт, с вращением вала 20000 об/мин. Слот установки механизма на шасси закреплен чуть выше уровня «земли».

Пылесос-робот поддерживается с помощью механических опор. Базовая конструкция аппарата построена с использованием индивидуального кузова для чистки ковров.

Все контуры установлены на акриловом листе, сбалансированном с помощью шпилек на деревянном шасси. Ультразвуковой датчик установлен спереди.

Общая схема конструкции показана выше. Переходы от одной солнечной панели к другой панели и к док-станции, строятся с использованием обычных деревянных досок соответствующих размеров.


 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *