虎民飛，孟一飛，王 葭

（寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，銀川750021）

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為我國能源安全和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要保障之一。但光伏板上污漬點(diǎn)引起的熱斑現(xiàn)象[1]對光伏板的損害非常嚴(yán)重，給企業(yè)和投資者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而光伏板的清洗維護(hù)工作困難重重，光伏板的清洗維護(hù)工作量大，耗材耗力。近幾年來，陸續(xù)出現(xiàn)的大型自動(dòng)化清洗光伏板機(jī)械設(shè)備體積大，對光伏板規(guī)格要求嚴(yán)格，對地勢要求高，造價(jià)大[2-4]，因此，效率低下的人工清洗、極其耗水的高壓水槍清和清洗效果差的噴淋清被廣泛使用?；谝陨蠁栴}，提出了光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對光伏板污漬點(diǎn)的視頻檢測、定位以及機(jī)械臂末端對污漬點(diǎn)的對準(zhǔn)和噴洗，節(jié)約水資源，提高光伏板清洗效率，增加光伏發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

文章主要設(shè)計(jì)基于改進(jìn)型模糊PID 算法的視覺伺服控制系統(tǒng)，在小型機(jī)械臂上實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位清理污漬點(diǎn)。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明設(shè)計(jì)的光伏板清洗控制系統(tǒng)可以控制機(jī)械臂末端精準(zhǔn)定位對準(zhǔn)到光伏板污漬點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)污漬點(diǎn)的清洗。

本文創(chuàng)新點(diǎn)如下：①提出以污漬點(diǎn)與畫面中心點(diǎn)的偏移量作為視覺伺服[6]控制系統(tǒng)環(huán)路的反饋信息，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對光伏板污漬點(diǎn)精確對準(zhǔn)的負(fù)反饋控制環(huán)路；②采用了提出的改進(jìn)型模糊PID 控制算法作為視覺伺服控制系統(tǒng)的核心控制算法，控制機(jī)械臂精準(zhǔn)定位到光伏板污漬。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光伏板清洗系統(tǒng)

如圖1所示，光伏板清洗系統(tǒng)由2 個(gè)子系統(tǒng)組成，為污漬點(diǎn)視頻圖像檢測系統(tǒng)和光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)。污漬點(diǎn)視頻圖像檢測系統(tǒng)的作用是處理攝像頭拍攝到的光伏板污漬圖像，檢測污漬點(diǎn)并獲得污漬點(diǎn)在攝像頭圖像中的相對位置信息，用作光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)。光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)處理獲得的污漬點(diǎn)相對位置信息， 通過改進(jìn)型模糊PID 控制器控制機(jī)械臂對準(zhǔn)清洗光伏板污漬。為此以光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)為主要研究對象， 介紹說明此子系統(tǒng)在光伏板清洗機(jī)械臂系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)過程。

圖1 光伏板清洗系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of photovoltaic panel cleaning system

1.2 視覺伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)如圖2所示，由輸入信號r、伺服誤差e、控制器控制函數(shù)K（s）、控制信號u、執(zhí)行系統(tǒng)G（s）和位置輸出y 構(gòu)成。本文基于經(jīng)典伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)，如圖3所示。共由四大部分構(gòu)成，信息數(shù)據(jù)誤差輸入預(yù)處理部分（對應(yīng)伺服控制系統(tǒng)的輸入信號r、伺服誤差e）、控制算法執(zhí)行部分（對應(yīng)伺服控制系統(tǒng)的控制函數(shù)K（s）、控制信號u）、機(jī)械臂定位對準(zhǔn)光伏板部分（對應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)G（s）、位置輸出y）、反饋信息部分（對應(yīng)反饋支路）。其中信息數(shù)據(jù)誤差輸入是由攝像頭實(shí)時(shí)獲取的污漬點(diǎn)位置坐標(biāo)信息和攝像頭與光伏板距離信息組成。經(jīng)預(yù)處理后的信息輸入改進(jìn)型模糊PID 控制器，運(yùn)算輸出機(jī)械臂移動(dòng)的控制信號，最終機(jī)械臂末端對準(zhǔn)污漬點(diǎn)噴射清洗。

圖2 經(jīng)典伺服控制系統(tǒng)Fig.2 Classical servo control system

2 視覺伺服控制原理與過程

2.1 改進(jìn)型模糊PID 控制器

圖3 光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of visual servo control system for photovoltaic panel cleaning

光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)的核心控制算法是改進(jìn)型模糊PID 控制算法。較之PID 系列的各種經(jīng)典控制器[7-8]，提出的改進(jìn)型模糊PID 控制器具有實(shí)時(shí)在線修正參數(shù)、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快、超調(diào)量低、控制精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。圖4是改進(jìn)型模糊PID 控制器的系統(tǒng)框圖，由模糊控制器和改進(jìn)型PID 控制器組成， 其中e 為輸入誤差，ec 為誤差變化率，Kp、Ki、Kd由式（1）確定。

圖4 改進(jìn)型模糊PID 控制器Fig.4 Betterment fuzzy-PID controller

2.1.1 模糊控制器

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的智能控制理論，通過模糊語言變量描述了人們操作經(jīng)驗(yàn)以及常識(shí)推理規(guī)則[9-11]。模糊控制器在運(yùn)行中不斷的更新輸入誤差e 和誤差變化率ec，經(jīng)過模糊算法后，輸出改進(jìn)型PID 控制器的增量控制參數(shù)Δkp、Δki、Δkd。

模糊化即對模糊控制器的輸入和輸出進(jìn)行模糊操作，根據(jù)實(shí)際需要，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的輸入誤差變量e 的量化因子ke=0.0375，模糊論域取值［-80，80］，輸入誤差變化率ec 的量化因子kec=0.2，模糊論域取值為［-160，160］，輸出參數(shù)Δkp、Δki、Δkd的模糊論域取值分別為［-0.3，3］、［-0.5，5.3］、［0，2.5］。為提高機(jī)械臂伺服控制系統(tǒng)的精度，本設(shè)計(jì)將輸入輸出語言變量均分成了7 個(gè)模糊化子集，分別用負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大表示，定義為｛NB NM NS ZE PS PM PB｝[12]。輸入話語變量隸屬度函數(shù)選擇三角型，輸出話語變量隸屬度函數(shù)選擇雙邊高斯型，圖5和圖6所示為輸入、輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)。

圖5 輸入?yún)?shù)的隸屬度函數(shù)Fig.5 Membership function of input parameters

圖6 輸出參數(shù)的隸屬度函數(shù)Fig.6 Membership function of output parameters

根據(jù)模糊控制規(guī)則和實(shí)際情況需求，制定了表1所示的增量控參數(shù)Δkp、Δki、Δkd模糊規(guī)則表，依據(jù)模糊規(guī)則表，共可制定49 模糊推理規(guī)則。

使用的解模糊方法為重心法，所謂重心法即取模糊隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸所圍成面積的重心作為代表點(diǎn)，理論上計(jì)算輸出范圍內(nèi)連續(xù)點(diǎn)的重心[13-14]。重心法的離散數(shù)學(xué)模型公式為

式中：z0為模糊控制器輸出量解模糊后的精確值；zi為被控量論域內(nèi)的值；uc（zi）為zi的隸屬度值。

表1 被控參數(shù)Δkp，Δki，Δkd 模糊規(guī)則表Tab.1 Fuzzy rules of controlled parameters Δkp，Δki，Δkd

2.1.2 改進(jìn)型PID 控制器

改進(jìn)型PID 控制器是在常規(guī)PID 控制器中對積分單元I 和微分單元D 做一定條件的限定。在輸入誤差和誤差的變化率很大時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量增大。為使被控系統(tǒng)能夠更快地趨于穩(wěn)定狀態(tài)、靜態(tài)誤差減小、超調(diào)量降低，設(shè)計(jì)了改進(jìn)型PID 控制器，其數(shù)學(xué)模型如式（3）和式（4）所示：

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)；kd為微分系數(shù)；β 為積分項(xiàng)開關(guān)系數(shù)；λ 為微分項(xiàng)倍數(shù)系數(shù)；ε 為誤差閾值系數(shù)，其中λ 和ε 數(shù)值的選取需要根據(jù)實(shí)際需要確定。

本設(shè)計(jì)中， 根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和多次手動(dòng)試調(diào)工作，最終選取的改進(jìn)型模糊PID 控制器參數(shù)為kp=7，ki=9，kd=47，λ=［0，1］，ε=110。

2.2 視覺伺服控制過程

設(shè)計(jì)的光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程由以下幾步完成：

（1）光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊首先處理由污漬點(diǎn)視頻圖像檢測系統(tǒng)檢測到的視頻圖像污漬位置信息和圖像中心點(diǎn)位置信息，得到污漬點(diǎn)與視頻畫面中心點(diǎn)的偏移量及偏移量的變化率；

（2）污漬點(diǎn)與視頻畫面中心點(diǎn)的偏移量及偏移量的變化率作為改進(jìn)型模糊PID 控制器的二維輸入?yún)?shù)變量，經(jīng)控制器計(jì)算處理后得到精確控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制數(shù)據(jù)信息；

（3）單片機(jī)系統(tǒng)編碼數(shù)據(jù)信息，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械臂末端對準(zhǔn)光伏板污漬；

（4）污漬點(diǎn)視頻檢測系統(tǒng)繼續(xù)獲取當(dāng)前機(jī)械臂定位到的污漬點(diǎn)位置信息，若當(dāng)前污漬點(diǎn)位置信息與視頻畫面中心的偏移量不在系統(tǒng)設(shè)置的誤差范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)到第（2）步，直到確定污漬點(diǎn)位置在誤差允許范圍內(nèi)， 此時(shí)機(jī)械臂精確定位對準(zhǔn)到污漬點(diǎn)，開啟噴射裝置清洗光伏板污漬。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先使用Matlab 工具箱中的模糊邏輯工具箱和Simulink 仿真環(huán)境對小型機(jī)械臂傳遞函數(shù)為式（5）的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

圖7為改進(jìn)型模糊PID 控制器、模糊PID 控制器、常規(guī)PID 控制器及模糊控制器對于二階系統(tǒng)幅值為60 的階躍響應(yīng)曲線圖。從圖中可以得出，改進(jìn)型模糊PID 控制器和模糊PID 控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快，達(dá)到穩(wěn)態(tài)用時(shí)約0.3 s，超調(diào)量約為0.21%；常規(guī)PID 控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間最快，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)用時(shí)約0.25 s，但超調(diào)量高達(dá)64%；模糊控制器系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢，系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)用時(shí)約3 s。

圖7 四種不同控制器階躍響應(yīng)曲線圖Fig.7 Step response curves of four different controllers

以上結(jié)果說明提出設(shè)計(jì)的改進(jìn)型模糊PID 和常規(guī)的模糊PID 控制器在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)上響應(yīng)優(yōu)于常規(guī)PID 控制器和模糊控制器。

圖8為改進(jìn)型模糊PID 控制器和模糊PID 控制器取值ke=0.0375，kec=0.2，kp=7，ki=9，kd=47 時(shí)，三角波和方波響應(yīng)和誤差量e 變化的曲線圖。從圖中可以得出，當(dāng)系統(tǒng)的誤差變大時(shí)，模糊PID 控制器的超調(diào)量和系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間均高于設(shè)計(jì)的改進(jìn)型模糊PID 控制器。以上結(jié)果說明改進(jìn)型模糊PID 控制器對步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制效果要優(yōu)于常規(guī)模糊PID 控制器。

圖8 三角波、方波響應(yīng)對比圖Fig.8 Comparison diagram of triangular and square wave responses

最后，使用小型機(jī)械臂在設(shè)計(jì)的視覺伺服控制系統(tǒng)上進(jìn)行了機(jī)械臂精準(zhǔn)定位、污漬清理的驗(yàn)證工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攝像機(jī)剛開始捕獲定位到的光伏板污漬并不在視頻圖像的中心，如圖9（a）所示，機(jī)械臂末端沒有對準(zhǔn)光伏板污漬。經(jīng)過視覺伺服控制系統(tǒng)作用后， 機(jī)械臂末端對準(zhǔn)了光伏板污漬，使污漬點(diǎn)處于視頻畫面中心，如圖9（b）所示，此時(shí)開啟光伏板噴洗設(shè)備即可對光伏板進(jìn)行的噴洗操作，清洗效果理想。

圖9 機(jī)械臂末端對準(zhǔn)光伏板污漬Fig.9 End of the arm is aimed at the stain on the photovoltaic panel

4 結(jié)語

根據(jù)機(jī)械臂的靈活、精度高和集成度高的特性，研究設(shè)計(jì)了光伏板清洗系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光伏板污漬的對準(zhǔn)清洗，節(jié)約水源，增加光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，基于改進(jìn)型模糊PID 控制算法的視覺伺服控制系統(tǒng)較之其它類型的控制系統(tǒng)，可以更高效、 更安全地控制機(jī)械臂末端對準(zhǔn)光伏板污漬，使光伏板污漬處于視頻圖像的正中心，實(shí)現(xiàn)污漬點(diǎn)的定點(diǎn)清洗。較之其它光伏板清洗設(shè)備，本文設(shè)計(jì)的視覺伺服控制系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、誤差小、超調(diào)量小、精度高、清洗效果理想。光伏板清洗視覺伺服控制系統(tǒng)經(jīng)過不斷的調(diào)參優(yōu)化，機(jī)械臂定位的精確度較高，為視覺伺服控制系統(tǒng)研究提供素材，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。