مدلسازی دینامیکی و کنترل یک ربات پاک‌کننده برای مزارع خورشیدی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تهران

2 عضو هیات علمی

3 خواجه نصیر

چکیده

در این مقاله به معرفی و مدلسازی دینامیکی و کنترل یک ربات پایه متحرک برای پاک‌کردن صفحات فتوولتائیک مزارع خورشیدی پرداخته می‌شود. با توجه به قرارگیری صفحات فتوولتائیک در محیط‌هایی که عملیات کشاورزی در آن‌ها انجام می‌شود، همواره مشکل تجمع گرد و خاک بر روی سطح صفحات فتوولتائیک، منجر به کاهش بازده انرژی می‌گردد. به همین دلیل و با توجه به موقعیت قرارگیری صفحات فتوولتائیک بایستی به صورت دوره‌ای در زمان‌های معین به پاک‌کردن این صفحات پرداخته شود. برای پاک‌کردن صفحات فتوولتائیک می‌توان از ربات‌های خودکار پاک‌کننده استفاده نمود. برای جابجاکردن ربات پاک‌کننده بین ردیف‌های صفحات فتوولتائیک در مزارع خورشیدی، از یک ربات متحرک برای جابه‌جایی استفاده می‌گردد. در این طرح، پایه متحرک ربات به یک بازوی ساده مجهز شده است تا بتواند پاک‌کننده را در بین ردیف‌های مختلف جابه‌جا نماید. این امر باعث می‌شود تا برای پاک‌کردن صفحات فتوولتائیک یک نیروگاه از یک سیستم خودکار بهره جست و بر خلاف طرح‌های موجود نیازی به استفاده از یک ربات برای هر ردیف نمی‌باشد. بنابراین، ضمن معرفی این سیستم رباتیک، و به عنوان بخشی از تحلیل و طراحی اولیه، به مدلسازی دینامیکی و کنترل آن پرداخته می‌شود. در پایان، مزایا و معایب هر روش برای ربات طراحی‌شده در انجام عملیات پاک‌کردن صفحات فتوولتائیک بررسی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Dynamic modeling and control of cleaning robot for agro-photovoltaic

نویسندگان [English]

  • Farima Hajiahmadi 1
  • Payam Zarafshan 1
  • Mohammad dehghani 2
  • seyed ali akbar moosavian 3
  • Reza Hassanbeigi 1
1 University of Tehran
2 University of Tehran
3 K. N. Toosi Univ. of Tech.
چکیده [English]

In this paper, modeling and control of a robotic carrier for the cleaning system of solar farms are presented. Since solar panels are placed in natural environments, there is always a problem of dust accumulation on the panels, which results in absorbed energy reduction. Hence, robotic cleaners can be used for solar panels. For relocation of the cleaning robot between solar panel rows, an automated carrier mechanism is required. Hence, a robotic system for cleaner displacement is introduced, and its dynamics modeling and control are presented. The robot kinetics and kinematics models have been derived and validated by ADAMS software. Hence, kinetics and kinematics model-based controllers are introduced for robot motion control. Using the kinetics model, a computed torque method controller is designed and simulated. For less computational effort, a transposed Jacobian controller is designed, using the kinematics model. Finally, to increase control performance, an modified transposed Jacobian controller is also designed. The desired trajectory is designed for the robot. Finally, for software verification and analysis, the controllers are simulated, using co-simulation of MATLAB Simulink and ADAMS model. The simulation results show the satisfactory performance of the controllers and can be used for further design analysis of the prototype.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cleaner robot photovoltaic panels
  • Agro-photovoltaic
  • Dynamics modeling
  • Model base control
  • Simulation
[1] E. De Schepper, S. Van Passel, J. Manca, T. Thewys, Combining photovoltaics and sound barriers–A feasibility study, Renewable energy, 46 (2012) 297-303.
[2] C. Dupraz, H. Marrou, G. Talbot, L. Dufour, A. Nogier, Y. Ferard, Combining solar photovoltaic panels and food crops for optimising land use: towards new agrivoltaic schemes, Renewable energy, 36(10) (2011) 2725-2732.
[3] A. Syafiq, A. Pandey, N. Adzman, N. A. Rahim, Advances in approaches and methods for self-cleaning of solar photovoltaic panels, Solar Energy, 162 (2018) 597-619.
[4] N. M. Kumar, K. Sudhakar, M. Samykano, S. Sukumaran, Dust cleaning robots (DCR) for BIPV and BAPV solar power plants-A conceptual framework and research challenges, Procedia Computer Science, 133(2018) 746-754.
[5] J. Burgaleta, A. Ternero, D. Vindel, I. Salbidegoitia, G. Azcarrraga, Gemasolar, key points for the operation of the plant, SolarPACES, Marrakech, (2012).
[6] S. Bushong, Robot Cleans Solar Panels And Protects Efficiency, Dust Wars, (2013).
[7] D. Deb, N. L. Brahmbhatt, Review of yield increase of solar panels through soiling prevention, and a proposed water-free automated cleaning solution, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82 (2018) 3306-3313.
[8] A. Saini, A. Nahar, A. Yadav, D. S. Shekhawat, M. A. Vijayvargiya, Solar Panel Cleaning System, 3(5) (2017).
[9] A. K. Mondal, K. Bansal, A brief history and future aspects in automatic cleaning systems for solar photovoltaic panels, Advanced Robotics, 29(8) (2015) 515-524.
[10] Serbot Swiss Innovations. GEKKO Solar Robot; [cited 2019 Aug]. Available from: http://WWW/en/solar-panels-cleaning/gekko-solar-robot." (accessed).
[11] M. Anderson, Robotic device for cleaning photovoltaic panel arrays, in Mobile Robotics: Solutions and Challenges: World Scientific, (2010) 367-377.
[12] Ecoppia. EMPOWERING SOLAR; [cited 2019 Aug]. Available from: http://WWW/products-and-services/." (accessed).
[13] M. A. Jaradat, A fully portable robot system for cleaning solar panels, in 2015 10th International Symposium on Mechatronics and its Applications (ISMA), (2015) 1-6.
[14] D. C. Tranca, D. Rosner, A. V. Palacean, Autonomous flexible low power industrial IoT controller for solar panels cleaning systems, in 2017 21st International Conference on Control Systems and Computer Science (CSCS), (2017) 106-112.
[15] H. Wang, W. Ren, C. C. Cheah, Y. Xie S. Lyu, Dynamic Modularity Approach to Adaptive Control of Robotic Systems With Closed Architecture, IEEE Transactions on Automatic Control, 65(6) (2020) 2760-2767.
[16] O. Christidi-Loumpasefski, G. Rekleitis, E. Papadopoulos, Concurrent Parameter Identification and Control for Free-Floating Robotic Systems during On-Orbit Servicing, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Paris, France, (2020).
[17] Realizzazioni Robot, Oct 2019. Realizzazioni Wash panel; serie: wp_ SEMOV; Alcuni esempi di soluzioni di lavaggio con sistemi washpanel semoventi, http://www.washpanel.com/realizzazioni.php.
[21] Ecoppia E4, Aug 2019. Ecoppia: EMPOWERING SOLAR, https://www.ecoppia.com.
[22] Solarbrush Robot, Oct 2019. Solarbrush. https://www.aerialpower.com/solarbrush/ .
[23] Miraikikai Robot, Aug 2019. Miraikikai, https://WWW/en/mjcompany/miraikikai.html.
[24] NOMADD Robot, Oct 2019. NOMADD, http://www.nomaddesertsolar.com/.
[25] John J. Craig, Introduction to Robotics Mechanics and Control. 3rd ed., (2018).
[26] Mark W. Spong, Seth Hutchinson, and M. Vidyasagar, Robot Modeling and Control. 1st ed.
[27] M. Hafezipour, E. Saffari, P. Zarafshan, S. A. A. Moosavian, Manipulation control of multi-body free-floating space robot based on software combination, in 2013 First RSI/ISM International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), (2013) 271-276.
[28] S. R. Larimi, P. Zarafshan, S. A. A. Moosavian, Stabilized supervising control of a two wheel mobile manipulator, in 2013 First RSI/ISM International Conference on Robotics and Mechatronics (ICRoM), (2013) 265-270.
[29] A. K. Khalaji, S. A. A. Moosavian, Modified transpose Jacobian control of a tractor-trailer wheeled robot, Journal of Mechanical Science and Technology, 29 (2015) 3961–3969.
[30] M. Karimi, S. A. A. Moosavian, Modified transpose effective jacobian law for control of underactuated manipulators, Advanced Robotics, 24(4) (2010) 605-626.
[31] M. Eslamy, S. A. A. Moosavian, Dynamics and Cooperative Object Manipulation Control of Suspended Mobile Manipulators, Journal of Intelligent & Robotic Systems, 60 (2010) 181–199.