一、项目概述

1.1 项目背景

随着全球新能源产业快速发展，光伏电站装机量持续增长，光伏组件表面积灰、沙尘、鸟粪等污染物会显著降低发电效率，严重时可导致发电量下降20%-30%。传统人工清洁方式存在效率低、成本高、易损伤组件、高空作业安全风险大、水资源消耗大等痛点，已无法满足大规模光伏电站的运维需求。本项目采用ODM定制研发模式，开发基于自主导航的光伏智能清洁机器人，采用无水/微水清洁技术，适配地面电站、山地电站、屋顶电站等多场景，实现全自动无人化清洁运维，采用模块化平台化设计，支持清洁方式、行走机构、导航方案、运维管理深度定制，帮助品牌客户快速推出差异化光伏运维产品，覆盖集中式、分布式全场景光伏清洁需求。

1.2 项目核心定位

本光伏清洁机器人定位为“高效无水清洁+全自主作业+多场景适配”的专业级光伏运维终端，以高清洁效率与组件安全防护为核心，以智能路径规划、自主越障、全天候作业、远程运维管理为特色，兼顾大型地面电站与分布式屋顶电站需求，为光伏电站提供降本增效、安全可靠的智能化清洁解决方案。

1.3 项目研发目标

• 完成高效清洁系统开发，采用滚刷清扫+刮板刮净复合清洁结构，清洁覆盖率≥99%，清洁效率≥1200㎡/小时，清洁后组件透光率恢复至95%以上
• 实现全自主导航作业，支持视觉识别组件边界，自动换行、自动避障、自动复位，适配0°-45°倾角光伏组件，可跨越30mm组件边框
• 构建全维度安全防护体系，防坠落、防倾覆、过流保护、应急急停、故障自诊断，全方位保障设备与组件安全
• 标配长续航锂电系统，单次连续作业≥4小时，支持换电/充电双模式，适配大规模电站连续作业需求

二、需求分析

2.1 功能需求

2.2 性能指标需求

• 清洁性能：清洁宽度1000mm；清洁效率≥1200㎡/h；清洁覆盖率≥99%；清洁后透光率恢复≥95%；适用组件倾角0°-45°；越障高度≥30mm
• 行走性能：行走速度0-15m/min无级可调；转弯半径≤0.5m；履带式行走机构，防滑附着力强；组件表面行走不打滑、不划伤玻璃
• 续航性能：标配锂电池容量≥20Ah；单次连续作业时间≥4小时；电池循环寿命≥2000次；换电时间≤2分钟
• 可靠性能：IP65级防水防尘，适应户外雨雪沙尘环境；工作温度范围-20℃~60℃；平均无故障工作时间（MTBF）≥3000小时；整机使用寿命≥8年

2.3 应用场景适配需求

• 大型地面电站场景：适配荒漠、戈壁、平原大型集中式光伏电站，要求清洁效率高、长续航、集群管理、耐沙尘，满足大规模阵列无人化清洁需求
• 山地光伏电站场景：适配山地、丘陵起伏型光伏电站，要求强越障、大倾角适配、防滑行走、自适应地形，满足复杂地形清洁需求
• 屋顶分布式场景：适配工商业屋顶、户用屋顶光伏，要求轻量化、防坠落、灵活转向、低噪音，满足分布式电站运维需求
• 水上光伏场景：适配水面漂浮式光伏电站，要求防水防腐、轻量化、行走平稳，满足水上光伏清洁运维需求

2.4 合规与认证需求

产品设计符合GB/T 38124《服务机器人安全通用技术要求》、GB 4943.1信息技术设备安全标准；满足3C强制性认证、CE、FCC、ROHS通用合规要求；电气安全符合户外设备相关标准；电池系统符合GB 38031动力电池安全标准；生产体系适配ISO 9001质量管理体系要求，可配合客户完成各地区市场准入与光伏行业相关认证。

三、总体架构设计

3.1 系统整体架构

本系统采用端-网-云分层架构设计，从感知采集到云端运维分为五层架构，各层接口标准化、功能解耦，保障作业稳定性与数据安全性，同时满足多场景的功能定制与扩展需求。

1. 感知采集层：视觉摄像头、倾角传感器、碰撞传感器、边缘检测传感器、GPS模组、里程计，负责环境、位置、设备状态数据实时采集
2. 核心决策层：主控SOC、运动控制单元、算法处理单元，负责环境感知、路径规划、清洁决策、运动控制
3. 执行驱动层：行走电机、滚刷电机、喷水机构、转向机构、充电对接机构，负责设备行走、清洁作业、自动回充等物理动作执行
4. 网络传输层：4G/5G+WiFi+蓝牙多模通讯，实现设备与运维平台、移动端的数据双向传输
5. 云端应用层：运维管理平台、数据统计分析、设备集群管理、远程OTA升级，实现全电站智能化运维管理

3.2 核心器件选型

• 主控SOC：选用工业级ARM架构高性能处理器，内置AI加速单元，算力充足，满足视觉识别、导航算法、运动控制实时运算需求，宽温设计适配户外极端环境。
• 导航传感器：高清工业摄像头+高精度IMU+GPS/北斗双模定位，配合边缘检测传感器，实现组件边界精准识别与行走路径精准控制。
• 动力系统：选用直流无刷伺服电机，大扭矩、高效率、寿命长，配套专用驱动电路，适配爬坡、越障等复杂工况。
• 清洁系统：高密度柔性滚刷+耐磨硅胶刮板，旋转清扫+平移刮净双重作用，清洁彻底且不损伤组件镀膜。
• 电源系统：大容量磷酸铁锂电池组，安全稳定、循环寿命长、宽温性能好，配套智能BMS管理系统，保障供电安全与续航表现。

3.3 设计原则

• 安全可靠原则：从机械结构、电子检测、软件算法多维度构建安全防护体系，严格遵循户外设备安全标准，保障设备、组件与人员安全
• 高效清洁原则：优化清洁结构与路径规划，提升清洁效率与覆盖率，确保清洁效果一致性，最大化提升发电量收益
• 环境适配原则：宽温设计、高等级防水防尘、防腐蚀，适应沙漠、高原、沿海、严寒等各类极端户外环境
• 模块化定制原则：软硬件全模块化设计，功能按需裁剪，外观与配置深度定制，快速响应不同场景差异化需求

四、硬件研发设计方案

4.1 硬件整体框架

硬件电路围绕主控核心板展开，分为六大功能单元：核心控制单元、导航感知单元、行走驱动单元、清洁作业单元、电源管理单元、安全防护单元。所有单元采用模块化布局，强弱电隔离，核心板通用，外设与配置差异化选配，保障户外复杂环境下长期稳定运行。

4.2 核心功能单元设计

4.2.1 核心控制单元

• 采用工业级ARM架构主控芯片，内置NPU算力单元，支持AI视觉算法运行，满足实时边缘检测与避障运算需求
• 标配大容量内存与存储，支持地图数据存储、作业日志记录与系统运行，可离线存储30天以上作业数据
• 硬件看门狗电路，异常死机自动复位，保障户外无人值守时设备稳定运行
• 工业级宽温设计，-20℃~60℃全温域稳定工作，适应四季户外极端温度变化

4.2.2 导航感知单元

• 双目视觉摄像头，实时采集光伏组件图像，识别组件边界、缝隙、障碍物，精度可达毫米级
• 高精度IMU惯性测量单元，结合轮式里程计，实现短距离高精度位姿推算，弥补卫星信号盲区
• GPS+北斗双模卫星定位，支持全局位置标定与作业区域划分，适配大范围电站集群管理
• 多组红外/超声边缘检测传感器，前后左右四向检测组件边缘，防止设备坠落，响应时间≤10ms

4.2.3 行走驱动单元

• 双履带式行走机构，接触面积大、附着力强，大倾角组件表面行走不打滑，越障能力强
• 直流无刷伺服电机，大扭矩输出，支持0-15m/min无级调速，响应快、控制精度高
• 高精度编码器闭环控制，行走速度稳定，路径跟踪精度高，偏差≤±10mm
• 履带采用防静电、高耐磨橡胶材质，不划伤组件玻璃表面，使用寿命长

4.2.4 清洁作业单元

• 复合清洁结构：高密度柔性滚刷旋转清扫浮尘，耐磨硅胶刮板刮除顽固污渍，双重清洁确保洁净度
• 滚刷转速可调，适配不同积灰程度，软质刷毛不伤组件镀膜与边框
• 可选配微水喷淋系统，雾化喷水润湿，提升顽固污渍清洁效果，耗水量极低
• 浮动式清洁机构设计，自适应组件表面起伏，保证清洁压力均匀，清洁效果一致

4.2.5 电源管理单元

• 大容量磷酸铁锂电池组，标称电压24V，容量20Ah起可定制，能量密度高、安全性好、循环寿命长
• 智能BMS电池管理系统，具备过充、过放、过流、过温、短路全维度保护，实时监测电池状态
• 快换式电池仓设计，支持快速更换电池，也可支持自动充电对接，适配不同运维模式
• 低功耗待机设计，待机功耗极低，长时间闲置也不会亏电

4.2.6 安全防护单元

• 防坠落保护：四向边缘检测传感器，识别到组件边缘立即减速停止并自动后退
• 碰撞保护：机身四周碰撞传感器，触碰到障碍物立即停机并转向避让
• 倾覆保护：倾角传感器实时监测机身姿态，倾斜超过安全角度立即停机并告警
• 硬件急停：机身前后双急停按钮，一键紧急停机，应对突发状况
• 过载保护：电机、滚刷过载自动停机，防止烧毁电机与损伤组件

4.3 PCB与结构设计

• PCB设计：采用4层板工业级设计，电源与信号分层布局，减少电磁干扰；功率回路做加宽加厚处理，降低温升；整板做三防漆喷涂处理，防潮、防盐雾、防腐蚀；接口部位做防水密封处理；核心板标准化设计，适配不同外观壳体与配置方案。
• 结构外观设计：采用轻量化铝合金+工程塑料复合机身，强度高、重量轻，适配屋顶光伏承重限制；整机IP65级防水防尘设计，可抵御高压水枪冲洗与沙尘环境；模块化结构设计，清洁模组、行走模组、电池模组均可快速拆卸维护；可定制机身颜色、LOGO、表面工艺，适配客户品牌形象；可根据需求调整清洁宽度、行走方式，适配不同规格光伏组件。

五、软件研发设计方案

5.1 软件整体架构

采用分层模块化软件架构，基于实时操作系统开发，从底层到上层分为硬件驱动层、系统内核层、算法引擎层、业务应用层，各层接口标准化，模块解耦，便于功能扩展与定制裁剪。

• 硬件驱动层：实现电机、传感器、通讯、电源、指示灯等底层硬件驱动
• 系统内核层：基于RTOS实时操作系统，实现任务调度、内存管理、电源管理
• 算法引擎层：集成视觉识别算法、融合定位算法、路径规划算法、清洁控制算法
• 业务应用层：实现核心业务逻辑，包含清洁作业、安全防护、通讯交互、数据管理等功能模块

5.2 核心功能模块开发

5.2.1 导航控制模块

• 多传感器融合定位算法，视觉+IMU+里程计+卫星多源数据融合，实现高精度稳定定位
• 组件边缘视觉识别算法，精准识别光伏板边界、缝隙、障碍物，引导机器人沿边行走
• 智能路径规划算法，弓字形全覆盖清洁路径，自动换行、自动避障，覆盖率≥99%
• 断点续扫功能，中断后自动回到断点继续清洁，无需重复作业，提升效率

5.2.2 清洁作业模块

• 全自动清洁流程，一键启动自动完成整排组件清洁、换行、返航全流程，无需人工干预
• 清洁力度自适应，根据积灰程度自动调节滚刷转速与行走速度，兼顾清洁效果与效率
• 定时任务功能，可设置每日/每周固定时间自动清洁，适配电站运维计划
• 作业数据统计，自动记录清洁面积、时长、路径、电池状态，生成清洁作业报表

5.2.3 安全防护模块

• 分级安全保护机制，预警-减速-停机三级响应，兼顾作业效率与安全
• 多重故障自诊断，自动检测电机、传感器、电池状态，故障立即告警并记录
• 异常天气保护，检测到大风、降雨自动返航停靠，避免设备损坏
• 权限管理功能，操作权限分级，防止非专业人员误操作

5.2.4 交互管理模块

• 机身实体按键+指示灯，现场操作便捷，状态清晰直观
• 配套手持遥控器，支持手动操控、模式切换，方便调试与应急操作
• 手机APP/WEB端远程监控，实时查看设备状态、作业进度，远程下发任务
• 多设备集群管理，支持数十台设备统一调度，协同作业，提升整站运维效率

5.2.5 云端运维与OTA模块

• 云端运维平台：设备管理、任务调度、数据统计、故障告警、报表生成，全维度电站运维管理
• 数据云同步：作业数据、设备状态云端备份，多终端同步查看
• OTA升级：支持整机固件远程升级，持续优化算法与新增功能，延长产品生命周期
• API对接：支持对接客户自有电站运维平台、光伏监控系统，提供标准接口

5.3 模块化可裁剪设计

软件功能采用模块化编译架构，通过配置开关实现功能按需裁剪，可快速生成不同定位的版本，满足客户差异化产品需求：

• 基础版：手动遥控+基础清洁+安全防护，精简实用，极致控本，适配小型分布式电站
• 标准版：自主导航+全自动清洁+APP管理，功能均衡，适配中小型地面电站与工商业屋顶
• 旗舰版：AI视觉识别+集群调度+微水清洁+光伏自充电，高配体验，适配大型集中式电站
• 行业定制版：按需定制作业模式、管理后台、对接第三方系统，适配山地、水面等特殊场景

六、多场景适配落地方案

6.1 大型地面电站场景适配

• 硬件配置：宽幅清洁版，大电池长续航，GPS全局定位，4G通讯，多机集群部署
• 软件配置：全自动路径规划、集群调度管理、作业报表、远程运维平台
• 应用价值：大幅降低人工清洁成本，提升清洁频次与发电效率，投资回报周期短，实现电站无人化运维

6.2 山地光伏电站场景适配

• 硬件配置：加强越野版，高扭矩电机、强防滑履带、大倾角适配、增强越障能力
• 软件配置：地形自适应算法、倾角补偿、动态路径调整、防滑行走策略
• 应用价值：解决山地电站人工清洁难度大、危险系数高的痛点，实现复杂地形高效清洁

6.3 屋顶分布式场景适配

• 硬件配置：轻量化设计，小尺寸灵活转向，强化防坠落保护，低噪音运行
• 软件配置：分区清洁、定点作业、电子围栏、远程操控，适配屋顶有限空间
• 应用价值：降低屋顶作业安全风险，提升分布式电站运维效率，保障屋顶光伏发电收益

6.4 水上光伏场景适配

• 硬件配置：防腐加强版，机身表面防腐处理，高等级防水，轻量化设计
• 软件配置：浮体阵列路径适配、湿滑表面行走优化、防水安全保护
• 应用价值：解决水上光伏人工清洁难、运维成本高的问题，保障水面电站发电效率

七、研发进度与里程碑

八、质量管控与测试方案

8.1 硬件测试方案

• 性能指标测试：清洁效率测试、覆盖率测试、行走精度测试、爬坡越障测试、续航时间测试、噪音测试
• 可靠性测试：高低温循环测试、湿热测试、振动测试、跌落测试、IP65防水防尘测试、老化测试
• 安规测试：绝缘耐压测试、接地电阻测试、漏电流测试、电池安全测试、静电放电测试
• 环境适应性测试：沙尘环境测试、盐雾腐蚀测试、强光环境测试、低温启动测试

8.2 软件测试方案

• 功能测试：全功能点遍历测试，包含清洁、导航、避障、回充、通讯、设置等所有功能
• 性能测试：定位精度、路径规划准确率、系统响应速度、长时间运行稳定性
• 兼容性测试：不同组件类型适配测试、不同倾角适配测试、多设备并发管理测试
• 异常测试：断电重启测试、异常场景容错测试、故障注入测试、升级中断测试

8.3 实场景测试

建立多场景实机测试矩阵，覆盖平整地面电站、起伏山地电站、屋顶电站、沙尘环境等典型场景，模拟真实使用环境进行长周期验证，重点考核清洁效果、导航稳定性、安全防护可靠性；可根据客户需求提供定制化场景测试与调校服务，确保产品适配目标电站环境。

8.4 全流程质量管控

• 研发阶段：执行设计评审、安规评审、算法评审、结构评审，每版样机输出完整测试报告，问题闭环管理
• 试产阶段：跟进生产组装、首件测试，输出生产测试规范与老化流程，保障量产一致性
• 交付阶段：提供全套研发资料、测试规范、生产指导文件，协助客户完成认证测试与量产导入

九、交付物与知识产权说明

9.1 完整交付清单

9.2 知识产权约定

• 本项目ODM定制开发的定制化硬件设计、专属外观设计、定制功能软件、专属后台系统知识产权归客户所有
• 项目所使用的通用基础算法、开源系统框架、通用平台化架构知识产权归原权利人所有，客户享有永久商用使用权
• 双方共享通用功能模块的使用权，保障后续产品迭代优化与技术升级
• 可配合客户提供知识产权申报相关技术资料，助力客户申请专利与软著

十、风险管控与应对措施