An autonomous robot to clean heliostats
Date
2020-12
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis details the design and testing of a proof-of-concept robot capable of cleaning heliostats in concentrated solar power (CSP) plants. Heliostats accumulate dust, causing a decrease in their reflectivity, decreasing their ability to provide heat to the system. Current heliostat cleaning methods include large trucks which lack automation and use large amounts of water. The challenge was thus to design and build a robot capable of navigating heliostats of various sizes. The robot localises itself on the heliostat using a camera, ultrasonic sensors and wheel encoders. The camera makes use of Hough line detection to detect the edges of the heliostat and orientate the robot when near the middle of the mirror, and the ultrasonic sensors were used to detect when the robot was at the edges. The encoders ensure the robot can keep track of its movement. A pinhole camera model was assumed for the camera because it has been calibrated. This allowed the 2D image co-ordinates of the heliostat edge lines to be transformed to real world 3D co-ordinates and to determine the orientation of the robot relative to the line. The extrinsic parameters of the pinhole camera model were derived both experimentally and theoretically, but the experimental values yielded more accurate line prediction results. It was seen that a higher camera resolution yielded better predictions of the robot’s orientation, but the further away the robot was from the line the less capable it was of reliably determining its orientation. Higher Hough line thresholds also yielded less reliable results. The robot could navigate the heliostat by making use of the ultrasonic sensors and wheel encoders when camera data was not available. The robot experienced problems with navigation at the heliostat corners and if the heliostat had short edges, but solutions to these problems are provided. A proof of- concept robot was thus designed, built, and tested that could navigate the surface of a heliostat using a camera, ultrasonic sensors, and wheel encoders. Artificial intelligence or machine learning can also be implemented with the camera to improve the system, but the robot has the potential to address the challenges faced in the existing cleaning methods of heliostats in large scale concentrated solar power plants.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwerp en toets van ’n bewys van konsep robot wat heliostate in gekonsentreerde sonkragaanlegte kan skoonmaak. Heliostate versamel stof, wat die reflektiwiteit verminder en sodoende hul vermoë verminder om hitte aan die stelsel te verskaf. Huidige skoonmaakmetodes vir heliostate sluit groot vragmotors in wat min outomatisering het en wat groot hoeveelhede water gebruik. Die uitdaging was dus om ’n robot te ontwerp en te bou wat in staat is om heliostate van verskillende groottes te kan skoonmaak. Die robot lokaliseer homself op die heliostaat met behulp van ’n kamera, ultrasoniese sensors en wiel enkodeerders. Die kamera maak gebruik van Hough-lynopsporing om die rande van die heliostaat te vind en die robot te oriënteer wanneer dit naby aan die middel van die spieël is. Die ultrasoniese sensors word gebruik om te bepaal wanneer die robot naby aan die kante is. Die wiel enkodeerders help die robot se navigasie. ‘n Speldgat-kameramodel word gebruik omdat die kamera gekalibreer is. Dit maak dit moontlik om die 2D-beeldkoördinate van die heliostaatrandlyne om te skakel na 3D-koördinate van die regte wêreld asook om die oriëntasie van die robot in verhouding tot die lyn te bepaal. Die ekstrinsieke veranderlikes van die speldgat-kameramodel is beide eksperimenteel en teoreties bepaal, maar die eksperimentele waardes het meer akkurate lynvoorspellingsresultate opgelewer. Daar is bevind dat ’n hoër kamera-resolusie beter voorspellings lewer van die oriëntasie van die robot, maar hoe verder die robot van die lyn af was, hoe swakker was die betroubaar daarvan. Hoër Hough-lyndrempels het ook minder betroubare resultate opgelewer. Die robot kon oor die heliostaat navigeer deur gebruik te maak van die ultrasoniese sensors en wielkodeerders as kameradata nie beskikbaar was nie. Die robot het problem ondervind om te navigeer wanneer dit naby aan die heliostathoeke was of wanneer die heliostatkante kort was, maar oplossings vir hierdie probleme word verskaf. ’n Bewys van die konsep-robot is dus ontwerp, gebou en getoets om die oppervlak van ’n heliostaat te navigeer met behulp van ’n kamera, ultrasoniese sensors en wielenkodeerders. Kunsmatige intelligensie of masjienleer kan ook met die kamera geïmplementeer word om die stelsel te verbeter. Die robot het die potensiaal om die uitdagings in die bestaande skoonmaakmetodes van heliostate in grootskaalse gekonsentreerde sonkragaanlegte aan te spreek.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwerp en toets van ’n bewys van konsep robot wat heliostate in gekonsentreerde sonkragaanlegte kan skoonmaak. Heliostate versamel stof, wat die reflektiwiteit verminder en sodoende hul vermoë verminder om hitte aan die stelsel te verskaf. Huidige skoonmaakmetodes vir heliostate sluit groot vragmotors in wat min outomatisering het en wat groot hoeveelhede water gebruik. Die uitdaging was dus om ’n robot te ontwerp en te bou wat in staat is om heliostate van verskillende groottes te kan skoonmaak. Die robot lokaliseer homself op die heliostaat met behulp van ’n kamera, ultrasoniese sensors en wiel enkodeerders. Die kamera maak gebruik van Hough-lynopsporing om die rande van die heliostaat te vind en die robot te oriënteer wanneer dit naby aan die middel van die spieël is. Die ultrasoniese sensors word gebruik om te bepaal wanneer die robot naby aan die kante is. Die wiel enkodeerders help die robot se navigasie. ‘n Speldgat-kameramodel word gebruik omdat die kamera gekalibreer is. Dit maak dit moontlik om die 2D-beeldkoördinate van die heliostaatrandlyne om te skakel na 3D-koördinate van die regte wêreld asook om die oriëntasie van die robot in verhouding tot die lyn te bepaal. Die ekstrinsieke veranderlikes van die speldgat-kameramodel is beide eksperimenteel en teoreties bepaal, maar die eksperimentele waardes het meer akkurate lynvoorspellingsresultate opgelewer. Daar is bevind dat ’n hoër kamera-resolusie beter voorspellings lewer van die oriëntasie van die robot, maar hoe verder die robot van die lyn af was, hoe swakker was die betroubaar daarvan. Hoër Hough-lyndrempels het ook minder betroubare resultate opgelewer. Die robot kon oor die heliostaat navigeer deur gebruik te maak van die ultrasoniese sensors en wielkodeerders as kameradata nie beskikbaar was nie. Die robot het problem ondervind om te navigeer wanneer dit naby aan die heliostathoeke was of wanneer die heliostatkante kort was, maar oplossings vir hierdie probleme word verskaf. ’n Bewys van die konsep-robot is dus ontwerp, gebou en getoets om die oppervlak van ’n heliostaat te navigeer met behulp van ’n kamera, ultrasoniese sensors en wielenkodeerders. Kunsmatige intelligensie of masjienleer kan ook met die kamera geïmplementeer word om die stelsel te verbeter. Die robot het die potensiaal om die uitdagings in die bestaande skoonmaakmetodes van heliostate in grootskaalse gekonsentreerde sonkragaanlegte aan te spreek.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Heliostat -- Cleaning, Robotics, Navigation, UCTD