CN108390645A - 基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像并用机载处理器对红外图像的处理判断是否存在热斑故障；计算无人机的最优巡检路径，通过对飞行过程中的位置修正保证无人机在规划好的巡检路径上；通过机载定位设备获取无人机的实时位置，发现故障时以无人机的位置(经纬度信息)和故障在图像中的位置结合定位故障位置并存储、上传相关信息；通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电，进而实现整个过程的自动化。本发明公开的光伏板故障定位方法能够实现智能、高效地对光伏面板进行故障检测定位，以达到光伏电站运维目的。

Description

基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法

技术领域

本发明属于光伏发电技术领域，具体涉及光伏电站的发电效率及光伏电站整体的运维技术，尤其涉及一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法。

背景技术

为缓解能源资源短缺和气候变化的影响，世界各国逐渐增加可再生能源领域的开发和投资力度，光伏发电由于其资源普遍性、安全可靠和无噪的特点，成为继风电之后各国竞相发展的可再生能源发电方式，在长期的能源战略中具有重要地位。截至2016年底，我国光伏发电累计装机容量数据显示，我国装机量近70GW，在今后的十几年中，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。由于国家战略的支持，中国太阳能光伏发电又将迎来新一轮的快速增长。

太阳能光伏发电系统是由一系列太阳能组件电池串并联而成的。光伏电站一般安装在荒郊野外，或者屋顶，自然环境恶劣。在运行过程中，由于风沙、雪灾、阴影、碎片、污垢、鸟粪、电池板老化、电池板尺寸不统一、云雾遮盖或其他因素，太阳能组件效率会有不同程度的下降，而单个组件效率下降或损坏会带来系统整体的效率大幅下降。在我国西北地区大面积光伏发电群，影响发电量的因素中尤以风沙影响最为严重，占60％以上。光伏组件长期暴露在大风沙尘中，光伏面板由于灰尘在表面的积累会影响发电效率并会造成光电池热斑(局部温度升高)故障，这意味着我国太阳能发电行业每年因为灰尘造成的损失高达7个亿。

传统的故障检测方法主要通过检测光伏组件发电功率来判断光伏组件是否有故障发生，但是这种方法虽然能够判断出是否有灰尘遮挡、热斑等故障出现，但是难以在数量巨大的光伏面板中准确定位故障。

光伏面板出现热斑故障后会出现故障位置温度升高的现象，因此通过红外摄像机对光伏面板进行热成像，从红外图像中的温度分布可以判断出故障位置，传统方法在出现故障后需要以人工手持检测设备的方式进行排查，但是光伏组件往往占地面积巨大，以人工的方法对光伏组件进行故障巡检定位耗时耗力效率低下，不能满足实际需求。因此需要一种更加智能、高效的方法对光伏面板进行故障检测定位，以达到光伏电站运维目的。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，实现智能、高效地对光伏面板进行故障检测定位，以达到光伏电站运维目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1.通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像，通过机载处理器对红外图像的处理判断是否存在热斑故障；

步骤2.通过路径规划算法求得无人机的最优巡检路径，通过对飞行过程中的位置修正保证无人机在规划好的巡检路径上；

步骤3、通过机载定位设备获取无人机的实时位置，发现故障时以无人机的位置(经纬度信息)和故障在图像中的位置结合定位故障位置并存储、上传相关信息；

步骤4.通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电，进而实现整个过程的自动化完成。

进一步地，所述步骤1中所述通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像的具体过程如下：

由运维人员规划好巡检任务，通过无人机携带的无线通信设备在线发送给无人机；

无人机接收任务之后携带热成像摄像机起飞，飞向待检区域，飞行过程中实时定位获取自身位置信息。

进一步地，所述步骤2中所述对飞行过程中的位置修正的控制方法具体如下：

假设当前无人机位置A到起点(上一航点)的距离为d，计算沿正确路径前进距离为d的位置B的坐标；

计算点A和点B的坐标差dx,dy，若dx,dy均为0，说明无人机处于正确的飞行路径上，若dx,dy不为0，说明无人机已经偏离正确路径，则设置期望位置为B点，使无人机回到正确的路径。

进一步地，所述步骤3所述通过机载定位设备获取无人机的实时位置的具体过程如下：

所述四旋翼无人机携带飞行控制器、GPS/北斗双模卫星定位模块、热成像摄像机、图像处理单元、无线充电模块、无线通信模块；

其中，飞行控制器集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘等传感器用于无人机的位置估计及姿态测量和控制；

无人机的定位由上述加速度计、陀螺仪、电子罗盘、GPS/北斗等传感器和卫星定位设备共同完成；

其中，由加速度计、陀螺仪、电子罗盘组成惯性导航单元利用无人机的速度、加速度信息对位置做出解算，解算的参考坐标系为NED地理坐标系，其中，X轴指向正北，Y轴指向正东，Z轴指向地心；

GPS/北斗模块得到的经纬度位置信息进行融合得到更加精确的位置信息。

进一步地，所述步骤4所述通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电的具体过程如下：

定点降落地点位置坐标固定，首先无人机以此坐标为目的地飞向降落处附近上方；

在地面上设置圆形红色图像标记，通过摄像机采集到的图像可以判断标记物相对无人机的方向；

根据所述方向调整无人机的位置直至标记物出现在视野中心，此时所述无人机处于标记物正上方；

可对所述无人机进行垂直降落，降落过程中检测标记是否处于视野中心并适时调整，直至降落。

本发明提供了基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，为光伏电站的光伏组件故障检测提供了自动、高效的方法，以达到光伏电站运维目的。

1)无人机携带红外摄像头进行故障巡检实现全自动化；

2)以旅行商问题求解光伏板多区域巡检的路径规划问题；

3)实现无人机返航定点降落方法及自动充电。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的流程示意简图。

图2是本发明一较佳实施例的无人机光伏巡检法流程示意图。

图3是本发明另一较佳实施例的无人机的导航控制系统示意图。

图4是本发明一较佳实施例的无人机的路径修正方法流程示意图。

图5是本发明另一较佳实施例的红外图像处理及故障识别定位方法流程示意图。

图6是本发明一较佳实施例的定点降落过程流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，自动、高效地实现光伏电站的光伏组件故障检测，其流程如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1.通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像，通过机载处理器对红外图像的处理判断是否存在热斑故障；

步骤2.通过路径规划算法求得无人机的最优巡检路径，通过对飞行过程中的位置修正保证无人机在规划好的巡检路径上；

步骤3、通过机载定位设备获取无人机的实时位置，发现故障时以无人机的位置(经纬度信息)和故障在图像中的位置结合定位故障位置并存储、上传相关信息；

步骤4.通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电，进而实现整个过程的自动化完成。

进一步地，所述步骤1中所述通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像的具体过程如下：

由运维人员规划好巡检任务，通过无人机携带的无线通信设备在线发送给无人机；

无人机接收任务之后携带热成像摄像机起飞，飞向待检区域，飞行过程中实时定位获取自身位置信息。

进一步地，所述步骤1中所述通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像的具体过程如下：

1)图像预处理；

2)图像分割和特征提取。

其中，所述图像预处理包括图像的增强和滤波。所述图像的增强采用对灰度直方图的均衡化方法，首先向直方图中插值，并且波峰附近插入较多的灰度值，波谷处插入较少的灰度值，然后将修正后的直方图局部均匀化；所述图像的滤波采用中值滤波方法，既以像素点邻域中值代替该像素点的值。首先选一个包括奇数个点的窗口(方形区域)，然后将窗口内的中间灰度值代替窗口中心的灰度值。

所述图像分割和特征提取采用基于阈值的图像分割算法：在光伏阵列红外图像中，选定一个阈值，令灰度值小于阈值的部分定义为目标区域，阈值的选择采用最大类间方差法，以灰度直方图为基础，以将图像中的不同类的类间方差最大化为准则，来选取图像分割的最佳阈值。

进一步地，所述步骤2中所述对飞行过程中的位置修正的控制方法具体如下：

假设当前无人机位置A到起点(上一航点)的距离为d，计算沿正确路径前进距离为d的位置B的坐标；

计算点A和点B的坐标差dx,dy，若dx,dy均为0，说明无人机处于正确的飞行路径上，若dx,dy不为0，说明无人机已经偏离正确路径，则设置期望位置为B点，使无人机回到正确的路径。

进一步地，所述步骤3所述通过机载定位设备获取无人机的实时位置的具体过程如下：

所述四旋翼无人机携带飞行控制器、GPS/北斗双模卫星定位模块、热成像摄像机、图像处理单元、无线充电模块、无线通信模块；

其中，飞行控制器集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘等传感器用于无人机的位置估计及姿态测量和控制；

无人机的定位由上述加速度计、陀螺仪、电子罗盘、GPS/北斗等传感器和卫星定位设备共同完成；

其中，由加速度计、陀螺仪、电子罗盘组成惯性导航单元利用无人机的速度、加速度信息对位置做出解算，解算的参考坐标系为NED地理坐标系，其中，X轴指向正北，Y轴指向正东，Z轴指向地心；

GPS/北斗模块得到的经纬度位置信息进行融合得到更加精确的位置信息。

进一步地，所述步骤4所述通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电的具体过程如下：

定点降落地点位置坐标固定，首先无人机以此坐标为目的地飞向降落处附近上方；

在地面上设置圆形红色图像标记，通过摄像机采集到的图像可以判断标记物相对无人机的方向；

根据所述方向调整无人机的位置直至标记物出现在视野中心，此时所述无人机处于标记物正上方；

可对所述无人机进行垂直降落，降落过程中检测标记是否处于视野中心并适时调整，直至降落。

以上实施例公开的方法光伏发电场提供了一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，实现智能、高效地对光伏面板进行故障检测定位，以达到光伏电站运维目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1.通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像，通过机载处理器对红外图像的处理判断是否存在热斑故障；

步骤2.通过路径规划算法求得无人机的最优巡检路径，通过对飞行过程中的位置修正保证无人机在规划好的巡检路径上；

步骤3、通过机载定位设备获取无人机的实时位置，发现故障时以无人机的位置(经纬度信息)和故障在图像中的位置结合定位故障位置并存储、上传相关信息；

步骤4.通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电，进而实现整个过程的自动化完成。

2.如权利要求1所述的基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，其特征在于，所述步骤1中所述通过多旋翼无人机携带热成像相机在空中获取光伏面板的红外图像的具体过程如下：

由运维人员规划好巡检任务，通过无人机携带的无线通信设备在线发送给无人机；

无人机接收任务之后携带热成像摄像机起飞，飞向待检区域，飞行过程中实时定位获取自身位置信息。

3.如权利要求1所述的基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，其特征在于，所述步骤2中所述对飞行过程中的位置修正的控制方法具体如下：

假设当前无人机位置A到起点(上一航点)的距离为d，计算沿正确路径前进距离为d的位置B的坐标；

计算点A和点B的坐标差dx,dy，若dx,dy均为0，说明无人机处于正确的飞行路径上，若dx,dy不为0，说明无人机已经偏离正确路径，则设置期望位置为B点，使无人机回到正确的路径。

4.如权利要求1所述的基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，其特征在于，所述步骤3所述通过机载定位设备获取无人机的实时位置的具体过程如下：

所述四旋翼无人机携带飞行控制器、GPS/北斗双模卫星定位模块、热成像摄像机、图像处理单元、无线充电模块、无线通信模块；

其中，飞行控制器集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘等传感器用于无人机的位置估计及姿态测量和控制；

无人机的定位由上述加速度计、陀螺仪、电子罗盘、GPS/北斗等传感器和卫星定位设备共同完成；

其中，由加速度计、陀螺仪、电子罗盘组成惯性导航单元利用无人机的速度、加速度信息对位置做出解算，解算的参考坐标系为NED地理坐标系，其中，X轴指向正北，Y轴指向正东，Z轴指向地心；

GPS/北斗模块得到的经纬度位置信息进行融合得到更加精确的位置信息。

5.如权利要求1所述的基于无人机和热成像技术的光伏板故障定位方法，其特征在于，所述步骤4所述通过地面标记物实现无人机的精确定点降落和自动充电的具体过程如下：

定点降落地点位置坐标固定，首先无人机以此坐标为目的地飞向降落处附近上方；

在地面上设置圆形红色图像标记，通过摄像机采集到的图像可以判断标记物相对无人机的方向；

根据所述方向调整无人机的位置直至标记物出现在视野中心，此时所述无人机处于标记物正上方；

可对所述无人机进行垂直降落，降落过程中检测标记是否处于视野中心并适时调整，直至降落。