CN108919821A - 一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统及方法，无人机搭载可见光及红外相机作为数据采集平台，并可通过通信模块与PC地面站进行数据与指令的传输。PC地面站上的光伏组件故障分析模块可以对可见光图像以及红外图像进行实时的故障分析与诊断，为用户提供精准的决策支持。PC地面站可实现飞行信息管理、飞行任务规划、飞行参数显示、飞行状态控制与飞行参数调整、飞行任务还原、光伏组件故障分析、可见光及红外图像存储与检索等功能。相对于其他无人机巡检方法，本系统定义了完备的任务模块，针对无人机在规模化集中式光伏电站巡检过程中涉及到的技术方法进行了细化，以实际场景为依托大幅提升了无人机巡检的管理水平。

Description

一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统及 方法

技术领域

本发明涉及无人机的应用与开发领域，尤其是涉及一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统及方法。

背景技术

光伏组件的寿命约为25年，这要求大型光伏电站能够在较长的时间周期里稳定、高效地发电；然而，由于安装环境较为恶劣、对光伏组件维护不当等原因，国内光伏电站的整体质量不容乐观，光伏组件发电功率衰降现象较为严重，晶体硅组件三年内的衰减率在3.8%～7% 之间，非晶硅电池组件衰减率则高达20%。及时发现光伏组件缺陷与故障并进行更换，是大型光伏电站运营的重要工作内容。

然而，当前对光伏电站的巡检方式仍以人工巡检为主，常规的人工巡检方式不仅需要耗费大量的人力及时间成本，造成效率极其低下，巡检结果的评估往往也不能满足要求。无论是沿海滩涂还是丘陵地带，大型光伏电站的地形及安装环境都异常复杂，人工巡检方式难以满足大规模光伏电站的巡检要求。有鉴于此，利用无人机进行大规模光伏电站的智能运维成为一个热门研究方向。

得益于民用无人机的迅速普及以及监管政策的完善，民用无人机市场呈现井喷发展态势，现已广泛应用于线路巡检、防灾减灾、农业植保等领域。以无人机为载体提供一种自动化巡检方案可极大地提高巡检效率、精准地发现故障、为用户提供可靠的决策支持。

发明内容

针对现有大型光伏电站人工巡检方法的不足，本发明提出了一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统及方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提出的面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统包括无人机和PC地面站，进一步地，无人机包括机体以及集成在机体上的飞行控制模块、图像采集模块、数据处理模块、通信模块、避障及测距模块；

所述飞行控制模块用于控制无人机飞行，其输入量是目标点坐标或速度矢量；

所述图像采集模块包括具有三轴自稳功能的可见光相机及红外相机，用于采集可见光图像和红外图像，可见光图像与红外图像可通过串口实时传输到数据处理模块和通信模块；

所述数据处理模块用于对输入图像进行目标识别、参数计算，向飞行控制模块发送点坐标或速度矢量形式的控制指令；

所述通信模块用于无人机机体和PC地面站的通信，以不低于2Hz的频率向PC地面站实时发送无人机状态信息，在接收到图像采集模块传输的可见光图像和/或红外图像后实时发送到PC地面站，接收PC地面站的状态控制与参数调整指令并将这些指令实时传输到飞行控制模块；

所述避障及测距模块用于感知无人机机体前、后、左、右、上、下六个方向的障碍物距离以及对地高度信息，当无人机靠近障碍物飞行且未接收到其他控制指令时自动暂停飞行任务；

进一步地，PC地面站作为人机交互平台，包括飞行信息管理模块、飞行任务规划模块、飞行参数显示模块、飞行状态控制与飞行参数调整模块、飞行任务还原模块、光伏组件故障分析模块、可见光及红外图像存储与检索模块；

所述飞行信息管理模块用于执行飞行任务的人员验证、记录与管理；

所述飞行任务规划模块用于导入在线地图，并根据光伏组件分布信息为无人机事先规划可执行路径；

所述飞行参数显示模块用于实时呈现无人机飞行参数；

所述飞行状态控制与飞行参数调整模块用于对无人机执行起飞、暂停、继续、返航状态控制，调整无人机的飞行高度、飞行速度、飞行路径参数；

所述的飞行任务还原模块用于记录飞行任务与状态信息并进行回放；

所述的光伏组件故障分析模块用于对可见光图像和红外图像进行处理，判断光伏组件上是否出现异物或故障；

所述的可见光及红外图像存储与检索模块用于对接收到的可见光图像和红外图像以位置信息和时间信息进行存储和检索。

进一步地，所述的可见光及红外图像存储与检索模块还用于对光伏组件故障分析模块进行迭代优化；

本发明提出的面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检方法包括以下步骤：

步骤(1)，如需在低空采集可见光及红外图像，则根据光伏电站设计图纸、高清卫星图像或高空无人机可见光图像，获取光伏组件位置信息，通过PC地面站的飞行任务规划模块生成飞行路径，飞行路径以均匀分布的坐标点形式或者控制转向点的形式表示；如需在高空采集可见光图像，采用低空路径生成方法或在飞行任务规划模块的在线地图中指定飞行边界点，生成可执行路径点；

步骤(2)，执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行信息管理模块登记信息，激活无人机；

步骤(3)，将路径点通过无人机的通讯模块传输到无人机的飞行控制模块，执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行状态控制与飞行参数调整模块启动无人机；

步骤(4)，无人机根据步骤(3)中接收到的路径点文件依次采集可见光及红外图像信息；当无人机偏离理想的位置与光伏组件不完全对准时，数据处理模块获取可见光图像计算偏移量，并将结果反馈给飞行控制模块，飞行控制模块据此控制无人机进行位置姿态调整；

步骤(5)，如无人机能量不足需要返航时，飞行控制模块记录位置信息并自动返航，待补充能量后继续执行飞行任务直至完成对所有路径点的遍历；

步骤(6)，无人机能量不足或完成飞行任务需要返航时，采用GPS和视觉伺服相结合的返航及自主着陆模式，即无人机首先通过GPS信息飞回出发点附近，再通过图像采集模块和数据处理模块实时计算偏移量并反馈给飞行控制模块，实现精准着陆；

步骤(7)，在步骤(1)~步骤(6)过程中，PC地面站显示状态信息并存储接收到的所有数据。

本发明的有益效果如下：相对于传统的人工巡检方法，本系统最大限度地提升了巡检效率、提高了经济效益；相对于其他无人机巡检方法，本系统定义和实现了完备的任务模块，针对无人机在规模化集中式光伏电站巡检过程中涉及到的技术方法进行了细化，以实际场景为依托大幅提升了无人机巡检的管理水平。

附图说明

图1为面向规模化集中式光伏电站无人机自动巡检系统的无人机机体结构图；

图2为面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统结构图；

图3为基于路径点的规模化集中式光伏电站巡检方法流程图；

图4(a) 为光伏电站中光伏组串分布示意图；

图4(b) 为无人机路径点示意图；

图5为视觉伺服过程系统框架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详述，其目的是对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述，下面的实施例是一部分实施例而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。

图1所示是本发明所述的无人机结构图，无人机包括机体以及集成在机体上的飞行控制模块、图像采集模块、数据处理模块、通信模块、避障及测距模块；飞行控制模块可以获取飞行状态信息以及对无人机进行底层的控制，其输入量既可以是目标点坐标、也可以是速度矢量；

图像采集模块用于采集可见光图像和红外图像，包括具有三轴自稳功能的可见光相机及红外相机，可见光图像与红外图像可通过串口实时传输到数据处理模块以及通信模块；

数据处理模块用于对图像采集模块采集到的图像进行目标识别和参数计算，其主要目的是：①判断无人机是否对准了光伏组件，如未对准光伏组件向飞行控制模块发送调整量值；②当无人机返航时，如无人机已经到达GPS坐标设定的返航点附近，由于GPS的精度误差可能导致无人机偏离返航点位置，数据处理模块根据返航点的视觉特征计算偏移量并将结果不断反馈给飞行控制模块，实现无人机在返航点的精准降落；

通信模块是无人机机体与PC地面站沟通的媒介，可以以不低于2Hz的频率向PC地面站实时发送从飞行控制模块获取的无人机状态信息，可以在接收到图像采集模块传输的可见光图像、红外图像后实时发送到PC地面站，可以接收PC地面站的状态控制与参数调整指令并将这些指令实时传输到飞行控制模块；

避障及测距模块可以感知无人机机体前、后、左、右、上、下六个方向的障碍物距离以及对地高度信息，若避障及测距模块检测到障碍并确认无人机的事故风险，将向无人机发出暂停执行任务的控制指令，直至操作人员通过PC地面站对无人机发出进一步的控制指令。

下面对集成在无人机机体上的各模块硬件实现方式进行描述：飞行控制模块由底层的无人机飞控单元以及驱动底层飞控指令的机载处理器构成；图像采集模块依托可见光相机以及红外相机，相机通过三轴自稳云台与无人机机身进行连接；数据处理模块依托高性能机载处理器，它可以与飞行控制模块共用处理器；通信模块依托无人机与地面站间的无线传输模块和/或4G通信模块；避障及测距模块依托激光、雷达、超声波等传感数据采集单元，并可通过处理器对这些数据进行融合以感知障碍物；

图2展示了无人机自动巡检系统结构图，对PC地面站与无人机机体各模块之间的数据传输关系进行了呈现，在综合考虑用户操作习惯、飞行状态呈现、管理方便、各模块科学组织的前提下，提供了一种具体的实现及组织形式；PC地面站作为人机交互平台，包括飞行信息管理模块、飞行任务规划模块、飞行参数显示模块、飞行状态控制与飞行参数调整模块、飞行任务还原模块、光伏组件故障分析模块、可见光及红外图像存储与检索模块等功能，全面管理和支撑飞行任务；

飞行信息管理模块包括执行飞行任务的人员验证、记录与管理；

飞行任务规划模块可导入在线地图，并根据光伏组件分布信息为无人机事先规划可执行路径；

飞行参数显示模块可在PC地面站实时呈现无人机飞行参数；

飞行状态控制与飞行参数调整模块可使管理者通过简易的操作执行起飞、暂停、继续、返航等状态控制功能和改变飞行高度、飞行速度、飞行路径等参数调整功能；

飞行任务还原模块可记录飞行任务与状态信息并进行回放；

光伏组件故障分析模块对可见光图像和红外图像进行处理，判断光伏组件是否出现隐裂、遮挡、破裂、灰尘等异物和故障；

图像存储于检索模块可对接收到的可见光图像和红外图像以位置信息和时间信息进行存储，长周期的数据积累可对光伏组件故障分析模块进行迭代优化；

借助图2对PC地面站与机体各模块之间数据传输关系的抽象化描述和表示，图3展示了基于路径点的规模化集中式光伏电站巡检方法流程图，下面结合此流程图对本发明提出的基于路径点的规模化集中式光伏电站巡检方法进行详细说明：

步骤(1)，路径生成：如需在低空采集可见光及红外图像，可根据光伏电站设计图纸、高清卫星图像或高空无人机可见光图像获取光伏组件位置信息，通过PC地面站的飞行任务规划模块生成飞行路径，飞行路径以均匀分布的坐标点形式或者控制转向点的形式表示；如需在高空采集可见光图像，既可以采用低空路径生成方法也可以在飞行任务规划模块的在线地图中指定飞行边界点，生成可执行路径点。图4（a）和图4（b）展示了根据光伏组件位置信息生成路径点的方法，图4(a)是光伏电站中光伏组串分布示意图，每个光伏组串的位置是已知的；图4(b)展示了生成的路径点，即图中编号为”1”-”27”的方块位置，这些路径点亦即无人机需要采集可见光及红外图像信息的位置；

步骤(2)，激活无人机：执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行信息管理模块登记信息，激活无人机；

步骤(3)，启动无人机：将路径点通过无人机机体的通讯模块传输到无人机机体的飞行控制模块，执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行状态控制与飞行参数调整模块启动无人机；

步骤(4)，执行飞行任务：无人机根据步骤(3)中接收到的路径点文件依次采集可见光及红外图像信息；由于误差的存在，提前规划的路径点可能偏离采集数据的理想位置，当无人机与光伏组件不完全对准时，数据处理模块获取可见光图像计算偏移量，并将结果反馈给飞行控制模块，飞行控制模块据此控制无人机进行位置姿态调整；

步骤(5)，断点续航：如无人机能量不足需要返航时，飞行控制模块记录位置信息并自动返航，待补充能量后继续执行飞行任务直至完成对所有路径点的遍历；为方便及清晰起见，本部分没有在流程图中进行展示；

步骤(6)，自主着陆：无人机能量不足或完成飞行任务需要返航时，采用GPS和视觉伺服相结合的返航及自主着陆模式，即无人机首先通过GPS信息飞回出发点附近，再通过视觉伺服的方式实现精准着陆；

在执行步骤(1)~步骤(6)的过程中，PC地面站显示状态信息并存储接收到的所有数据。

作为补充性说明，图5展示了光伏组件对准以及自主着陆过程中的视觉伺服系统框架。

Claims (5)

1.一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统，其特征在于，该系统包括无人机和PC地面站。

2.根据权利要求1所述的一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统，其特征在于：无人机包括机体以及集成在机体上的飞行控制模块、图像采集模块、数据处理模块、通信模块、避障及测距模块；

所述飞行控制模块用于控制无人机飞行，其输入量是目标点坐标或速度矢量；

所述图像采集模块包括具有三轴自稳功能的可见光相机及红外相机，用于采集可见光图像和红外图像，可见光图像与红外图像可通过串口实时传输到数据处理模块和通信模块；

所述数据处理模块用于对输入图像进行目标识别、参数计算，向飞行控制模块发送点坐标或速度矢量形式的控制指令；

所述通信模块用于无人机机体和PC地面站的通信，以不低于2Hz的频率向PC地面站实时发送无人机状态信息，在接收到图像采集模块传输的可见光图像和/或红外图像后实时发送到PC地面站，接收PC地面站的状态控制与参数调整指令并将这些指令实时传输到飞行控制模块；

所述避障及测距模块用于感知无人机机体前、后、左、右、上、下六个方向的障碍物距离以及对地高度信息，当无人机靠近障碍物飞行且未接收到其他控制指令时自动暂停飞行任务。

3.根据权利要求2所述的一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统，其特征在于：所述PC地面站作为人机交互平台，包括飞行信息管理模块、飞行任务规划模块、飞行参数显示模块、飞行状态控制与飞行参数调整模块、飞行任务还原模块、光伏组件故障分析模块、可见光及红外图像存储与检索模块；

所述飞行信息管理模块用于执行飞行任务的人员验证、记录与管理；

所述飞行任务规划模块用于导入在线地图，并根据光伏组件分布信息为无人机事先规划可执行路径；

所述飞行参数显示模块用于实时呈现无人机飞行参数；

所述飞行状态控制与飞行参数调整模块用于对无人机执行起飞、暂停、继续、返航状态控制，调整无人机的飞行高度、飞行速度、飞行路径参数；

所述的飞行任务还原模块用于记录飞行任务与状态信息并进行回放；

所述的光伏组件故障分析模块用于对可见光图像和红外图像进行处理，判断光伏组件上是否出现异物或故障；

所述的可见光及红外图像存储与检索模块用于对接收到的可见光图像和红外图像以位置信息和时间信息进行存储和检索。

4.根据权利要求3所述的一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检系统，其特征在于：所述的可见光及红外图像存储与检索模块还用于对光伏组件故障分析模块进行迭代优化。

5.一种面向规模化集中式光伏电站的无人机自动巡检方法，其特征在于，该方法在权利要求3所述的系统中实现，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)，如需在低空采集可见光及红外图像，则根据光伏电站设计图纸、高清卫星图像或高空无人机可见光图像，获取光伏组件位置信息，通过PC地面站的飞行任务规划模块生成飞行路径，飞行路径以均匀分布的坐标点形式或者控制转向点的形式表示；如需在高空采集可见光图像，采用低空路径生成方法或在飞行任务规划模块的在线地图中指定飞行边界点，生成可执行路径点；

步骤(2)，执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行信息管理模块登记信息，激活无人机；

步骤(3)，将路径点通过无人机的通讯模块传输到无人机的飞行控制模块，执行飞行任务的人员通过PC地面站的飞行状态控制与飞行参数调整模块启动无人机；

步骤(4)，无人机根据步骤(3)中接收到的路径点文件依次采集可见光及红外图像信息；当无人机偏离理想的位置与光伏组件不完全对准时，数据处理模块获取可见光图像计算偏移量，并将结果反馈给飞行控制模块，飞行控制模块据此控制无人机进行位置姿态调整；

步骤(5)，如无人机能量不足需要返航时，飞行控制模块记录位置信息并自动返航，待补充能量后继续执行飞行任务直至完成对所有路径点的遍历；

步骤(6)，无人机能量不足或完成飞行任务需要返航时，采用GPS和视觉伺服相结合的返航及自主着陆模式，即无人机首先通过GPS信息飞回出发点附近，再通过图像采集模块和数据处理模块实时计算偏移量并反馈给飞行控制模块，实现精准着陆；

步骤(7)，在步骤(1)～步骤(6)过程中，PC地面站显示状态信息并存储接收到的所有数据。