CN109379040B - 基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机及其清洁方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，包括无人机和安装在无人机上的装置；图像获取装置包括红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机和自由云台；姿态感知装置获得无人机的姿态信息；污染物清理装置包括清洁剂存储箱、气泵、水泵、活动机械臂和污染物清洁器；减震履带底盘由固定架、固定架末端的减震装置和连接于固定架两端的履带动力装置组成；自主控制器通过机器视觉技术对太阳能电池板表面的污迹和内部热斑故障，进行识别和决策；并调整自身姿态。本发明利用无人机和机器视觉技术，自主完成光伏阵列巡检、热斑故障检查、表面污染物识别及清理，省去光伏电站运行维护大量耗费的人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及光伏阵列监测清理技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机及其清洁方法。
背景技术
太阳能发电是缓解能源危机的有效途径之一，对人类社会可持续发展具有重要意义。众所周知，初投资高是限制太阳能发电普及速度的重要因素。因此，如何延长太阳能光伏电站的使用寿命，使光伏电站保持长期稳定的高效率运作，提高光伏系统的经济效益，在光伏研究领域备受关注。现有的光伏发电系统中，光伏阵列的使用环境恶劣，长期受到灰尘、雨雪、杂物的侵袭，极易产生故障，严重影响了发电效率。由于光伏电站选址多在偏远地区，面积大范围广，且各光伏阵列间距不一，地形复杂，采用人力清洁或人工控制机械清洁效率普遍较低，目前还没有一种高度自动化的清理方式。
小型无人机发展迅速，现已普遍应用于配合监测设备或者自然环境，如输电线路检查、油气管道监测、污染和环境监测、灾害监测和预警等方面。现在已有无人机用于大型光伏电站巡检，但无法对监测到的污染物进行主动清洁，且对人工控制决策的依赖度较大，仍需大量人力来操控和监视。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机及其清洁方法，节省光伏电站运行维护的人力、物力，并能够精确清洁污染物。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：它包括无人机和安装在无人机上的图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置、减震履带底盘、数据交互装置、自主控制器和调速器；
所述的图像获取装置包括红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机和自由云台，自由云台用于调节红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机的拍摄角度；
所述的姿态感知装置用于获得无人机的姿态信息；
所述的污染物清理装置包括清洁剂存储箱、气泵、水泵、活动机械臂和污染物清洁器，其中活动机械臂固定在无人机的底部，污染物清洁器固定在活动机械臂的末端，所述的水泵用于将清洁剂存储箱中的清洁剂引到污染物清洁器上喷出，所述的气泵用于将空气用到污染物清洁器上喷出；
所述的减震履带底盘由无人机下端延伸出的固定架、固定架末端的减震装置和连接于固定架两端的履带动力装置组成；
所述的数据交互装置用于无人机与工作人员之间的数据交互；
所述的自主控制器用于通过数据交互装置接收工作人员的指令；根据图像获取装置获得的信息，通过机器视觉技术对太阳能电池板表面的污迹和内部热斑故障，进行识别和决策；根据姿态感知装置采集的姿态信息调整自身姿态；
所述的调速器用于在自主控制器的指令下调节无人机的速度。
按上述方案，所述的无人机包括机身和机翼，机身上设有顶层固定板、中层固定板和底层固定板，用于挂载图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置、数据交互装置、自主控制器和调速器。
按上述方案，所述的姿态感知装置包括设置在顶层固定板上的定位模块，设置在中层固定板上的角度传感器、加速度传感器、风速传感器，以及置于底层固定板的高度传感器。
按上述方案，所述的数据交互装置包括设置在中层固定板上的数据收发器，和置于顶层固定板顶端的信号天线。
按上述方案，所述的顶层固定板、中层固定板和底层固定板均为具有多个孔径的碳纤维板，通过合金螺丝柱连接在一起。
按上述方案，所述的污染物清洁器包括刮板，刮板上设有与水泵连接的雾化喷头和与气泵连接的高压吹气口。
按上述方案，所述的履带动力装置包括主动轮、负重轮、导向轮，以及包覆在主动轮、负重轮、导向轮整体以外的橡胶履带，所述的主动轮的动力和导向轮的方向由所述的自主控制器控制。
所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机的清洁方法，其特征在于：它包括：
无人机收到开始作业的指令，由起降平台自主起飞，按预设的路线进行巡航；通过姿态感知装置获取无人机姿态信息，并由自主控制器进行飞行状态调控；
巡航过程中，自由云台配合红外热成像相机、彩色可见光相机和黑白可见光相机共同作用，获得的图像交由自主控制器，进行实时图像处理和识别分析，对光伏电池板内部热斑故障、破损情况和表面污染物进行检测；
当检测到电池板出现热斑故障或表面破损情况时，彩色可见光相机和黑白可见光相机拍摄下该光伏电池板，并结合定位信息获取该光伏电池板的编号，实时回传至工作人员操作端；当自主控制器通过图像识别判定电池板表面存在污染物时，根据污染物位置，降落至光伏电池板表面进行清理，清理完成后继续起飞完成巡航；
当按照预设的路线完成巡航之后，无人机自动返航回到起降平台；
对光伏电池板表面进行清理具体包括：减震履带底盘与光伏电池板表面接触，自动控制器根据无人机上搭载的姿态感知装置判断此时光伏电池板位置情况，并下达指令信号控制活动机械臂将污染物清洁器送至光伏电池板表面，开始清理作业；在此过程中彩色可见光相机和黑白可见光相机持续获取图像，对清理位置进行校正，当污染物范围超出污染物清洁器作用半径时，减震履带底盘提供动力，使无人机在光伏电池板表面移动，持续进行清洁。
按上述方法，在清洁时，包括三种清洁模式：第一级，高压吹气口释放气体，吹离污染物；第二级，当第一级后若污染物依然存在，则雾化喷头释放清洁剂气雾，由刮板刮除污染物；第三级，当第二级后若污染物依然存在，则高压吹气口、雾化喷头和刮板三个组件同时作用。
本发明的有益效果为：利用无人机，基于机器视觉技术，能够自主完成光伏阵列巡检、热斑故障检查、光伏电池板表面污染物识别及清理作业，省去光伏电站运行维护大量耗费的人力物力。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为本发明一实施例的组合式污染物清理装置结构示意图。
图3为本发明一实施例的方法流程图。
图中：1-顶层固定板，2-中层固定板，3-底层固定板，4-信号天线，5-履带动力装置，6-污染物清理装置，7-固定架，6-1-活动机械臂，6-2-刮板，6-3-雾化喷头，6-4-高压吹气口。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，如图1所示，它包括无人机和安装在无人机上的图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置6、减震履带底盘、数据交互装置、自主控制器和调速器。所述的无人机包括机身和机翼，机身上设有顶层固定板1、中层固定板2和底层固定板3，用于挂载图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置6、数据交互装置、自主控制器和调速器。所述的顶层固定板1、中层固定板2和底层固定板3均为具有多个孔径的碳纤维板，通过合金螺丝柱连接在一起。
所述的图像获取装置包括红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机和自由云台，自由云台用于调节红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机的拍摄角度。本实施例中，自由云台为电动二自由度云台。红外热成像相机获取热像信息结合可见光相机获取的图像信息用于检测太阳能电池板内部产生的热斑、局部击穿等故障，两部可见光相机也用于检测太阳能电池板表面的污染物和破损情况，彩色可见光相机作为主采集装置，获取的图像作为基础图像，黑白可见光相机起辅助采集作用，获取的图像与前者所获图像进行算法融合、优化，能提升图像质量，获取景深距离等附属信息，增强设备在特殊环境下的作业稳定性。
所述的姿态感知装置用于获得无人机的姿态信息。姿态感知装置包括设置在顶层固定板1上的定位模块，设置在中层固定板2上的角度传感器、加速度传感器、风速传感器，以及置于底层固定板3的高度传感器。所述的定位模块为双模GPS定位模块。
所述的污染物清理装置6包括清洁剂存储箱、气泵、水泵、活动机械臂6-1和污染物清洁器，其中活动机械臂6-1固定在无人机的底部，污染物清洁器固定在活动机械臂6-1的末端，所述的水泵用于将清洁剂存储箱中的清洁剂引到污染物清洁器上喷出，所述的气泵用于将空气用到污染物清洁器上喷出。如图2所示，所述的污染物清洁器包括刮板6-2，刮板6-2上设有与水泵连接的雾化喷头6-3和与气泵连接的高压吹气口6-4。
所述的减震履带底盘由无人机下端延伸出的固定架7、固定架7末端的减震装置和连接于固定架7两端的履带动力装置5组成。所述的履带动力装置5包括主动轮、负重轮、导向轮，以及包覆在主动轮、负重轮、导向轮整体以外的橡胶履带，所述的主动轮的动力和导向轮的方向由所述的自主控制器控制。本实施例中，所述的固定架7为4根轻质合金支架。减震装置位于无人机底部轻质合金支架与履带动力装置5的连接处，利用弹簧减轻机载装置受到的震动，履带动力装置5由橡胶履带、主动轮、负重轮和导向轮等部件组成，使无人机能于光伏电池板表面自主移动，且能保持其运动的稳定性。
所述的数据交互装置用于无人机与工作人员之间的数据交互；所述的数据交互装置包括设置在中层固定板2上的数据收发器，和置于顶层固定板3顶端的信号天线4。数据交互装置用于将无人机与地面控制基站连接起来，接收操作人员控制指令的同时，回传作业信息和无人机自身各参数，便于操作人员对各设备的管理。
所述的自主控制器用于通过数据交互装置接收工作人员的指令；根据图像获取装置获得的信息，通过机器视觉技术对太阳能电池板表面的污迹和内部热斑故障，进行识别和决策，通过污染物清洁装置6对污染物进行清理；根据姿态感知装置采集的姿态信息调整自身姿态，以便于识别和清理作业。
所述的调速器用于在自主控制器的指令下调节无人机的速度。
如图3所示，所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机的清洁方法，它包括：
无人机收到开始作业的指令，由起降平台自主起飞，按预设的路线进行巡航；通过GPS、高度传感器等姿态感知装置获取无人机姿态信息，并由自主控制器进行飞行状态调控。
巡航过程中，自由云台配合红外热成像相机、彩色可见光相机和黑白可见光相机共同作用，获得的图像交由自主控制器，进行实时图像处理和识别分析，对光伏电池板内部热斑故障、破损情况和表面污染物进行检测。
当检测到电池板出现热斑故障或表面破损情况时，彩色可见光相机和黑白可见光相机拍摄下该光伏电池板，并结合定位信息获取该光伏电池板的编号，及时回传至地面基站发出警报，避免损失增大和事故的发生；当自主控制器通过图像识别判定光伏电池板表面存在污染物时，根据污染物位置，降落至光伏电池板表面进行清理，清理完成后继续起飞完成巡航。
当按照预设的路线完成巡航之后，无人机自动返航回到起降平台。所述清理无人机巡航路线由工作人员使用前预设，巡航过程中实现全自主控制，无人机上搭载的自主控制器独立完成图像识别、无人机姿态控制、清理决策等工作，作业全程不需要工作人员对飞行和清理操作进行遥控和监视，分析和决策由无人机控制系统自主完成。
对光伏电池板表面进行清理具体包括：减震履带底盘与光伏电池板表面接触，自动控制器根据无人机上搭载的姿态感知装置判断此时光伏电池板位置情况，并下达指令信号控制活动机械臂将污染物清洁器送至光伏电池板表面，开始清理作业；在此过程中彩色可见光相机和黑白可见光相机持续获取图像，对清理位置进行校正，当污染物范围超出污染物清洁器作用半径时，减震履带底盘提供动力，使无人机在光伏电池板表面移动，持续进行清洁。
在清洁时，包括三种清洁模式：第一级，高压吹气口释放气体，吹离污染物；第二级，当第一级后若污染物依然存在，则雾化喷头释放清洁剂气雾，由刮板刮除污染物；第三级，当第二级后若污染物依然存在，则高压吹气口、雾化喷头和刮板三个组件同时作用。
在本实施例中，当污染物为落叶类轻质遮挡物时，高压吹气口释放气体，吹离污染物；当污染物为泥土、盐类结晶时，雾化喷头释放气雾，橡胶刮板配合其刮除污染物；当污染物为较难清理固体（如鸟类粪便）时，三个组件同时作用，保证清理的程度。
本发明采用无人机作为搭载平台，提供了较大载运能力的同时具有良好的机动性，保证巡检、清洁的较高效率；利用机器视觉技术，对光伏电池板热斑故障、表面污染物进行自主检测，提高检测能力；采用红外热成像相机、彩色可见光相机和黑白可见光相机结合的形式，对光伏电池板的热斑故障、表面破碎、表面污染物等方面进行同步精准检测，极大提升作业效率；相较于将图像传输至地面基站再进行处理识别的传统方式，采用机载微型计算机对图像进行实时分析，避免了信号传输时延，极大程度提升检测速度与准确率；采用无人机与分体式履带底盘复合结构，在不影响无人机正常飞行的同时，给予其在光伏电池板表面移动的机动能力，提升了清理作业稳定性；自主决策控制，巡检、清理作业过程中不需要操作人员进行控制和监视，减少人力工作量。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：它包括无人机和安装在无人机上的图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置、减震履带底盘、数据交互装置、自主控制器和调速器；
所述的图像获取装置包括红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机和自由云台，自由云台用于调节红外热成像相机、彩色可见光相机、黑白可见光相机的拍摄角度；
所述的姿态感知装置用于获得无人机的姿态信息；
所述的污染物清理装置包括清洁剂存储箱、气泵、水泵、活动机械臂和污染物清洁器，其中活动机械臂固定在无人机的底部，污染物清洁器固定在活动机械臂的末端，所述的水泵用于将清洁剂存储箱中的清洁剂引到污染物清洁器上喷出，所述的气泵用于将空气用到污染物清洁器上喷出；
所述的减震履带底盘由无人机下端延伸出的固定架、固定架末端的减震装置和连接于固定架两端的履带动力装置组成；
所述的数据交互装置用于无人机与工作人员之间的数据交互；无人机收到开始作业的指令，由起降平台自主起飞，按预设的路线进行巡航；通过姿态感知装置获取无人机姿态信息，并由自主控制器进行飞行状态调控；当按照预设的路线完成巡航之后，无人机自动返航回到起降平台；
所述的自主控制器用于通过数据交互装置接收工作人员的指令；根据图像获取装置获得的信息，通过机器视觉技术对光伏电池板表面的污迹和内部热斑故障，进行识别和决策；根据姿态感知装置采集的姿态信息调整自身姿态；彩色可见光相机作为主采集装置，获取的图像作为基础图像，黑白可见光相机起辅助采集作用，获取的图像与前者所获图像进行算法融合、优化；当检测到光伏电池板出现热斑故障或表面破损情况时，彩色可见光相机和黑白可见光相机拍摄下该光伏电池板，并结合定位信息获取该光伏电池板的编号，实时回传至工作人员操作端；当自主控制器通过图像识别判定光伏电池板表面存在污染物时，根据污染物位置，降落至光伏电池板表面进行清理，清理完成后继续起飞完成巡航；
所述的调速器用于在自主控制器的指令下调节无人机的速度；
对光伏电池板表面进行清理具体包括：减震履带底盘与光伏电池板表面接触，自主控制器根据无人机上搭载的姿态感知装置判断此时光伏电池板位置情况，并下达指令信号控制活动机械臂将污染物清洁器送至光伏电池板表面，开始清理作业；在此过程中彩色可见光相机和黑白可见光相机持续获取图像，对清理位置进行校正，当污染物范围超出污染物清洁器作用半径时，减震履带底盘提供动力，使无人机在光伏电池板表面移动，持续进行清洁。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的无人机包括机身和机翼，机身上设有顶层固定板、中层固定板和底层固定板，用于挂载图像获取装置、姿态感知装置、污染物清理装置、数据交互装置、自主控制器和调速器。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的姿态感知装置包括设置在顶层固定板上的定位模块，设置在中层固定板上的角度传感器、加速度传感器、风速传感器，以及置于底层固定板的高度传感器。
4.根据权利要求2所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的数据交互装置包括设置在中层固定板上的数据收发器，和置于顶层固定板顶端的信号天线。
5.根据权利要求2所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的顶层固定板、中层固定板和底层固定板均为具有多个孔径的碳纤维板，通过合金螺丝柱连接在一起。
6.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的污染物清洁器包括刮板，刮板上设有与水泵连接的雾化喷头和与气泵连接的高压吹气口。
7.根据权利要求1所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机，其特征在于：所述的履带动力装置包括主动轮、负重轮、导向轮，以及包覆在主动轮、负重轮、导向轮整体以外的橡胶履带，所述的主动轮的动力和导向轮的方向由所述的自主控制器控制。
8.权利要求1所述的基于机器视觉的光伏电站巡检清洁无人机的清洁方法，其特征在于：它包括：
无人机收到开始作业的指令，由起降平台自主起飞，按预设的路线进行巡航；通过姿态感知装置获取无人机姿态信息，并由自主控制器进行飞行状态调控；
巡航过程中，自由云台配合红外热成像相机、彩色可见光相机和黑白可见光相机共同作用，获得的图像交由自主控制器，进行实时图像处理和识别分析，对光伏电池板内部热斑故障、破损情况和表面污染物进行检测；
当检测到光伏电池板出现热斑故障或表面破损情况时，彩色可见光相机和黑白可见光相机拍摄下该光伏电池板，并结合定位信息获取该光伏电池板的编号，实时回传至工作人员操作端；当自主控制器通过图像识别判定光伏电池板表面存在污染物时，根据污染物位置，降落至光伏电池板表面进行清理，清理完成后继续起飞完成巡航；
当按照预设的路线完成巡航之后，无人机自动返航回到起降平台；
对光伏电池板表面进行清理具体包括：减震履带底盘与光伏电池板表面接触，自主控制器根据无人机上搭载的姿态感知装置判断此时光伏电池板位置情况，并下达指令信号控制活动机械臂将污染物清洁器送至光伏电池板表面，开始清理作业；在此过程中彩色可见光相机和黑白可见光相机持续获取图像，对清理位置进行校正，当污染物范围超出污染物清洁器作用半径时，减震履带底盘提供动力，使无人机在光伏电池板表面移动，持续进行清洁。
9.根据权利要求8所述的清洁方法，其特征在于：在清洁时，包括三种清洁模式：第一级，高压吹气口释放气体，吹离污染物；第二级，当第一级后若污染物依然存在，则雾化喷头释放清洁剂气雾，由刮板刮除污染物；第三级，当第二级后若污染物依然存在，则高压吹气口、雾化喷头和刮板三个组件同时作用。
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