CN110171565A - 一种用于光伏电站故障检测的无人机及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于光伏电站故障检测的无人机，属于无人机检测领域。包括六旋翼无人机、自动检测组件和地面控制终端三部分。自动检测组件包括设置在所述机架底部的无人机云上的热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统；地面控制终端包括用于数据分析、线路规划、人机信息交流的电脑终端。本发明通过无人机以预定行进路线进行飞行巡逻；无人机云台实时调整复眼摄像头、北斗定位系统和热红外成像检测器拍摄角度；热红外成像检测器配合复眼摄像头配合北斗定位系统，识别出光伏电板的故障区域，并对其进行定位，得到光伏电板故障区域分布图。解决了现有技术中光伏电板中热斑故障排查效率低下的问题。

Description

一种用于光伏电站故障检测的无人机及其检测方法

技术领域

本发明属于无人机检测领域，尤其是一种用于光伏电站故障检测的无人机及其检测方法。

背景技术

随着大量规模化光伏电站的落成，光伏组件巡检的工作量也越来越大，引起了诸多企业和研究人员的关注。据统计，在光伏电站系统中，由于光伏组件污渍、遮挡等问题导致热斑效应占电站设备故障率的50%以上，而且，热斑效应不仅会使光伏组件的寿命减少近10%，还会使光伏电站的发电量损耗大约 5%。因此，为了减少热斑效应的危害，已成为光伏电站的一个研究热点。

现有的光伏电站的检测方法通常为：光伏电站运维人员通过检测发电是输出电压和输出功率进行排查，但是这样无法精确每一个光伏发电板；或者是光伏电站运维人员借助升降车和红外热像仪定期对光伏阵列进行热斑逐点排查。但由于光伏电站占地面积较大，通常包括成千甚至上万个光伏阵列，而且大多位于山丘，地理环境恶劣，大大降低了工作效率。

发明内容

发明目的：提供一种用于光伏电站故障检测的无人机，以解决现有技术中光伏电板中热斑故障排查效率低下的问题。

技术方案：一种用于光伏电站故障检测的无人机，包括：六旋翼无人机、自动检测组件和地面控制终端三部分。

六旋翼无人机，包括呈圆环形结构的机架，设置在所述机架内部的控制模块和电源模块，与所述控制模块相连接、并固定安装在所述机架顶部的4G通讯模块，固定安装在所述机架底部由若干型材组成的支架，沿着所述机架中轴线分别对称设置的六个支撑臂，安装在每个支撑臂上端面上的伺服电机，以及与所述伺服电机的输出轴通过固定螺母固定连接的旋翼；其中，所述控制模块和电源模块与所述伺服电机之间通过电线相连接。

自动检测组件，包括设置在所述机架底部中心位置的无人机云台，设置在所述无人机云台上的热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统，其中，所述热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统均与控制模块相连接。

地面控制终端，包括用于信息接收的4G通讯模块，和用于数据分析、线路规划、人机信息交流的电脑终端。

在进一步的实施例中，所述无人机云台包括：与所述机架固定连接的定圆台，固定安装在所述定圆台上的电机安装座，设置在所述电机安装座上的小型电机，通过减速齿轮组与所述小型电机输出轴相连接、截面形状为“︿”的转轴，与所述转轴相连接的连接杆，固定安装在所述电机安装座两侧、截面形状为“ㄇ”的第一固定框，通过销轴与所述第一固定框的底部相连接、截面形状为“口”字形的第二固定框，固定安装在所述第二固定框、且贯穿所述连接杆的限位杆，以及与所述连接杆固定连接的动圆台。

在进一步的实施例中，所述复眼摄像头包括：一侧为圆弧形的摄像头曲面支架，阵列在所述曲面支架上的多个微透镜单元，沿着所述微透镜单元的光轴方向上设置的像面变换模块，以及沿着所述微透镜单元的光轴方向、设置在所述像面变换模块输出端的CCD图像传感器。

在进一步的实施例中，所述像面变换模块为折转透镜或光纤传像，折转透镜为一个圆弧状的树脂透镜凹透镜，其两侧曲面的曲率为0.01～0.09、折光率为1.56～1.71；所述光纤传像是在与所述微透镜单元下耦合连接一个光纤，将图像传输至CCD图像传感器上。

在进一步的实施例中，所述热红外成像检测器包括：设置在所述无人机云台上的感光阵列，设置在控制模块内、且与所述感光阵列相连接的信号转化器和校准模块，以及设置在所述电脑终端上的计算模块和成像模块。

在进一步的实施例中，所述感光阵列包括多排多列检测感光元件阵列，在每排或每列的检测感光元件阵列上均存在至少一个样本感光元件。

另一方面，一种用于光伏电站故障检测的无人机的检测方法的具体步骤包括：

S1、检测无人机的电力和旋翼的工作情况，然后在电脑终端上导入待检测电站的工程制图和无人机的相关性能数据，计算出无人机最佳行进路线；

S2、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行飞行巡逻；

S3、根据待测电站的地址和实时检测的时间，调整无人机云台，保证始终与动圆台与太阳光相垂直；

S4、复眼摄像头配合北斗定位系统，选取并记录光伏电站中不同经度、纬度和海拔高度上并拍摄其全息照片，并通过控制模块传输至电脑终端；

S5、热红外成像检测器实时检测光伏电板的温度，并将热红外图谱传输至电脑终端；当某区域的温度位于两个阈值之间时，即认定为可疑区域时，重复步骤S4；

S6、电脑终端分析全息照片和无人位置，控制无人机降低飞行高度，进一步对可疑点进行拍摄和温度采集；

S7、电脑终端确定所有故障区域和可疑区域的经纬度，输出故障区域和可疑区域分布图。

在进一步的实施例中，所述复眼摄像头的拍摄方法包括：

S401、微透镜单元采集待检测光伏电板的光场内的全光函数，具体为：

；

其中，为场景内的任意一点的三维坐标，这里可以具体为经度、纬度，以及海拔高度；为目标场景任意点与微透镜单元之间连线，分别在经线、纬线两个方向上的夹角；为光线的波长，t为光线从目标场景任意点到微透镜单元的时间，可进一步计算出目标场景任意点与微透镜单元之间的距离；

S402、CCD图像传感器记录同一时刻，不同微透镜单元的图像数据，生成相对应的图像元，并将信息传输至电脑终端；

S403、电脑终端将每个图像元等距离分割多个像素点，得到像素点阵列，计算每个微透镜单元位置和其对应的图像元的光线的全光函数计算出该微透镜单元的对检测光伏电板的光场中不同位置的权重，得到该微透镜单元的对该光场的权重阵列，然后通过权重阵列和像素点阵列得到新像素点阵列，由不同图像元的新的像素点阵列累加组合组成的新的图像元，最后将新的图像元即为全息照片；

S404、同时，对比同一物体在相邻的多个微透镜单元的图像元的图像信息，更加精准的确定故障区域的边缘、实际尺寸和实际坐标。

在进一步的实施例中，所述热红外成像检测器的检测方法包括：

S501、检测感光元件阵列和样本感光元件采集实施检测光伏电板的热红外温度数据，然后通过预定算法扣除网格条纹等干扰项，得到热红外图像；

S502、采用图像拼接技术，将分块的红外图像与全息照片结合，还原光伏电站内各光伏电板的温度分布图；

S503、将不同区域的温度值与设定的第一温度阈值对比，大于所述第一温度阈值即为故障点；将不同区域的温度值与设定的第二温度阈值对比，大于所述第二温度阈值但小于所述第一温度阈值即为可疑点，并在温度分布图中标出；

S504、通过故障区域的面积大小和温度值与第一温度阈值之间的差值确定光伏电板的故障等级。

有益效果：本发明涉及一种用于光伏电站故障检测的无人机，通过无人机安装复眼摄像头、北斗定位系统和热红外成像检测器以预定行进路线进行飞行巡逻；通过无人机云台实时调整复眼摄像头、北斗定位系统和热红外成像检测器拍摄角度；通过热红外成像检测器配合复眼摄像头配合北斗定位系统，识别出光伏电板的故障区域，并对其进行定位，得到光伏电板故障区域分布图。解决了现有技术中光伏电板中热斑故障排查效率低下的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中无人机云台的结构示意图。

图3是本发明中复眼摄像单元的原理示意图。

图4是本发明中红外摄像单元的结构示意图。

图5是本发明中检测感光元件阵列和样本感光元件采集的结构示意图。

附图标记为：机架1、4G通讯模块2、支架3、支撑臂4、伺服电机5、旋翼6、无人机云台7、定圆台701、电机安装座702、小型电机703、转轴704、连接杆705、第一固定框706、第二固定框707、限位杆708、动圆台709、感光阵列801、信号转化器802、校准模块803、计算模块804、成像模块805、检测感光元件801a、样本感光元件802b、曲面支架901、微透镜单元902、像面变换模块903、CCD图像传感器904。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如附图1所示，一种用于光伏电站故障检测的无人机，包括：六旋翼无人机、自动检测组件和地面控制终端三部分。

其中，六旋翼无人机包括：机架1、4G通讯模块2、支架3、支撑臂4、伺服电机5、旋翼6。机架1呈圆环形的结构，其内部设置有控制模块和电源模块，在所述机架1顶部固定安装有4G通讯模块2，并与所述控制模块相连接；支架3固定安装在所述机架1底部，由若干型材组成；沿着所述机架1中轴线分别对称设置有六个支撑臂4，在每个支撑臂4上端面上安装有伺服电机5，所述伺服电机5的输出轴通过固定螺母与旋翼6固定连接；其中，所述控制模块和电源模块与所述伺服电机5之间通过电线相连接。本设计中选取六旋翼无人机作为设计主体，由于无人机新增加了多个旋翼6，其动力提升效果有明显的加强，更重要的是，六旋翼无人机的旋翼6的旋转平面非共面，可以在空中保持相对静止或原有的飞行速度不变的情况下，调整飞行姿态，因此为自动检测组件提供了更加平稳的飞行环境。

自动检测组件包括：无人机云台7、热红外成像检测器、复眼摄像头、北斗定位系统。无人机云台7设置在所述机架1底部中心位置；热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统设置在所述无人机云台7底部。

其中，所述热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统均与控制模块相连接。其中，如附图2所示，所述无人机云台7包括：定圆台701、电机安装座702、小型电机703、转轴704、连接杆705、第一固定框706、第二固定、限位杆708。定圆台701与所述机架1固定连接，电机安装座702固定安装在所述定圆台701上，小型电机703设置在所述电机安装座702上，转轴704的截面形状为“︿”，分为上部和下部两部分，其上部通过减速齿轮组与所述小型电机703输出轴水平相连接，其下部为一个电子伸缩杆，处于倾斜状态，可在预定范围内伸长或收缩；连接杆705与所述转轴704相连接的，第一固定框706的截面形状为“ㄇ”形，并固定安装在所述电机安装座702两侧，第二固定框707的截面形状为“口”字形，并通过销轴与所述第一固定框706的底部相连接，限位杆708固定安装在所述第二固定框707，并贯穿所述连接杆705，动圆台709与所述连接杆705固定连接的。小型电机703带动所述转轴704旋转，最后通过连接杆705带动圆台709沿着预定的倾斜角度旋转，第一固定框706和第二固定框707对其位置进行限位固定，保证运转的平稳性；其中，通过电子伸缩杆可以控制动圆盘的倾斜角度。

作为一个优选方案，如附图3所示，所述复眼摄像头包括：曲面支架901、微透镜单元902、像面变换模块903、CCD图像传感器904。曲面支架901的远离固定端的侧面为圆弧形曲面，在所述曲面支架901上阵列有多个微透镜单元902，沿着所述微透镜单元902的光轴方向上设置的像面变换模块903，以及沿着所述微透镜单元902的光轴方向、设置在所述像面变换模块输出端的CCD图像传感器904。其中，所述像面变换模块903为折转透镜或光纤传像，折转透镜为一个圆弧状的树脂透镜凹透镜，其两侧曲面的曲率为0.01～0.09、折光率为1.56～1.71，且其焦点与所述圆弧形曲面焦点重合，通过树脂透镜将光线沿着微透镜单元902光轴向两侧折射，传输至平面的CCD图像传感器904上；所述光纤传像是在与所述微透镜单元902下耦合连接一个光纤，光纤将不同微透镜单元902的图像光纤传导至平面CCD图像传感器904上。通过引入像面变换模块903，一方面，能够保证拍照时整个系统的同步性，避免重影现象的出现；另一方面，便于后期电脑终端对图像数据的处理。

作为一个优选方案，如附图4、5所示，所述热红外成像检测器包括：设置在所述无人机云台7上的感光阵列801，设置在控制模块内、且与所述感光阵列801相连接的信号转化器802和校准模块803，以及设置在所述电脑终端上的计算模块804和成像模块805。其中，所述感光阵列801包括多排多列检测感光元件801a阵列，在每行的检测感光元件801a阵列上均存在至少一个样本感光元件802b。由于红外成像检测器为及积分型读出电路，每个感光元件存在一个偏置电压，因为偏置电压的干扰导致热红外图像中会存在正偏差网格纹，通过串联一个被遮蔽的样本感光元件802b，样本感光元件802b不接受外部辐射，但同样存在与检测感光元件801a相同大小的偏执电压，因此采用样本感光元件802b用于检测串联电路中的偏置电压，扣除由偏执电压或其它电路电压整个行串联电路造成的干扰，提高热红外图像的清晰度，提高对“热斑效应”的检测的辨识度。

地面控制终端，包括用于信息接收的4G通讯模块2，和用于数据分析、线路规划、人机信息交流的电脑终端。电脑终端一方面用于人机信息交流，用于控制信息的输入，和检测信息的输出；另一方面用于分析、计算和控制整个无人机系统的飞行控制工作执行和自动检测组件对数据的采集、分析和输出。

另一方面，一种用于光伏电站故障检测的无人机的检测方法的具体步骤包括：

S1、检测无人机的电力和旋翼6的工作情况，然后在电脑终端上导入待检测电站的工程制图和无人机的相关性能数据，计算出无人机最佳行进路线；

S2、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行飞行巡逻；

S3、根据待测电站的地址和实时检测的时间，调整无人机云台7，保证始终与动圆台709与太阳光相垂直；

S4、复眼摄像头配合北斗定位系统，选取并记录光伏电站中不同经度、纬度和海拔高度上并拍摄其全息照片，并通过控制模块传输至电脑终端；

S5、热红外成像检测器实时检测光伏电板的温度，并将热红外图谱传输至电脑终端；当某区域的温度位于两个阈值之间时，即认定为可疑区域时，重复步骤S4；

S6、电脑终端分析全息照片和无人位置，控制无人机降低飞行高度，进一步对可疑点进行拍摄和温度采集；

S7、电脑终端确定所有故障区域和可疑区域的经纬度，输出故障区域和可疑区域分布图。

在进一步的实施例中，所述复眼摄像头的拍摄方法包括：

S401、微透镜单元902采集待检测光伏电板的光场内的全光函数，具体为：

；

其中，为场景内的任意一点的三维坐标，这里可以具体为经度、纬度，以及海拔高度；为目标场景任意点与微透镜单元902之间连线，分别在经线、纬线两个方向上的夹角；γ为光线的波长，t为光线从目标场景任意点到微透镜单元902的时间，可进一步计算出目标场景任意点与微透镜单元902之间的距离；

S402、CCD图像传感器904记录同一时刻，不同微透镜单元902的图像数据，生成相对应的图像元，并将信息传输至电脑终端；

S403、电脑终端将每个图像元等距离分割多个像素点，得到像素点阵列，计算每个微透镜单元902位置和其对应的图像元的光线的全光函数计算出该微透镜单元902的对检测光伏电板的光场中不同位置的权重，得到该微透镜单元902的对该光场的权重阵列，然后通过权重阵列和像素点阵列得到新像素点阵列，由不同图像元的新的像素点阵列累加组合组成的新的图像元，最后将新的图像元即为全息照片；

S404、同时，对比同一物体在相邻的多个微透镜单元902的图像元的图像信息，更加精准的确定故障区域的边缘、实际尺寸和实际坐标。

在进一步的实施例中，所述热红外成像检测器的检测方法包括：

S501、检测感光元件801a阵列和样本感光元件802b采集实施检测光伏电板的热红外温度数据，然后通过预定算法扣除网格条纹等干扰项，得到热红外图像；

S502、采用图像拼接技术，将分块的红外图像与全息照片结合，还原光伏电站内各光伏电板的温度分布图；

S503、将不同区域的温度值与设定的第一温度阈值对比，大于所述第一温度阈值即为故障点；将不同区域的温度值与设定的第二温度阈值对比，大于所述第二温度阈值但小于所述第一温度阈值即为可疑点，并在温度分布图中标出；

S504、通过故障区域的面积大小和温度值与第一温度阈值之间的差值确定光伏电板的故障等级。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (9)

1.一种用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，包括：

六旋翼无人机，包括呈圆环形结构的机架，设置在所述机架内部的控制模块和电源模块，与所述控制模块相连接、并固定安装在所述机架顶部的4G通讯模块，固定安装在所述机架底部由若干型材组成的支架，沿着所述机架中轴线分别对称设置的六个支撑臂，安装在每个支撑臂上端面上的伺服电机，以及与所述伺服电机的输出轴通过固定螺母固定连接的旋翼；其中，所述控制模块和电源模块与所述伺服电机之间通过电线相连接；

自动检测组件，包括设置在所述机架底部中心位置的无人机云台，设置在所述无人机云台上的热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统，其中，所述热红外成像检测器、复眼摄像头和北斗定位系统均与控制模块相连接；

地面控制终端，包括用于信息接收的4G通讯模块，和用于数据分析、线路规划、人机信息交流的电脑终端。

2.根据权利要求1所述的用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，所述无人机云台包括：与所述机架固定连接的定圆台，固定安装在所述定圆台上的电机安装座，设置在所述电机安装座上的小型电机，通过减速齿轮组与所述小型电机输出轴相连接、截面形状为“︿”的转轴，与所述转轴相连接的连接杆，固定安装在所述电机安装座两侧、截面形状为“ㄇ”的第一固定框，通过销轴与所述第一固定框的底部相连接、截面形状为“口”字形的第二固定框，固定安装在所述第二固定框、且贯穿所述连接杆的限位杆，以及与所述连接杆固定连接的动圆台。

3.根据权利要求1所述的用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，所述复眼摄像头包括：一侧为圆弧形的摄像头曲面支架，阵列在所述曲面支架上的多个微透镜单元，沿着所述微透镜单元的光轴方向上设置的像面变换模块，以及沿着所述微透镜单元的光轴方向、设置在所述像面变换模块输出端的CCD图像传感器。

4.根据权利要求3所述的用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，所述像面变换模块为折转透镜或光纤传像，折转透镜为一个圆弧状的树脂透镜凹透镜，其两侧曲面的曲率为0.01～0.09、折光率为1.56～1.71；所述光纤传像是在与所述微透镜单元下耦合连接一个光纤，将图像传输至CCD图像传感器上。

5.根据权利要求1所述的用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，所述热红外成像检测器包括：设置在所述无人机云台上的感光阵列，设置在控制模块内、且与所述感光阵列相连接的信号转化器和校准模块，以及设置在所述电脑终端上的计算模块和成像模块。

6.根据权利要求5所述的用于光伏电站故障检测的无人机，其特征在于，所述感光阵列包括多排多列检测感光元件阵列，在每排或每列的检测感光元件阵列上均存在至少一个样本感光元件。

7.一种用于光伏电站故障检测的无人机的检测方法，其特征在于，其具体步骤包括：

S1、检测无人机的电力和旋翼的工作情况，然后在电脑终端上导入待检测电站的工程制图和无人机的相关性能数据，计算出无人机最佳行进路线；

S2、无人机以预定的速度、离地表面预定高度和预定的行进路线进行飞行巡逻；

S3、根据待测电站的地址和实时检测的时间，调整无人机云台，保证始终与动圆台与太阳光相垂直；

S4、复眼摄像头配合北斗定位系统，选取并记录光伏电站中不同经度、纬度和海拔高度上并拍摄其全息照片，并通过控制模块传输至电脑终端；

S5、热红外成像检测器实时检测光伏电板的温度，并将热红外图谱传输至电脑终端；当某区域的温度位于两个阈值之间时，即认定为可疑区域时，重复步骤S4；

S6、电脑终端分析全息照片和无人位置，控制无人机降低飞行高度，进一步对可疑点进行拍摄和温度采集；

S7、电脑终端确定所有故障区域和可疑区域的经纬度，输出故障区域和可疑区域分布图。

8.根据权利要求7所述的用于光伏电站故障检测的无人机的检测方法，其特征在于，所述复眼摄像头的拍摄方法包括：

S401、微透镜单元采集待检测光伏电板的光场内的全光函数，具体为：

；

其中，为场景内的任意一点的三维坐标，这里可以具体为经度、纬度，以及海拔高度；为目标场景任意点与微透镜单元之间连线，分别在经线、纬线两个方向上的夹角；为光线的波长，t为光线从目标场景任意点到微透镜单元的时间，可进一步计算出目标场景任意点与微透镜单元之间的距离；

S402、CCD图像传感器记录同一时刻，不同微透镜单元的图像数据，生成相对应的图像元，并将信息传输至电脑终端；

S403、电脑终端将每个图像元等距离分割多个像素点，得到像素点阵列，计算每个微透镜单元位置和其对应的图像元的光线的全光函数计算出该微透镜单元的对检测光伏电板的光场中不同位置的权重，得到该微透镜单元的对该光场的权重阵列，然后通过权重阵列和像素点阵列得到新像素点阵列，由不同图像元的新的像素点阵列累加组合组成的新的图像元，最后将新的图像元即为全息照片；

S404、同时，对比同一物体在相邻的多个微透镜单元的图像元的图像信息，更加精准的确定故障区域的边缘、实际尺寸和实际坐标。

9.根据权利要求7所述的用于光伏电站故障检测的无人机的检测方法，其特征在于，所述热红外成像检测器的检测方法包括：

S501、检测感光元件阵列和样本感光元件采集实施检测光伏电板的热红外温度数据，然后通过预定算法扣除网格条纹等干扰项，得到热红外图像；

S502、采用图像拼接技术，将分块的红外图像与全息照片结合，还原光伏电站内各光伏电板的温度分布图；

S503、将不同区域的温度值与设定的第一温度阈值对比，大于所述第一温度阈值即为故障点；将不同区域的温度值与设定的第二温度阈值对比，大于所述第二温度阈值但小于所述第一温度阈值即为可疑点，并在温度分布图中标出；

S504、通过故障区域的面积大小和温度值与第一温度阈值之间的差值确定光伏电板的故障等级。