CN110645981B - 用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统及方法，该无人船导航系统包括定向定位仪、激光雷达、图像处理模块、决策控制模块等，所述无人船包括动力执行模块和所述导航系统，其通过所述定向定位仪、激光雷达、图像处理模块、决策控制模块及动力执行模块等实现了无人船对光伏阵列组件清洗时的自动导航控制，实现了无人船在桩基式水上光伏阵列中安全通行，从而确保了自动清洗任务的正常执行。
Description
技术领域
本发明涉及航行器技术领域，尤其涉及一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统及方法。
背景技术
太阳能发电日益受到世界各国的重视。中国太阳能资源比较丰富，太阳能光伏发电的发展潜力巨大。但是，太阳能发电需要占用巨大面积，在陆地资源日益紧张的今天，人们开始考虑水上光伏发电，广阔的湖泊，海洋，河流都可以成为太阳能发电场，可以有效解决太阳能发电场地瓶颈问题。
在光伏电站使用的过程中，光伏板面上会累积灰尘、落叶、鸟粪等污物，这些污物会影响光伏板对太阳能的吸收和电能转化，而且，不同的污物累积对光伏发电效率造成的损失不同。而且，对于顽固灰渍、鸟粪等遮挡物会在光伏板上形成局部阴影，从而导致局部温升，形成热斑效应，从而降低光伏组件的使用寿命。
目前，无人船应用于水上光伏组件的自动清洗是无人船新的应用领域，但是，在光伏组件的遮挡下，无人船定位信号很不稳定，需要通过视觉识别或激光雷达自动识别阵列桩来完成自主避碰、导航定位和任务规划。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是提供一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案内容具体如下：
一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统，其特征在于：包括定向定位仪、激光雷达、图像处理模块、决策控制模块等，所述无人船包括动力执行模块和所述导航系统；所述定向定位仪用于采集所述无人船的全局位姿，所述激光雷达用于采集周围环境的三维点云图像，图像处理模块用于将所述激光雷达采集到的三维点云图像转换为二位图像，计算出所述无人船与临近多个光伏阵列桩的相对位置，所述决策控制模块用于根据全局位姿与光伏阵列桩的相对位置信息作出决策结果，根据决策结果控制所述动力执行模块驱动所述无人船在阵列中安全航行。
作为上述方案的优选，所述定向定位仪利用GNSS和IMU获取所述无人船的全局位姿，全局位姿包括所述无人船的经度、维度、航向和航速。
作为上述方案的优选，所述激光雷达通过发射激光束不断扫描目标物，通过光束反射信息得到目标物的三维点云图像。
作为上述方案的优选，所述图像处理模块是将所述激光雷达采集到的三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像计算出所述无人船与临近多个光伏阵列桩的相对位置。
作为上述方案的优选，所述决策控制模块包括航速控制单元和航迹控制单元，所述航速控制单元通过所述动力执行模块控制所述无人船的航速，所述航迹控制单元通过所述动力执行模块控制所述无人船的航迹。
本发明还公开了一种用于清洗桩基式水上光伏组件的航行器的无人船导航方法，包括如下步骤：
S1：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船从开阔水域航行到光伏阵列区域，并控制无人船1切换为局部导航方式；
S2：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船在光伏阵列中航行，执行自动清洗任务；
S3：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船驶出光伏阵列，停止自动清洗任务，并控制无人船切换为全部导航方式。
作为上述方案的优选，步骤S1具体为：
决策控制模块获取无人船全局规划航路；
定向定位仪获取无人船实时全局位姿；
决策控制模块利用全局航路规划计算无人船的航路、航向和航速，控制动力执行模块驱动无人船从开阔水域航行到光伏阵列区域；
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
当决策控制模块检测到图像处理模块识别出来的光伏阵列桩的数量大于设定阈值时，决策控制模块控制无人船切换为局部导航方式，并启动对光伏组件的自动清洗。
作为上述方案的优选，步骤S2具体为：
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
决策控制模块计算无人船前方左右两个阵列桩中点以及后方左右两个阵列桩中点组成的航路，实时计算无人船在阵列中的局部位置和目标航向，使用自动控制算法实时计算航向偏差，控制动力执行模块的推力输出，实时调节无人船沿着局部航路目标航向航行，并持续执行自动清洗任务。
作为上述方案的优选，步骤S3具体为：
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
当决策控制模块检测到图像处理模块识别出来的光伏阵列桩的数量小于设定的阈值时，决策控制模块控制无人船切换为全局导航方式，并停止对光伏组件的自动清洗；
定向定位仪获取无人船实时全局位姿；
决策控制模块获取无人船全局规划航路；
决策控制模块利用全局航路规划计算无人船的航路、航向和航速，控制动力执行模块驱动无人船从光伏阵列区域航行到开阔水域。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统及方法，该无人船导航系统包括定向定位仪、激光雷达、图像处理模块、决策控制模块等，所述无人船包括动力执行模块和所述导航系统，其通过所述定向定位仪、激光雷达、图像处理模块、决策控制模块及动力执行模块等实现了无人船对光伏阵列组件清洗时的自动导航控制，实现了无人船在桩基式水上光伏阵列中安全通行，从而确保了自动清洗任务的正常执行
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统的结构示意图；
图2为光伏阵列的结构示意图；
图3为无人船为全局导航模式时的航行示意图；
图4为无人船为局部导航模式时的航行示意图；
其中，图1-图4中的附图标记为：
1、无人船；2、光伏阵列；3、光伏阵列桩；4、动力执行模块；5、定向定位仪；6、激光雷达；7、图像处理模块；8、决策控制模块。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：
如图1所示，本发明公开了一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航系统，其包括定向定位仪5、激光雷达6、图像处理模块7以及决策控制模块8，所述无人船1包括所述导航系统和动力执行模块4；所述定向定位仪用于采集所述无人船的全局位姿，所述激光雷达6用于采集周围环境的三维点云图像，所述图像处理模块7用于将所述激光雷达6采集到的三维点云图像转换为二维图像，计算出所述无人船1与临近多个光伏阵列桩3的相对位置，所述决策控制模块8用于根据全局位姿与光伏阵列桩3的相对位置信息作出决策结果，根据决策结果控制所述动力执行模块驱动所述无人船在阵列中安全航行。
作为上述方案的优选，所述定向定位仪5利用GNSS和IMU获取所述无人船1的全局位姿，并且全局位姿包括所述无人船1的经度、纬度、航向和航速。其中：(1)GNSS接收卫星导航信号，如包括GPS、北斗、伽利略以及GLONASS导航系统等；而且，为了能够获取更为准确的位姿信息，本发明中采用定点RTK和网络RTK实时运动差分定位技术对获取的GNSS位姿信息进行精确化处理；(2)IMU可以实时测量所述无人船1的加速度、角速度以及地磁偏向角等信息，最后，利用组合导航系统通过卡尔曼滤波及其相应深度耦合技术对GNSS获取的位姿信息及IMU获取的数据进行融合处理，进而输出所述无人船的实际位置、航向、速度等信息，并且所述无人船1的上述位置以及航向信息使用WGS-84坐标系进行标记，并将上述数据传输给决策控制模块8。
作为上述方案的优选，所述激光雷达6采集周围环境的三维点云图像，所述图像处理模块7将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像计算激光雷达探测范围内所述无人船1与临近多个光伏阵列桩3的相对位置。
具体地，所述图像处理模块7首先实时获取激光雷达6发送的雷达点云数据帧，并将三维点云图像进行降维处理以转换为二维图像，然后通过聚类技术获取每个光伏阵列桩3的中心位置及其轮廓数据，进而计算无人船1与光伏阵列桩3的相对距离及方向，并将上述数据传输给决策控制模块8。
作为上述方案的优选，所述决策控制模块8包括航速控制单元和航迹控制单元，所述航速控制单元通过所述动力执行模块4控制所述无人船1的航速，所述航迹控制单元通过所述动力执行模块4控制所述无人船1的航迹，从而通过所述航速控制单元和航迹控制单元实现了所述无人船1的航速及航迹的控制。
本发明还公开了一种用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航方法，包括如下步骤：
S1：决策控制模块8控制动力执行模块4驱动无人船从开阔水域航行到光伏阵列区域，并控制无人船1切换为局部导航方式；
S2：决策控制模块8控制动力执行模块4驱动无人船在光伏阵列中航行，执行自动清洗任务。
S3：决策控制模块8控制动力执行模块4驱动无人船驶出光伏阵列，停止自动清洗任务，并控制无人船1切换为全部导航方式。
作为上述方案的优选，步骤S1具体为：
决策控制模块8获取全局规划航路。在本发明中，全局规划航路由位于岸基的地面控制站通过无线传输方式发送给决策控制模块，全局规划航路的起点位于光伏阵列1的外部。
决策控制模块8通过定向定位仪5获取无人船实时全局位姿，实时全局位姿包括无人船经度、维度、航向、速度等。
决策控制模块8通过动力执行模块4驱动无人船1按照全局规划航路运行进入光伏阵列2。具体地，在如图3所示全局航路规划执行过程中，决策控制模块实时获取无人船全局位姿数据，计算航迹和航向偏差，利用
计算目标航向，其中θ为当前位置与航点位置相对航向，e为航迹偏差，△为航迹回归系数。具体计算时，利用自动控制算法计算推力方向控制量预期值，以控制动力执行模块推力方向的输出。全局规划航路控制方法中航速控制模块实时读取全局规划航路各航行控制点预制的速度设定，读取定位定向模块输出的位置和航速信息，计算无人船当前位置航速偏差，控制无人船推力大小。
控制所述无人船1切换为局部导航方式。具体地，图像处理模块7实时获取激光雷达6发送的三维点云图像，将三维点云图像降维转化为二维图像，通过聚类技术获得图像中各光伏阵列桩的中心位置及轮廓数据，实时计算无人船1与临近光伏阵列桩的相对距离及方向，发送给决策控制模块。决策控制模块判断前方预定距离内光伏阵列桩数量大于阈值时，将无人船1切换为局部导航方式。
作为上述方案的优选，步骤S2具体为：
激光雷达6获取临近多个阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块7计算无人船与相邻的光伏阵列桩的实时相对位置；
决策控制模块8依据图像处理模块7输出的阵列桩相对位置及定位定向模块输出的航向信息规划局部航路，计算相对航向偏差，控制动力模块4的推力输出，驱动无人船1在光伏阵列中航行，并执行自动清洗任务。
具体地，在如图4所示的局部航路规划执行过程中，决策控制模块8计算无人船1前方左右两个阵列桩33和34中点以及后方左右两个光伏阵列桩31和32中点组成的航路，实时计算无人船1在阵列中的局部位置和航向，使用自动控制算法实时计算航向偏差，控制动力执行模块4的推力输出，实时调节无人船1沿着规划的局部航路航行，并执行自动清洗任务。
作为上述方案的优选，步骤S3具体为：
激光雷达6获取临近多个阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块7将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船1与相邻的光伏阵列桩3的相对位置；
当决策控制模块8检测到图像处理模块7计算输出的光伏阵列桩的数量小于设定的阈值时，决策控制模块8控制无人船切换为全局导航方式，并停止对光伏组件的自动清洗；
决策控制模块8通过定向定位仪5获取无人船实时全局位姿，实时全局位姿包括无人船经度、维度、航向、速度等；
决策控制模块8获取无人船1的全局规划航路；
决策控制模块8利用全局航路规划计算无人船的航路、航向和航速，控制动力执行模块4驱动无人船1从光伏阵列区域航行到开阔水域。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
Claims (3)
1.用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船从开阔水域航行到光伏阵列区域，并控制无人船切换为局部导航方式；
S2：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船在光伏阵列中航行，执行自动清洗任务；
S3：决策控制模块控制动力执行模块驱动无人船驶出光伏阵列，停止自动清洗任务，并控制无人船切换为全局导航方式；
步骤S1具体为：
决策控制模块获取无人船全局规划航路；
定向定位仪获取无人船实时全局位姿；
决策控制模块利用全局航路规划计算无人船的航路、航向和航速，控制动力执行模块驱动无人船从开阔水域航行到光伏阵列区域；
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
当决策控制模块检测到图像处理模块识别出来的光伏阵列桩的数量大于设定阈值时，决策控制模块控制无人船切换为局部导航方式，并启动对光伏组件的自动清洗。
2.根据权利要求1所述的用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航方法，其特征在于：步骤S2具体为：
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
决策控制模块计算无人船前方左右两个阵列桩中点以及后方左右两个阵列桩中点组成的航路，实时计算无人船在阵列中的局部位置和目标航向，使用自动控制算法实时计算航向偏差，控制动力执行模块的推力输出，实时调节无人船沿着局部航路目标航向航行，并持续执行自动清洗任务。
3.根据权利要求1所述的用于清洗桩基式水上光伏组件的无人船导航方法，其特征在于：步骤S3具体为：
激光雷达获取无人船相邻的光伏阵列桩的三维点云图像并输出给图像处理模块；
图像处理模块将三维点云图像转换为二维图像，并通过二维图像实时计算出无人船与相邻的光伏阵列桩的相对位置；
当决策控制模块检测到图像处理模块识别出来的光伏阵列桩的数量小于设定的阈值时，决策控制模块控制无人船切换为全局导航方式，并停止对光伏组件的自动清洗；
定向定位仪获取无人船实时全局位姿；
决策控制模块获取无人船全局规划航路；
决策控制模块利用全局航路规划计算无人船的航路、航向和航速，控制动力执行模块驱动无人船从光伏阵列区域航行到开阔水域。
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Legal Events
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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