CN111459190A - 面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机及巡检方法，包括无人机机体和PC地面站，无人机机体包括飞行控制模块、图像采集模块、数据处理模块、通讯模块和避障及测距模块；无人机机体通过通讯模块与PC地面站连接，且飞行控制模块分别与数据处理模块和避障及测距模块连接，图像采集模块通过串口分别与数据处理模块和通讯模块连接。本装置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，本装置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。

Description

面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机及巡检方法

技术领域

本发明涉及无人机的应用与开发领域，尤其是涉及面向规模化集中式 光伏电站自动巡检的无人机及巡检方法。

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，本发明提出了面向规模化 集中式光伏电站自动巡检的无人机及巡检方法，相对于传统的人工巡检方法， 本装置最大限度地提升了巡检效率、提高了经济效益；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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：面向规模化集中式光伏电 站自动巡检的无人机包括无人机机体和PC地面站，所述无人机机体包括飞行 控制模块、图像采集模块、数据处理模块、通讯模块和避障及测距模块；无 人机机体通过通讯模块与PC地面站连接，且飞行控制模块分别与数据处理模 块和避障及测距模块连接，图像采集模块通过串口分别与数据处理模块和通 讯模块连接。

作为优选，所述飞行控制模块用于控制无人机飞行，其输入量既可以是 目标点坐标、也可以是速度矢量。

作为优选，所述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、通讯模块。

作为优选，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， 可向飞行控制模块发送点坐标或速度矢量形式的控制指令。

作为优选，所述通信模块用于无人机机体和PC地面站的通信，可以以不 低于2Hz的频率向PC地面站实时发送无人机状态信息，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。

作为优选，所述避障及测距模块感知无人机机体前、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，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，全面管理和支撑飞行 任务。

其中，所述PC地面站的飞行信息管理包括执行飞行任务的人员验证、记 录与管理。

所述PC地面站的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。

所述PC地面站的飞行参数显示功能可在PC地面站实时呈现无人机飞行 参数。

所述PC地面站的飞行状态控制与飞行参数调整功能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。

所述PC地面站的飞行任务还原功能可记录飞行任务与状态信息并进行回 放。

所述PC地面站的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。

所述PC地面站的图像存储与检索功能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。

本发明面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机的巡检方法，该方 法包括以下步骤：

步骤一、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b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；

步骤二、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；

步骤三、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；

步骤四、无人机根据步骤三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；

步骤五、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；

步骤六、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；

步骤七、在步骤一至步骤六过程中，PC地面站显示状态信息并存储接收 到的所有数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置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，本装置实现了完备的 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为本发明的结构示意图；

图2为PC地面站的界面示意图；

图3为面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机系统结构图；

图4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5光伏电站示意图；

图6为根据光伏组件位置信息自动生成无人机路径点示意图；

图7为视觉伺服过程系统框架。

附图标记：无人机机体a、PC地面站b、飞行控制模块a1、图像采集模 块a2、数据处理模块a3、通讯模块a4和避障及测距模块a5。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：参照图1所示，面向规模化集中式光伏电站 自动巡检的无人机包括无人机机体a和PC地面站b，所述无人机机体a包括 飞行控制模块a1、图像采集模块a2、数据处理模块a3、通讯模块a4和避障 及测距模块a5；无人机机体a通过通讯模块a4与PC地面站b连接，且飞行 控制模块a1分别与数据处理模块a3和避障及测距模块a5连接，图像采集模 块a2通过串口分别与数据处理模块a3和通讯模块a4连接。

其中，飞行控制模块a1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a2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a3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a3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a4是无人机机体a与PC地面站b沟通的媒介，可以以不低于 2Hz的频率向PC地面站b实时发送从飞行控制模块a1获取的无人机状态信息， 可以在接收到图像采集模块a2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b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a1；

避障及测距模块a5可以感知无人机机体a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a5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b对无人机发出进一步的控制指令。

参照图2所示，PC地面站b作为人机交互平台，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，全面管理和 支撑飞行任务；

飞行信息管理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；

飞行参数显示功能可在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功能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；

飞行任务还原功能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；

图像存储与检索功能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；

在充分描述无人机机体及PC地面站结构的基础上，图3展示了面向规模 化集中式光伏电站自动巡检的无人机系统结构图，对各功能模块和数据传输 关系进行了抽象化的描述和表示；借助这一系统架构，图4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：

步骤一、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b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5是光伏电站示意图，每个光伏组串的位置 是已知的；图6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；

步骤二、激活无人机：执行飞行任务的人员通过PC地面站b的飞行信息 管理模块登记信息，激活无人机

步骤三、启动无人机：将路径点通过无人机机体a的通讯模块a4传输到 无人机机体a的飞行控制模块a1，执行飞行任务的人员通过PC地面站b的飞 行状态控制与飞行参数调整模块启动无人机；

步骤四、执行飞行任务：无人机根据步骤三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a3 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a1，飞行控制模 块a1据此控制无人机进行位置姿态调整；

步骤五、断点续航：如无人机能量不足需要返航时，飞行控制模块a1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；

步骤六、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；

在执行步骤一至步骤六的过程中，PC地面站b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7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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (5)

1.面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机，其特征在于：所述的无人机包括无人机机体(a)和PC地面站(b)，所述无人机机体(a)包括飞行控制模块(a1)、图像采集模块(a2)、数据处理模块(a3)、通讯模块(a4)和避障及测距模块(a5)；无人机机体(a)通过通讯模块(a4)与PC地面站(b)连接，且飞行控制模块(a1)分别与数据处理模块(a3)和避障及测距模块(a5)连接，图像采集模块(a2)通过串口分别与数据处理模块(a3)和通讯模块(a4)连接。

2.根据权利要求1所述的面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机，其特征在于：所述飞行控制模块(a1)用于控制无人机飞行，其输入量既可以是目标点坐标、也可以是速度矢量；

所述图像采集模块(a2)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(a3)、通讯模块(a4)；

所述数据处理模块(a3)用于对输入图像进行目标识别、参数计算，可向飞行控制模块(a1)发送点坐标或速度矢量形式的控制指令；

所述通信模块(a4)用于无人机机体(a)和PC地面站(b)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(a2)传输的可见光图像、红外图像后实时发送到PC地面站(b)，接收PC地面站(b)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(a1)；

所述避障及测距模块(a5)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1所述的面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机，其特征在于：所述的PC地面站(b)作为人机交互平台，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，全面管理和支撑飞行任务。

4.根据权利要求3所述的PC地面站，其特征在于：所述PC地面站(b)的飞行信息管理包括执行飞行任务的人员验证、记录与管理；

所述PC地面站(b)的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；

所述PC地面站(b)的飞行参数显示功能可在PC地面站(b)实时呈现无人机飞行参数；

所述PC地面站(b)的飞行状态控制与飞行参数调整功能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；

所述PC地面站(b)的飞行任务还原功能可记录飞行任务与状态信息并进行回放；

所述PC地面站(b)的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；

所述PC地面站(b)的图像存储与检索功能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。

5.一种根据权利要求1所述的面向规模化集中式光伏电站自动巡检的无人机的巡检方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、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(b)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；

步骤二、执行飞行任务的人员通过PC地面站(b)的飞行信息管理模块登记信息，激活无人机；

步骤三、将路径点通过无人机机体(a)的通讯模块(a4)传输到无人机机体(a)的飞行控制模块(a1)，执行飞行任务的人员通过PC地面站(b)的飞行状态控制与飞行参数调整模块启动无人机；

步骤四、无人机根据步骤三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(a1)，飞行控制模块(a1)据此控制无人机进行位置姿态调整；

步骤五、如无人机能量不足需要返航时，飞行控制模块(a1)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；

步骤六、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；

步骤七、在步骤一至步骤六过程中，PC地面站(b)显示状态信息并存储接收到的所有数据。

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