CN112452861A - 基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置。该方法包括：获取光伏电池板的表面图像；通过语义分割网络对光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及光伏清洁机器人的毛刷最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级，摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器调节模型调节加热温度；根据冰雪的总面积与电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。本发明能有效根据冰、雪等不同情况来设置对应的转速等级清扫积雪并调整加热温度等相关参数，降低冰雪清除过程中功率的损耗。

Description

基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置

技术领域

本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置。

背景技术

在秋冬季节，尤其是在我国北方地区，频繁的降雪以及低温会给太阳能电池板覆盖上厚厚的积雪，甚至在积雪下方结冰。目前在光伏发电运维领域，通常采取人工除雪的方法去除光伏组件表面的积雪，即人工在光伏组件上方喷洒融雪剂进行除雪，但是由于光伏组件系统通常面积较大，需要的融雪剂用量大，成本较高，且人工喷洒融雪剂耗时较长、存在一定安全隐患。此外，融雪剂还具有一定的腐蚀性，长期使用会影响对光伏组件的工作寿命。

目前光伏清洁机器人在工作时基本按照恒定功率作业，不能根据冰、雪等不同情况来调整加热温度，从而导致冰雪清除过程中功率的大量损耗。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置，具体方案如下：

本发明一个实施例提出了一种人工智能的光伏清洁机器人除冰雪的调节方法，具体步骤如下：

获取光伏电池板的表面图像；

通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；

根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及所述光伏清洁机器人的毛刷的最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级；

根据以所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级、摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；

根据冰雪总面积与所检测电池板的总面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

优选的，所述转速调节模型为：

v＝(1+p)²v₀

其中，v₀为所述毛刷的最低转速，p为所述毛刷转速等级。

优选的，所述加热器分段调节模型为：

其中，T为所述加热温度，t为所述环境温度，其取值为整数，δ为所述摩擦生热影响因子，t₀为温度阈值，p为所述毛刷转速等级。

优选的，所述规划清洁机器人的清洁轨迹还包括以下步骤：

当所述冰雪总面积小于所述所检测电池板的总面积的一半时，调整所述光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行清扫，当所述冰雪总面积大于所述所检测电池板的总面积的一半时，使所述光伏清洁机器人对整个所述光伏电池板进行清扫。

第二方面，本发明另一实施例还提出了一种人工智能的光伏清洁机器人除冰雪的调节装置，该装置包含以下模块：

图像采集模块，用于获取光伏电池板的表面图像；

面积估计模块，用于通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；

转速调节模块，用于根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及所述光伏清洁机器人的毛刷最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级；

温度调节模块，用于根据以所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级、摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；

轨迹规划模块，用于根据冰雪的总面积与所检测电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

优选的，所述转速调节模块还包括：

转速模型构建单元，用于构建转速调节模型，公式为：

v＝(1+p)²v₀

其中，v₀为所述毛刷的最低转速，p为所述毛刷转速等级。

优选的，所述温度调节模块还包括：

加热器温度模型构建单元，用于构建加热器温度分段调节模型，公式为：

其中，T为所述加热温度，t为所述环境温度，其取值为整数，δ为所述摩擦生热影响因子，t₀为温度阈值，p为所述毛刷转速等级。

优选的，所述轨迹规划模块还包括：

冰雪清除单元，用于当所述冰雪总面积小于所述所检测电池板的总面积的一半时，调整所述光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行清扫，当所述冰雪总面积大于所述所检测电池板的总面积的一半时，使所述光伏清洁机器人对整个所述光伏电池板进行清扫。

本发明至少存在以下有益效果：

本发明实施例通过获取光伏电池板的表面图像，通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及所述光伏清洁机器人的毛刷最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，根据以所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级，摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；根据冰雪的总面积与所检测电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。本发明实施例可以有效检测出光伏电池板上的冰雪分布情况，并根据其分布的面积不同采取不同的清洁轨迹进行清除，针对不同的环境温度和冰雪面积比，能够对加热器进行自适应的调节来辅助清洁机器人进行清冰除雪，降低了清洁过程中的功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一实施例所提供的一种人工智能的光伏清洁机器人除冰雪的调节方法的整体流程图；

图2为本发明一实施例所提供的一种人工智能的光伏清洁机器人除冰雪的调节方法的流程图；

图3为本发明一实施例所提供的一种人工智能的光伏清洁机器人除冰雪的调节装置的结构框图。

具体实施方式

为了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，对依据本发明提出的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法及装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下，在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

请参阅图1和图2，图1示出了本发明一实施例所提供的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法的整体流程图。图2示出了本发明一实施例所提供的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法的流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S1:获取光伏电池板的表面图像。

具体的，利用无人机相机进行光伏电池板的图像采集工作，提前规划无人机初始路径和有效拍照范围。

优选的，由于现实生活中受场地限制，很多光伏电池组在前后排列上较为紧凑，使用无人机进行多排拍照时会形成一定的视角盲区，故本发明实施例只针对单排多列光伏电池板进行拍照。

优选的，由于无人机以低空方式按轨迹飞行，具体高度以各地具体情况设定，以每次拍摄5到10组光伏电池板全貌为宜。

步骤S2:通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积。

具体的，采用语义分割网络对冰雪进行感知识别，所用的DNN网络为为Encoder-Decoder结构，训练步骤如下：

S101:将无人机采集到的包含有冰和雪的图像作为训练数据集，对数据集进行标注，标签分为三类，分别为冰、雪和背景；

S102:将图像数据和标签数据输入网络中，编码器Encoder抽取图像特征，并将通道数变换为类别数；

S103：通过解码器Decoder将特征图的高和宽变换为输入图像的尺寸，从而输出每个像素的类别。

需要具体说明的是，在步骤S101中的标注为像素级分类，即需要给图像中所有像素标注上对应标签。属于冰的像素，其值标注为1，属于雪的像素，其值标注为2，属于背景的像素，其值标注为0。

具体的，对语义分割图像进行闭运算，消除细小的空洞从而方便后续的连通域分析。其中，在连通域分析中，根据连通域中的像素点数量设定阈值，将像素点数量小于阈值的连通域置0，在本发明实施例中设定的阈值为50个像素点，通过计算像素数量分别得到冰和雪的面积以及冰雪总面积。

步骤S3:根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及光伏清洁机器人的毛刷的最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级。

具体的，本发明实施例中设定机器人的转速共有五个档位等级，最低档的转速为v₀，本发明中v₀＝200r/min，即每分钟200转。同时根据积冰的面积占冰雪总面积的冰雪面积比值划分5个范围，分别是：0％～20％，20％～40％，40％～60％，60％～80％，80％～100％。

具体的，这5个百分比值范围由低至高依次对应清洁机器人的五个转速等级，建立冰雪面积比例和清洁机器人转速的模型：

v＝(1+p)²v₀

其中，p为毛刷转速等级，v₀为毛刷最低转速。

优选的，p为积冰的面积占冰雪总面积百分比范围内的最高值，也即p的取值为20％，40％，60％，80％，100％，通过对毛刷转速的分级调速，减少了调速的频率，可以减少功率损耗。

需要说明的是，随着冰面积的增大，毛刷转速成非线性的增加。当只有雪的时候毛刷转速为最低档，当只有冰的时候毛刷转速为最高档。

步骤S4:根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级，摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度。

具体的，本发明实施例中清洁机器人配备有加热器，该加热器能够根据环境温度和毛刷转速实时调节加热温度，设定温度阈值，当环境温度高于此温度时加热器不再工作，当温度高于0度时冰雪才开始融化，因此建立起加热器的分段调节模型，公式如下：

其中，T为加热温度，δ为所述摩擦生热影响因子，t₀为温度阈值，本发明实施例中设定温度阈值为25度，t为环境温度，其取值为整数，p为毛刷转速等级。

具体的，

环境温度t由温度传感器测得。

具体的，该分段调节模型中第一个式子表明，当环境温度为正值时，环境温度越高，则加热器所需加热的温度越低。第二个式子表明，当环境温度为零下时，温度越低则加热器所需的加热温度越高。

具体的，通过分段方式对加热温度进行调节，能够针对不同的环境温度状况自适应的调节加热温度，提高了热能的利用率，降低了功率损耗。

步骤S5:根据冰雪的总面积与所检测电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

优选的，本发明实施例中根据冰雪的总面积和所检测电池板总面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，判断冰雪总面积是否占全板的面积的一半，当冰雪总面积小于光伏电池板总面积的一半时，调整光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行定点清除，当冰雪总面积大于光伏电池板总面积的一半时，使光伏清洁机器人对整个光伏电池板进行全板清扫，从而使清洁的范围更加精准，减少不必要的功率损耗。

需要说明的是，本发明实施例中无人机需要对清洁机器人作业区域进行连续拍照以实时监测光伏电池板的状态，对积雪清除后需循环拍照确定是否还留有积冰。对积冰清除时需循环拍照以确定积冰和积雪清除完毕后及时转移清洁机器人到下个区域，防止毛刷对光伏电池板造成危害。针对温度阈值的设定不仅需根据当地的环境进行适当调节，更应该考虑到所使用的的光伏电池板对温度的耐受能力而选择合适的温度阈值。

综上所述，本发明实施例通过获取光伏电池板的表面图像，通过语义分割网络对光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及光伏清洁机器人的毛刷最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级，摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；根据冰雪的总面积与所检测电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。本发明实施例可以有效检测出光伏电池板上的冰雪分布情况，并根据其分布的面积不同采取不同的清洁轨迹进行清除，针对不同的环境温度和冰雪面积比，本发明实施例能够对加热器进行自适应的调节来使温度辅助清洁机器人进行清冰除雪，降低了清洁过程中的功耗。

基于与上述方法实施例相同的发明构思，本发明的另一个实施例还提供了一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节装置。

请参阅图3，其示出了一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节装置的结构框图，该装置包括图像采集模块101、面积估计模块102、转速调节模块103、温度调节模块104和轨迹规划模块105。

图像采集模块101用于获取光伏电池板的表面图像。面积估计模块102用于通过语义分割网络对光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积。转速调节模块103用于用于根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及光伏清洁机器人的毛刷最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级。温度调节模块104用于根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级、摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度，以及轨迹规划模块105用于根据冰雪总面积与所检测电池板的面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

优选的，转速调节模块103还包括：

转速模型构建单元，用于构建转速调节模型，公式为：

v＝(1+p)²v₀

其中，v₀为毛刷的最低转速，p为毛刷转速等级。

优选的，温度调节模块104还包括：

加热器温度模型构建单元，用于构建加热器温度分段调节模型，公式为：

其中，T为加热温度，t为环境温度，其取值为整数，温度阈值，p为毛刷转速等级。

优选的，轨迹规划模块105还包括：

冰雪清除单元，用于当冰雪总面积小于所检测电池板的总面积的一半时，调整光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行清扫，当冰雪总面积大于所检测电池板的总面积的一半时，使光伏清洁机器人对整个光伏电池板进行清扫。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法，其特征在于，还包括以下步骤：

获取光伏电池板的表面图像；

通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；

根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及所述光伏清洁机器人的毛刷的最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级；

根据以所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级、摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；

根据所述冰总面积与所检测电池板的总面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法，其特征在于，所述转速调节模型为：

v＝(1+p)²v₀

其中，v₀为所述毛刷的最低转速，p为所述毛刷转速等级。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法，其特征在于，所述加热器分段调节模型为：

其中，T为所述加热温度，t为所述环境温度，其取值为整数，δ为所述摩擦生热影响因子，t₀为温度阈值，p为所述毛刷转速等级。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法，其特征在于，所述规划清洁机器人的清洁轨迹还包括以下步骤：

当所述冰雪总面积小于所述所检测电池板的总面积的一半时，调整所述光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行清扫，当所述冰雪总面积大于所述所检测电池板的总面积的一半时，使所述光伏清洁机器人对整个所述光伏电池板进行清扫。

5.一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节装置，其特征在于，该装置还包括以下模块：

图像采集模块，用于获取光伏电池板的表面图像；

面积估计模块，用于通过语义分割网络对所述光伏电池板表面的冰雪进行检测，估计积雪和积冰的面积；

转速调节模块，用于根据以光伏清洁机器人的毛刷转速等级及所述光伏清洁机器人的毛刷的最低转速构建的转速调节模型调节毛刷的转速，所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级是根据积冰的面积在冰雪总面积中的占比划分的等级；

温度调节模块，用于根据以所述光伏清洁机器人的毛刷转速等级、摩擦生热影响因子以及环境温度所构建的加热器分段调节模型调节加热温度；

轨迹规划模块，用于根据冰雪总面积与所检测电池板的总面积的比值来规划清洁机器人的清洁轨迹，对积冰和积雪进行清除。

6.根据权利要求5所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节方法，其特征在于，所述转速调节模块还包括：

转速模型构建单元，用于构建转速调节模型，公式为：

v＝(1+p)²v₀

其中，v₀为所述毛刷的最低转速，p为所述毛刷转速等级。

7.根据权利要求5所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节装置，其特征在于，所述温度调节模块还包括：

加热器温度模型构建单元，用于构建加热器温度分段调节模型，公式为：

其中，T为所述加热温度，t为所述环境温度，其取值为整数，δ为所述摩擦生热影响因子，t₀为温度阈值，p为所述毛刷转速等级。

8.根据权利要求5所述的一种基于人工智能的光伏清洁机器人除冰雪调节装置，其特征在于，所述轨迹规划模块还包括：

冰雪清扫单元，用于当所述冰雪总面积小于所述所检测电池板的总面积的一半时，调整所述光伏清洁机器人的轨迹以使其针对冰雪覆盖处进行清扫，当所述冰雪总面积大于所述所检测电池板的总面积的一半时，使所述光伏清洁机器人对整个所述光伏电池板进行清扫。

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