CN212515006U - 一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，包括无人机空中作业端和地面数据处理端；无人机空中作业端包括多旋翼无人机、微单数码相机云台、双光相机云台以及图传和数传设备，地面数据处理端包括光伏电子地图构建模块、可见光和红外配准模块、异常目标检测模块、故障精准定位模块。能够通过微单相机从高空采集的数据构建光伏电站电子地图，并通过双光相机从低空采集的数据构建三维地理坐标和二维像素坐标的对应关系，最终输出精准的异常目标定位结果。整个流程高效、快速、准确且自动化程度高，很好地解决了人工巡检效率低、时效性差的问题。

Description

一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置

技术领域

本实用新型属于无人机巡检应用技术领域，具体涉及一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置。

背景技术

随着经济社会的不断发展，清洁能源特别是光伏电站正发挥着越来越重要的作用。我国作为光伏制造和装机大国，在使用光伏替代传统发电方式创造利润的同时，也由于光伏电站分布广、类型多、运营效率低、维护周期长等原因制约了光伏电站的健康发展。

在光伏电站中，由于组件的隐裂、灰尘、鸟粪、灌木遮挡以及元器件损坏等原因，会造成组件出现热斑、零电流等常见故障，这些故障在传统运维后台很难通过汇流箱数据显示的方式被监测到，而故障如果不能被及时处理，会增大周围光伏板损坏的概率，给电站带来更大损失。因此，对光伏板异常的检测和排查十分重要。传统的光伏巡检主要通过运维人员手持红外扫描仪的方式对大量光伏板逐个排查，该方式作业效率低且时效性差，无法保证对大面积区域光伏板故障的快速定位。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，通过无人机挂载双光相机快速获取完备的可见光和红外数据，以快速定位光伏板上存在的异常目标。

一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，空中作业端和地面数据处理端；所述空中作业端包括微单数码相机云台和双光相机云台，所述地面数据处理端包括光伏电子地图构建模块、异常目标检测模块和故障精准定位模块；所述微单数码相机云台的输出端与光伏电子地图构建模块的输入端连接，所述双光相机云台的输出端和光伏电子地图构建模块以及异常目标检测模块的输入端连接，所述异常目标检测模块的输出端与故障精准定位模块的输入端连接。

进一步的，故障精准定位模块包括稀疏点云生成子模块、坐标映射定位子模块和逻辑位置对应子模块，所述稀疏点云生成子模块的输入端和异常目标检测模块的输出端连接，所述稀疏点云生成子模块的输出端和坐标映射定位子模块的输入端连接，所述坐标映射定位子模块的输出端和逻辑位置对应子模块的输入端连接。

进一步的，微单数码相机云台通过图传和数传设备连接至光伏电子地图构建模块，所述双光相机云台通过图传和数传设备连接至异常目标检测模块。

进一步的，图传和数传设备的型号为TQ6000全高清无线数字图像传输系统。

进一步的，双光相机云台通过可见光和红外配准模块连接至故障精准定位模块。

进一步的，微单数码相机云台和双光相机云台安装在多旋翼无人机上。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：

本实用新型通过微单相机从高空采集的数据构建光伏电站电子地图，并通过双光相机从低空采集的数据构建三维地理坐标和二维像素坐标的对应关系，最终输出精准的异常目标定位结果。整个装置高效、快速、准确且自动化程度高，很好地解决了人工巡检效率低、时效性差的问题。同时，该装置也可以运用在非光伏的其他场景，如电力巡检、油气管线巡检等。

进一步的，双光相机云台通过可见光和红外配准模块连接至故障精准定位模块，可见光和红外配准模块对可见光和红外图像进行双光配准，保证异常目标检测的准确性和完备性。

进一步的，多旋翼无人机具有机动性高、适应性强、挂载多样以及操作简单等诸多特点，搭配红外和可见光的双光相机进行作业，可以保证前端数据采集的快速性和完备性；后端的异常目标检测模块则通过对采集的数据进行分析和处理，准确高效的检测光伏板上存在的异常目标，并对其进行精准的地理定位，帮助巡检人员快速准确的发现和处理光伏板上存在的异常。

附图说明

图1是本实用新型提供的适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置的框架示意图；

图2是使用微单相机采集图像构建的某光伏电站作业区域的电子地图；

图3是对双光相机采集的红外和可见光图片进行配准前后的效果对比图；

图4是使用红外图像生成的用于建立三维地理坐标和二维像素坐标对应关系的点云；

图5是对在光伏电子地图基础上对组件进行逻辑编号的示意图；

图6是输出的包含故障类型、组件截图、GPS位置以及组件逻辑编号的报告部分内容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

参照图1，一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，包括无人机空中作业端和地面数据处理端，并最终输出异常目标的逻辑定位报告，该装置的框架示意图如图1所示。

无人机空中作业端包括多旋翼无人机、微单数码相机云台、双光相机云台、以及图传和数传设备，地面数据处理端包括光伏电子地图构建模块、可见光和红外配准模块、异常目标检测模块、故障精准定位模块。双光相机云台指同时配备1080P可见光摄像机和640*512测温型热像仪的三轴云台。其中，双光相机型号为FLIR Duo Pro R。图传和数传设备型号为：西安因诺航空科技有限公司生产的TQ6000全高清无线数字图像传输系统，可提供5KM距离传输，且抗干扰能力强。异常目标检测模块采用目标检测标记的产品，使用了西安因诺航空科技有限公司的成熟软件“智能管线巡检管理系统”中的异常对象目标检测功能。

微单数码相机云台和双光相机云台均安装在多旋翼无人机上，微单数码相机云台的输出端和光伏电子地图构建模块的输入端连接，光伏电子地图构建模块将生成的电子地图作为底图，可以帮助用户更直观的查看异常目标在整个巡检作业区域的位置，其输出和故障精准定位模块相连。双光相机云台的输出端与可见光和红外配准模块的输入端连接，可见光和红外配准模块的输出端和异常目标检测模块的输入端连接，异常目标检测模块的输出端和故障精准定位模块的输入端连接，故障精准定位模块用于输出逻辑定位报告。故障精准定位模块包括稀疏点云生成子模块、坐标映射定位子模块和逻辑位置对应子模块，所述稀疏点云生成子模块的输入端和异常目标检测模块的输出端连接，所述稀疏点云生成子模块的输出端和坐标映射定位子模块的输入端连接，所述坐标映射定位子模块的输出端和逻辑位置对应子模块的输入端连接。

本装置的工作流程如下：

首先，无人机空中作业端使用多旋翼无人机按照预设航线分别搭载微单数码相机云台和双光相机云台进行高空和低空的数据采集，并由图传设备将采集的数据传输给地面数据处理端。其中，采用微单相机从高空进行数据采集，采集到的数据为：4000万像素可见光图像；用于后端构建无人机作业区域的数字电子地图；采用双光相机从低空进行数据采集，采集到的数据为：1920*1080分辨率的可见光图像和640*512分辨率的红外图像，用于后端对异常目标进行检测和定位时使用。所有采集的图像均通过图传设备传回到地面站，同时微单数码相机和双光相机拍照时刻对应的GPS由多旋翼无人机自带的飞行控制系统通过数传设备传输至地面站记录。微单相机的GPS传递到光伏电子地图构建模块用于作为电子地图的输入数据；双光相机的GPS传递到故障精准定位模块作为异常目标定位的输入数据。

其次，地面端根据微单相机在高空采集的图像和对应GPS预先构建整个光伏电站作业区域中包含地理坐标的电子地图，并以此作为后续定位和总览的底图。整个拼图过程依次经过特征提取匹配、稀疏点云构建、网格重构以及纹理贴图等步骤，最终输出场景的数字正射影像，图2所示为使用微单相机处理某光伏电站作业区域的拼图结果。

再次，根据双光相机在低空拍摄的可见光和红外图像进行异常目标检测和定位，异常目标检测由异常目标检测模块完成，异常目标检测模根据光伏组件上常见的热斑、零电流等异常在可见光和红外图像上不同表现形式来判断是否存在异常，并判断异常目标的故障类型。由于可见光和红外相机的内参、畸变参数以及安装位置不同，因此需要先由可见光和红外配准模块对可见光和红外图像进行双光配准，才能保证异常目标检测的准确性和完备性；具体地，通过棋盘格标定法分别对双光的可见光镜头和红外镜头进行标定，得到二者的相机内参和畸变参数，再对畸变校正后的图像进行关键点映射，建立两个相机间的外参，并以此外参作为相机的固有属性。在使用时，根据相机内参、畸变参数和外参即可实现双光相机的配准，确保可见光和红外图像在像素坐标系上的准确对应。图3所示左右两图分别为配准前后的效果对比，可以看到经过畸变校正，右图的红外和可见光的整体和细节像素点都能够更好的对应。

接着，故障精准定位模块根据双光相机采集的低空红外图像优化得到的三维地理坐标和二维像素坐标的对应关系反推出所有异常目标的精准地理坐标。具体地，故障精准定位模块包括了三个子模块：分别为稀疏点云生成子模块、坐标映射定位子模块和逻辑位置对应子模块。

其中，稀疏点云生成子模块使用了现有的开源软件VisualSfM，通过输入双光相机采集的红外图像和对应的GPS信息，输出采用了运动恢复结构技术、经过非线性优化得到的场景稀疏点云，图4所示为使用红外图像构建的光伏场景稀疏点云，可以很好的减小累积误差，并由GPS约束得到更加准确的相机位姿和场景三维点，从而得到二维原始图像特征点与三维地理路标点之间的映射关系；随后，坐标映射定位子模块中加载的西安因诺航空科技有限公司的成熟产品智能管线巡检管理软件中的精准定位功能，根据稀疏点云生成子模块构建的稀疏点云得到已经建立好的映射关系，进一步可得到图像二维原始图像特征点所对应的实际地理坐标，最终插值得到检测到的异常目标所在像素位置对应的精准地理坐标；最后，逻辑位置对应子模块根据之前构建的光伏电子地图由粗到细的确定场景的逻辑编号以及逻辑编号区域与GPS的对应关系，可以使用软件GlobalMapper进行标注操作。通过人工标注的方式预先对光伏电子地图按照组件位置进行大区域划分，再对每个区域按照排和列进行细分，完成作业区域的逻辑编号，最终得到每个区域和GPS的对应关系，即逻辑映射关系，确保精准定位的地理坐标能够落入已经建立好的逻辑映射关系中，图5为在电子地图基础上进行逻辑编号的示意图。另外，如果光伏电站在修建时有逻辑位置编号，则该部分工作可以不需要做，直接使用其已有的逻辑编号即可。

最终，根据地面数据处理端计算得到作业区域中所有图像对应的异常目标的定位信息后，输出包含故障类型、组件截图、GPS位置以及组件逻辑编号(第X区第X排第X列)的报告，供巡检人员进行排查和处理，如图6所示，从而完成整个作业流程。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，其特征在于，包括空中作业端和地面数据处理端；所述空中作业端包括微单数码相机云台和双光相机云台，所述地面数据处理端包括光伏电子地图构建模块、异常目标检测模块和故障精准定位模块；

所述微单数码相机云台的输出端与光伏电子地图构建模块的输入端连接，所述双光相机云台的输出端和光伏电子地图构建模块以及异常目标检测模块的输入端连接，所述异常目标检测模块的输出端与故障精准定位模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，其特征在于，所述微单数码相机云台通过图传和数传设备连接至光伏电子地图构建模块，所述双光相机云台通过图传和数传设备连接至异常目标检测模块。

3.根据权利要求2所述的一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，其特征在于，所述图传和数传设备的型号为TQ6000全高清无线数字图像传输系统。

4.根据权利要求1所述的一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，其特征在于，所述双光相机云台通过可见光和红外配准模块连接至故障精准定位模块。

5.根据权利要求1所述的一种适用于无人机光伏巡检场景的异常目标精准定位装置，其特征在于，所述微单数码相机云台和双光相机云台安装在多旋翼无人机上。

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