用無人駕駛飛行器檢查太陽能電池板的製作方法

2023-05-21 00:53:56 3

本發明涉及檢查太陽能發電站的太陽能電池板。特別地，本發明涉及使用無人駕駛飛行器(uav)來檢查特定太陽能電池板的方法、uav控制器、uav、以及電腦程式和電腦程式產品。

背景技術：

存在不斷增長的對環保能源的需求。太陽能技術領域得到長足的發展。太陽能發電站中的太陽能無需任何燃料運行便可發電，且僅排放非常少量的二氧化碳足跡。此外，當太陽能發電站裝設在雲層覆蓋率低的地方時，太陽能輸出是可靠的且可預測的。

然而，光伏太陽能發電站的太陽能電池板，有時會由於例如天氣或部件故障原因而導致失效。

在提交本申請時，一篇題為「uav檢測光伏農場」的文章，由tomlombardo於2014年5月4日刊載在engineering.com的電子學專題欄目下，可通過http://www.engineering.com/electronicsdesign/electronicsdesignarticles/articleid/7544/uavs-to-inspect-solar-farms.asp獲得，該文披露了可以用於遠程監控與檢查建築工地、採礦作業以及農場的uav。此種uav目前用於太陽能電池板陣列的檢查業務，使用紅外熱成像相機後，將在光伏農場中測試。然而，獲取具有足夠質量的數據需要控制uav的操作員的技術與經驗。

技術實現要素：

本發明的目的是提供允許自動採集用於檢查太陽能電池板的圖像的方法。

本發明的第一個方面，提出了用於檢查太陽能發電站的太陽能電池板的方法。該方法可在無人駕駛飛行器(即uav)的控制器中執行，並包括以下步驟：接收對太陽能電池板子集的檢查請求；在第一階段，使用無線電信號，將uav導航到太陽能電池板子集中的特定太陽能電池板附近的初始位置；在第二階段，使用uav的至少一個近場傳感器來定位uav；以及使用紅外相機採集特定太陽能電池板的圖像。當使用uav的兩階段導航來檢查特定的太陽能電池板時，uav無需手動控制，這相對於現有技術具有顯著優點。通過使用自動控制，uav可被自動控制到檢測到的故障現場，從而減少與操作人員所需的識別故障、初始化uav以及將uav飛行到故障現場有關的延遲。此外，可以安排定期巡檢，而不需要操作員經常地監控。

定位步驟可以包括以以下方式定位uav，使得uav的紅外相機在誤差範圍內儘可能靠近垂直於特定太陽能電池板的主表面方向，同時又防止uav遮蔽特定的太陽能電池板。

在接收步驟中，太陽能電池板子集可以包括多個太陽能電池板；在這種情況下，對於太陽能電池板子集中的每個太陽能電池板，重複執行導航、定位和採集圖像的步驟。

在導航步驟中，無線電信號可以是基於衛星的無線電信號。

在導航步驟中，無線電信號可以是來自無線電信標的基於地面的無線電信號。

在定位步驟中，至少一個近場傳感器可包括照相機、雷達裝置和超聲波掃描儀中的至少一個。

該方法還可以包括步驟：基於檢查請求確定初始位置，其中檢查請求包括太陽能電池板子集的標識符。

該方法還可以包括步驟：將圖像發送到控制中心。

該方法還可以包括步驟：通過分析特定太陽能電池板的圖像來識別故障。

根據本發明的第二個方面，提出了一種無人駕駛飛行器(即uav)的控制器，該控制器被安排用於檢查太陽能發電站的太陽能電池板。控制器包括：處理器、存儲器以及存儲於存儲器上的指令，指令在被處理器執行時使得控制器：接收對於太陽能電池板子集的檢查請求；在第一階段，用無線電信號將uav導航到太陽能電池板子集中的特定太陽能電池板附近的初始位置；在第二階段，使用uav上至少一個近場傳感器來定位uav；以及使用紅外相機採集特定太陽能電池板的圖像。

用於定位的指令可以包括以下指令：當被處理器執行時，使得控制器定位uav，使uav的紅外相機在誤差範圍內儘可能靠近垂直於特定太陽能板的主表面方向，同時又防止uav遮擋太陽能電池板。

太陽能電池板子集可以包括多個太陽能電池板；在這種情況下，該指令還包括以下指令：當被處理器執行時，使得控制器：對於太陽能電池板子集中的每個太陽能電池板，重複執行導航、定位和採集圖像的指令。

無線電信號可以是基於衛星的無線電信號。

無線電信號可以是來自無線電信標的基於地面的無線電信號。

至少一個近場傳感器可包括照相機、雷達裝置和超聲波掃描儀中的至少一個。

控制器還可以包括以下指令，當指令被處理器執行時，使得控制器：基於指示確定初始位置，其中指示包括太陽能電池板子集的標識符。

控制器還可以包括以下指令，當指令被處理器執行時，使得控制器將圖像發送到控制中心。

控制器還可以包括以下指令，當指令被處理器執行時，使得控制器通過分析特定太陽能電池板的圖像來識別故障。

根據本發明的第三個方面，提出了包括根據權利要求10至18中任一項所述的控制器的無人駕駛飛行器。

根據本發明的第四個方面，提出了用於檢查太陽能發電站的太陽能電池板的電腦程式。該電腦程式包括以下電腦程式代碼，當在在用於無人駕駛飛行器(uav)的控制器上運行時，使得控制器：接收對太陽能電池板子集的檢查請求；在第一階段，使用無線電信號將uav導航到太陽能電池板子集中的特定太陽能電池板附近的初始位置；在第二階段，使用uav上至少一個近場傳感器來定位uav；以及使用紅外相機採集特定太陽能電池板的圖像。

根據本發明的第五個方面，提出了一種電腦程式產品，包括根據第四個方面的電腦程式，以及其上存儲有電腦程式的計算機可讀裝置。

一般地，權利要求書中使用的所有術語均應根據其在技術領域中的普通含義進行解釋，除非本公開另有明確定義。所有對「元件、裝置、組件、部件、步驟等」的引用除非另有明確說明，否則將被開放式地解釋為指代元件、裝置、組件、部件、步驟等的至少一個實例。除非明確說明，本公開公開的任何方法的步驟不必以所公開的確切順序執行。

附圖說明

現通過示例並參照附圖的方式描述本發明，其中：

圖1示出了可在其中應用本公開所提供的實施例的環境的示意圖；

圖2是圖1的太陽能發電站的示意圖，示出了包含故障太陽能電池板的太陽能電池板子集；

圖3是圖2的太陽能電池板子集和uav可以被導航前往的初始位置的示意圖；

圖4是圖2的太陽能電池板子集和無法確認故障太陽能電池板的身份時，uav被導航前往的初始位置的示意圖；

圖5a-b是示出了uav的定位，使其垂直於太陽能電池板的示意圖；

圖6是示出了uav控制器中執行的用以檢查太陽能電池板的方法的實施例的流程圖；

圖7是示出了根據一個實施例的圖1中的uav的一些部件的示意圖；

圖8a-b是示出了圖1中的uav使用無線電信號進行導航的實施例的示意圖；以及

圖9示出了包含計算機可讀裝置的電腦程式產品的示例。

具體實施方式

現在在下文中將參照附圖更全面地描述本發明，附圖中示出了本發明的某些實施例。然而，本發明可通過許多不同形式來實施，而不應被理解為局限於本公開所闡述的實施例；相反，這些實施例作為示例提供，以使得本發明的公開將是徹底和全面的，並且將向本領域技術人員充分地傳達本發明的範圍。整篇說明書中，相同的數字指代相同的元件。

圖1示出了可在其中應用本公開所提供的實施例的環境的示意圖。太陽能發電站2包括n個太陽能電池板3a-n。太陽能電池板3a-n，例如光伏(pv)太陽能電池板，可以將太陽能轉化為電能。太陽能電池板3a-n布置在分段7a-f之中。太陽能電池板3a-n的數量和分段7a-f的數量是可以改變的。例如，太陽能發電站甚至可以被布置成僅具有包括所有太陽能電池板的單個分段。電能從太陽能電池板匯聚到連接站6，連接站6可以例如與dc(直流)鏈路或ac(交流)電網連接。連接站可以例如包括一個或多個dc/ac轉換器，一個或多個變壓器、斷路器等。

太陽能電池板3a-n之中的一個或多個有時可能會部分或完全失效。為了檢查太陽能電池板3a-n，使用無人駕駛飛行器(uav)1。uavl亦有其他術語稱謂，例如無人機(drone)。根據本公開提供的實施例，uavl執行兩階段導航以檢查特定太陽能電池板，其中uav1不需要被手動控制。

控制中心8允許操作者監視太陽能發電站2的操作。控制中心8還可用於檢測太陽能發電站2中的問題。例如，控制中心可以向uav1發送指令並從uav1接收反饋。

圖2是圖1的太陽能發電站的示意圖，示出了包含故障太陽能電池板的太陽能電池板子集。在這裡，特定的太陽能電池板3'已經被指示為有故障(或可能有故障)並且需要檢查。該特定的太陽能電池板3'是太陽能電池板子集5的一部分。具有與太陽能電池板的子集5相關聯的初始位置22。當檢查要發生時，uav1首先導航到與太陽能電池板子集5相關聯的初始位置22，之後uav1可以定位自身到適宜位置，以便例如使用紅外(ir)相機來檢查特定的太陽能電池板3'。

圖3是圖2的太陽能電池板子集和uav可以被導航前往的初始位置的示意圖。在該示例中，太陽能電池板子集5僅包含待檢查的特定太陽能電池板3'。同時還指示了坐標系的x軸和y軸。

圖4是圖2的太陽能電池板3a'-3f'的子集和無法確認故障太陽能電池板的身份時，uav被導航到的初始位置22a-f的示意圖。這裡，太陽能電池板子集5中包括六個太陽能電池板3a'-3f'。在這個示例中，需要檢查所有這六個太陽能電池板3a'-3f'。例如，可能已經接收到故障指示，指示(圖1的分段7a-f中的)分段存在故障，但沒有指示具體哪一塊太陽能電池板是故障的原因。這些太陽能電池板3a'-3f'中的每個分別對應於初始位置22a-f。在檢查時，uav首先導航到第一初始位置22a，並使用近場傳感器定位自身，並採集第一太陽能電池板3a'的ir圖像。接著，uav繼續到下一個初始位置22b以執行相同的操作，直至所有初始位置22c-f。以這種方式，用uav檢查子集中所有的太陽能電池板3a'-3f'，從而識別某塊或某些有故障的太陽能電池板。

圖5a-b是示出了uav的定位，使其垂直於太陽能電池板的示意圖。

顯示了與圖3相同的坐標系的y軸和z軸。太陽能電池板3'可調整角度使朝向太陽的表面積最大化。該角度可以包括x分量，即便這裡並未示出。可選的，太陽能電池板3'的角度可以隨著時間變化，以跟隨太陽在天空中的運動。

在圖5a中，包含ir相機11的uav1被根據特定的太陽能電池板3'定位。然而，uav1被定位，使得ir相機的視角15對於檢查太陽能電池板不是最佳的。在該位置採集的紅外圖像對於發現太陽能電池板中的故障並不是最佳的。儘管，uav的陰影16落在特定太陽能電池板3'之外。

在圖5b中，uav1定位自身，使得ir相機11在誤差範圍內儘可能接近垂直於特定太陽能電池板3'的主表面方向17。同時，uav1的位置同樣使得uav1不能遮蔽特定的太陽能電池板3'。換言之，uav的陰影16落在特定太陽能電池板3'之外，使得陰影不會使為檢測故障而採集的ir圖像失真。太陽能電池板的主表面是指旨在面向太陽的面。通過以這種方式定位自身，uav1提高了ir圖像的質量，由此增加了在ir圖像中識別太陽能電池板故障的機率。

以下將更加詳盡地描述使用近場傳感器所進行的定位。

圖6示出了uav控制器中執行的用以檢查太陽能發電站的太陽能電池板(如圖1所示的)的方法的實施例流程圖。方法在uav控制器中執行。

在接收檢查請求的步驟40中，接收對太陽能電池板子集的檢查請求。例如當接收到故障指示時，會從控制中心收到檢查請求。備選地，所有太陽能電池板都不時地進行檢查。

在確定初始位置的可選步驟41中，基於指示確定初始位置。該指示此時包括太陽能電池板子集的標識符。例如，每個太陽能電池板子集(或每個太陽能電池板)可以與坐標集合相關聯，該坐標集合定義相關聯的初始位置。這種關聯可存儲於數據存儲器中(參見例如圖7的數據存儲器66)。

在導航至初始位置的步驟42中，在第一階段，使用無線電信號將uav導航至太陽能電池板子集的特定太陽能電池板附近的初始位置。無線電信號可以是來自衛星的基於衛星的無線電信號，或來自無線電信標的基於地面的無線電信號，以下將更詳細地闡釋。該步驟的導航使uav初步地、粗略地定位，以允許對特定太陽能電池板成像。

在定位uav的步驟44中，在第二階段，用uav的至少一個近場傳感器來定位uav。定位過程可包括定位uav，並使uav的紅外相機在誤差範圍內儘可能接近垂直於特定太陽能電池板的主表面方向，同時防止uav遮蔽該特定的太陽能板。備選地或附加地，定位被執行，使得其他物體或建築物不會引起ir圖像失真。這種失真是由於光伏太陽能電池板的鏡面性質所致，即在太陽能電池板中可以看到(鏡像)周圍的物體。相較於前一步驟的定位，該步驟uav中的定位是更精細的定位。誤差範圍可以是距理想位置的任何合適偏離。例如，誤差幅度可以是5度，以給出對太陽能電池板的相對精確的成像。或者，誤差幅度可以是15度，以允許更容易地定位uav。在一個實施例中，誤差幅度取決於期望的圖像質量，其在某些情況下取決於ir相機的位置接近於垂直的程度。至少一個近場傳感器包括照相機、雷達裝置和超聲波掃描儀中的至少一個。當相機用作近場傳感器時，可以在反饋迴路中執行定位，以將採集的太陽能電池板圖像控制為矩形，即太陽能電池板圖像的各角具有90度的角度。

在一個實施例中，第一階段(步驟42)僅包括使用無線電信號的粗略導航，而第二階段(步驟44)包括僅使用近場傳感器的精細定位。

在一個實施例中，該步驟包括使用至少一個近場傳感器來定位，使得uav的紅外相機在誤差允許範圍內位於與特定太陽能電池板的主表面中心點垂直的方向。

可選地，組合使用多個近場傳感器以提高定位的精度，因為這種傳感器融合可以校正單個傳感器的缺陷以計算準確的位置。

在採集圖像的步驟46中，使用紅外相機採集特定太陽能電池板的圖像。ir成像可以識別太陽能電池板中的許多故障，因為故障通常會導致太陽能電池板中的溫度變化。

在識別故障的可選步驟47中，通過分析特定太陽能電池板的圖像來識別故障。分析可包括圖像分析，用以檢測特定太陽能電池板中的異常溫度變化。例如，溫度差異可以被表徵並與閾值進行比較。在發生故障時，處理會繼續對故障分類。故障區域是孤立的並且通過諸如溫度描述、尺寸、形狀和故障單元(cell)數量等因素來表徵。在這些特徵的基礎上，可以確定所檢測到的故障屬於哪種故障類型組。該確定過程可以將特徵空間劃分為在訓練階段期間定義的互斥區域。區域的數量等於故障類型的數量。例如貝葉斯定理的分派規則決定具有特定測量特徵的孤立故障區域隸屬於哪個故障組。

在傳輸的可選步驟48中，圖像被發送到控制中心。當執行識別故障的步驟47時，該步驟可以包括還傳輸所識別的故障的指示。到控制中心的傳輸可以在飛行期間或當uav降落時無線地發生，或當uav降落時(例如在停機塢(dockingstation)中)，使用基於有線的通信。

如以上參考圖4所描述的，太陽能電池板子集可以是單個太陽能電池板，或包括多個太陽能電池板。作為可選情形，在多太陽能電池板檢查的步驟49中，確定太陽能電池板子集中是否有更多的太陽能電池板需要檢查。若為是，則該方法返回到確定初始位置的步驟41，如果該步驟沒有被執行，則返回到導航至初始位置的步驟42。當返回時，對於成為特定太陽能電池板的新的太陽能電池板執行重複的步驟。如果沒有更多的太陽能電池板需要檢查，方法結束。

通過首先導航到初始位置，然後垂直於特定太陽能電池板進行更準確的定位以允許採集清晰的圖像，自動採集太陽能電池板圖像的過程可以自動進行，同時保持高水平的圖像質量以用於故障檢測。這樣就無需對檢查太陽能電池板的uav進行不精確並且勞動密集的手動控制。

圖7是示出了根據一個實施例的圖1中的uav的一些部件的示意圖。uav包括一個或多個馬達25，每個馬達連接到一個或多個螺旋槳26，使得uav得以飛行。

ir相機11用於採集太陽能電池板的紅外圖像，以允許故障識別。可選的，ir相機11還被用作輸入設備，以允許uav(尤其是ir相機11本身)被定位於基本上垂直於太陽能電池板的主表面，以進行檢查。備選地或附加地，雷達12和超聲波傳感器13可用於將uav(以及ir相機11)定位於基本上垂直於太陽能電池板的主表面，以進行檢查。

位置傳感器17使用無線電信號來檢測uav的位置。如下所述，位置傳感器可以使用源於衛星的無線電信號和/或來自無線電信標的基於地面的無線電信號。

uav1由控制器10所控制。控制器10在此被示為uav1的組成部分，但原則上可位於uav1外部。控制器10的處理器60由以下一個或多個的組合來提供：合適的中央處理單元(cpu)、多處理器、微控制器、數位訊號處理器(dsp)、專用集成電路等，能夠執行存儲在控制器10的存儲器65中的軟體指令67，存儲器65可以是電腦程式產品。處理器60可被配置為執行參照上述圖6所描述的方法。

存儲器65可以是讀寫存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)的任何組合。存儲器65還包括持久存儲器，例如，可以是磁存儲器、光存儲器、固態存儲器甚至遠程加載的存儲器之中的任意一個或組合。

數據存儲器66可在處理器60執行軟體指令時被提供以讀取和/或存儲數據。例如，數據存儲器66可以存儲初始位置的坐標和/或圖像數據。數據存儲器66可以是讀寫存儲器(ram)和只讀存儲器(rom)的任意組合。

控制器10還包括用於與其他外部實體通信的i/o接口62。可選地，i/o接口62還包括用戶接口。i/o接口62可以包括一個或多個包括模擬和數字組件的收發器，以及用於到控制中心8的通信信道的無線通信的合適數量的天線。備選地或附加地，i/o接口62包括用於與控制中心8進行基於有線通信的埠，例如，使用通用串行總線(usb)、火線、乙太網等。

這裡省略了uav1的其他組件，為了避免模糊本公開所呈現的概念。

圖8a-b是示出了圖1中的uav使用無線電信號進行導航的實施例的示意圖。在圖8a中，示出了四顆衛星4a-d，為諸如全球定位系統(gps)等的全球導航衛星系統(gnss)傳輸基於衛星的無線電信號20a。這可以使uav1例如導航到如上所述的一個或多個初始位置，而不必再為導航安裝任何新的設備。此處雖然示出了四顆衛星，但可以使用更多或更少的衛星。

在圖8b中，示出了三個基於地面的無線電信標9a-c，其傳送用於基於地面的定位的基於地面的無線電信號20b。雖然該實施例依賴於地面無線電信標9a-c的安裝(或者甚至在太陽能發電站)，但是與基於衛星的定位相比，該系統可以提供對uav1的更精確的定位。這可以使uav1導航到例如如上所述的一個或多個初始位置。雖然此處示出了三個地面無線電信標，但可以使用更多的信標。在該實施例中的定位可以例如使用超寬帶(uwb)脈衝的到達時間差測量。

圖9示出了包含計算機可讀裝置的電腦程式產品的示例。電腦程式91可以存儲在該計算機可讀裝置上，能夠使得處理器執行根據本公開所描述的實施例的方法。在該示例中，電腦程式產品是諸如cd(緊緻盤)或dvd(數字通用盤)或藍光光碟等的光碟。如上所述，電腦程式產品也可以被實現為位於設備的存儲器中，例如圖7中的電腦程式產品65。雖然電腦程式91在這裡被示意性地示為所描繪的光碟的軌道，該電腦程式可以以對於電腦程式產品適宜的任何方式來存儲，諸如可移動固態存儲器(例如通用串行總線(usb)驅動器)。

以上主要參照幾個實施例描述了本發明。但是，如本領域的技術人員易於理解的，除了以上所披露的實施例之外的其他實施例，在如所附權利要求所限定的本發明的範圍之內同樣是可能的。