用无人驾驶飞行器检查太阳能电池板的制作方法

本发明涉及检查太阳能发电站的太阳能电池板。特别地，本发明涉及使用无人驾驶飞行器(uav)来检查特定太阳能电池板的方法、uav控制器、uav、以及计算机程序和计算机程序产品。

背景技术：

存在不断增长的对环保能源的需求。太阳能技术领域得到长足的发展。太阳能发电站中的太阳能无需任何燃料运行便可发电，且仅排放非常少量的二氧化碳足迹。此外，当太阳能发电站装设在云层覆盖率低的地方时，太阳能输出是可靠的且可预测的。

然而，光伏太阳能发电站的太阳能电池板，有时会由于例如天气或部件故障原因而导致失效。

在提交本申请时，一篇题为“uav检测光伏农场”的文章，由tomlombardo于2014年5月4日刊载在engineering.com的电子学专题栏目下，可通过http://www.engineering.com/electronicsdesign/electronicsdesignarticles/articleid/7544/uavs-to-inspect-solar-farms.asp获得，该文披露了可以用于远程监控与检查建筑工地、采矿作业以及农场的uav。此种uav目前用于太阳能电池板阵列的检查业务，使用红外热成像相机后，将在光伏农场中测试。然而，获取具有足够质量的数据需要控制uav的操作员的技术与经验。

技术实现要素：

本发明的目的是提供允许自动采集用于检查太阳能电池板的图像的方法。

本发明的第一个方面，提出了用于检查太阳能发电站的太阳能电池板的方法。该方法可在无人驾驶飞行器(即uav)的控制器中执行，并包括以下步骤：接收对太阳能电池板子集的检查请求；在第一阶段，使用无线电信号，将uav导航到太阳能电池板子集中的特定太阳能电池板附近的初始位置；在第二阶段，使用uav的至少一个近场传感器来定位uav；以及使用红外相机采集特定太阳能电池板的图像。当使用uav的两阶段导航来检查特定的太阳能电池板时，uav无需手动控制，这相对于现有技术具有显著优点。通过使用自动控制，uav可被自动控制到检测到的故障现场，从而减少与操作人员所需的识别故障、初始化uav以及将uav飞行到故障现场有关的延迟。此外，可以安排定期巡检，而不需要操作员经常地监控。

定位步骤可以包括以以下方式定位uav，使得uav的红外相机在误差范围内尽可能靠近垂直于特定太阳能电池板的主表面方向，同时又防止uav遮蔽特定的太阳能电池板。

在接收步骤中，太阳能电池板子集可以包括多个太阳能电池板；在这种情况下，对于太阳能电池板子集中的每个太阳能电池板，重复执行导航、定位和采集图像的步骤。

在导航步骤中，无线电信号可以是基于卫星的无线电信号。

在导航步骤中，无线电信号可以是来自无线电信标的基于地面的无线电信号。

在定位步骤中，至少一个近场传感器可包括照相机、雷达装置和超声波扫描仪中的至少一个。

该方法还可以包括步骤：基于检查请求确定初始位置，其中检查请求包括太阳能电池板子集的标识符。

该方法还可以包括步骤：将图像发送到控制中心。

该方法还可以包括步骤：通过分析特定太阳能电池板的图像来识别故障。

根据本发明的第二个方面，提出了一种无人驾驶飞行器(即uav)的控制器，该控制器被安排用于检查太阳能发电站的太阳能电池板。控制器包括：处理器、存储器以及存储于存储器上的指令，指令在被处理器执行时使得控制器：接收对于太阳能电池板子集的检查请求；在第一阶段，用无线电信号将uav导航到太阳能电池板子集中的特定太阳能电池板附近的初始位置；在第二阶段，使用uav上至少一个近场传感器来定位uav；以及使用红外相机采集特定太阳能电池板的图像。

用于定位的指令可以包括以下指令：当被处理器执行时，使得控制器定位uav，使uav的红外相机在误差范围内尽可能靠近垂直于特定太阳能板的主表面方向，同时又防止uav遮挡太阳能电池板。

太阳能电池板子集可以包括多个太阳能电池板；在这种情况下，该指令还包括以下指令：当被处理器执行时，使得控制器：对于太阳能电池板子集中的每个太阳能电池板，重复执行导航、定位和采集图像的指令。

无线电信号可以是基于卫星的无线电信号。

无线电信号可以是来自无线电信标的基于地面的无线电信号。

至少一个近场传感器可包括照相机、雷达装置和超声波扫描仪中的至少一个。

控制器还可以包括以下指令，当指令被处理器执行时，使得控制器：基于指示确定初始位置，其中指示包括太阳能电池板子集的标识符。

控制器还可以包括以下指令，当指令被处理器执行时，使得控制器将图像发送到控制中心。

控制器还可以包括以下指令，当指令被处理器执行时，使得控制器通过分析特定太阳能电池板的图像来识别故障。

根据本发明的第三个方面，提出了包括根据权利要求10至18中任一项所述的控制器的无人驾驶飞行器。

根据本发明的第四个方面，提出了用于检查太阳能发电站的太阳能电池板的计算机程序。该计算机程序包括以下计算机程序代码，当在在用于无人驾驶飞行器(uav)的控制器上运行时，使得控制器：接收对太阳能电池板子集的检查请求；在第一阶段，使用无线电信号将uav导航到太阳能电池板子集中的特定太阳能电池板附近的初始位置；在第二阶段，使用uav上至少一个近场传感器来定位uav；以及使用红外相机采集特定太阳能电池板的图像。

根据本发明的第五个方面，提出了一种计算机程序产品，包括根据第四个方面的计算机程序，以及其上存储有计算机程序的计算机可读装置。

一般地，权利要求书中使用的所有术语均应根据其在技术领域中的普通含义进行解释，除非本公开另有明确定义。所有对“元件、装置、组件、部件、步骤等”的引用除非另有明确说明，否则将被开放式地解释为指代元件、装置、组件、部件、步骤等的至少一个实例。除非明确说明，本公开公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序执行。

附图说明

现通过示例并参照附图的方式描述本发明，其中：

图1示出了可在其中应用本公开所提供的实施例的环境的示意图；

图2是图1的太阳能发电站的示意图，示出了包含故障太阳能电池板的太阳能电池板子集；

图3是图2的太阳能电池板子集和uav可以被导航前往的初始位置的示意图；

图4是图2的太阳能电池板子集和无法确认故障太阳能电池板的身份时，uav被导航前往的初始位置的示意图；

图5a-b是示出了uav的定位，使其垂直于太阳能电池板的示意图；

图6是示出了uav控制器中执行的用以检查太阳能电池板的方法的实施例的流程图；

图7是示出了根据一个实施例的图1中的uav的一些部件的示意图；

图8a-b是示出了图1中的uav使用无线电信号进行导航的实施例的示意图；以及

图9示出了包含计算机可读装置的计算机程序产品的示例。

具体实施方式

现在在下文中将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可通过许多不同形式来实施，而不应被理解为局限于本公开所阐述的实施例；相反，这些实施例作为示例提供，以使得本发明的公开将是彻底和全面的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。整篇说明书中，相同的数字指代相同的元件。

图1示出了可在其中应用本公开所提供的实施例的环境的示意图。太阳能发电站2包括n个太阳能电池板3a-n。太阳能电池板3a-n，例如光伏(pv)太阳能电池板，可以将太阳能转化为电能。太阳能电池板3a-n布置在分段7a-f之中。太阳能电池板3a-n的数量和分段7a-f的数量是可以改变的。例如，太阳能发电站甚至可以被布置成仅具有包括所有太阳能电池板的单个分段。电能从太阳能电池板汇聚到连接站6，连接站6可以例如与dc(直流)链路或ac(交流)电网连接。连接站可以例如包括一个或多个dc/ac转换器，一个或多个变压器、断路器等。

太阳能电池板3a-n之中的一个或多个有时可能会部分或完全失效。为了检查太阳能电池板3a-n，使用无人驾驶飞行器(uav)1。uavl亦有其他术语称谓，例如无人机(drone)。根据本公开提供的实施例，uavl执行两阶段导航以检查特定太阳能电池板，其中uav1不需要被手动控制。

控制中心8允许操作者监视太阳能发电站2的操作。控制中心8还可用于检测太阳能发电站2中的问题。例如，控制中心可以向uav1发送指令并从uav1接收反馈。

图2是图1的太阳能发电站的示意图，示出了包含故障太阳能电池板的太阳能电池板子集。在这里，特定的太阳能电池板3'已经被指示为有故障(或可能有故障)并且需要检查。该特定的太阳能电池板3'是太阳能电池板子集5的一部分。具有与太阳能电池板的子集5相关联的初始位置22。当检查要发生时，uav1首先导航到与太阳能电池板子集5相关联的初始位置22，之后uav1可以定位自身到适宜位置，以便例如使用红外(ir)相机来检查特定的太阳能电池板3'。

图3是图2的太阳能电池板子集和uav可以被导航前往的初始位置的示意图。在该示例中，太阳能电池板子集5仅包含待检查的特定太阳能电池板3'。同时还指示了坐标系的x轴和y轴。

图4是图2的太阳能电池板3a'-3f'的子集和无法确认故障太阳能电池板的身份时，uav被导航到的初始位置22a-f的示意图。这里，太阳能电池板子集5中包括六个太阳能电池板3a'-3f'。在这个示例中，需要检查所有这六个太阳能电池板3a'-3f'。例如，可能已经接收到故障指示，指示(图1的分段7a-f中的)分段存在故障，但没有指示具体哪一块太阳能电池板是故障的原因。这些太阳能电池板3a'-3f'中的每个分别对应于初始位置22a-f。在检查时，uav首先导航到第一初始位置22a，并使用近场传感器定位自身，并采集第一太阳能电池板3a'的ir图像。接着，uav继续到下一个初始位置22b以执行相同的操作，直至所有初始位置22c-f。以这种方式，用uav检查子集中所有的太阳能电池板3a'-3f'，从而识别某块或某些有故障的太阳能电池板。

图5a-b是示出了uav的定位，使其垂直于太阳能电池板的示意图。

显示了与图3相同的坐标系的y轴和z轴。太阳能电池板3'可调整角度使朝向太阳的表面积最大化。该角度可以包括x分量，即便这里并未示出。可选的，太阳能电池板3'的角度可以随着时间变化，以跟随太阳在天空中的运动。

在图5a中，包含ir相机11的uav1被根据特定的太阳能电池板3'定位。然而，uav1被定位，使得ir相机的视角15对于检查太阳能电池板不是最佳的。在该位置采集的红外图像对于发现太阳能电池板中的故障并不是最佳的。尽管，uav的阴影16落在特定太阳能电池板3'之外。

在图5b中，uav1定位自身，使得ir相机11在误差范围内尽可能接近垂直于特定太阳能电池板3'的主表面方向17。同时，uav1的位置同样使得uav1不能遮蔽特定的太阳能电池板3'。换言之，uav的阴影16落在特定太阳能电池板3'之外，使得阴影不会使为检测故障而采集的ir图像失真。太阳能电池板的主表面是指旨在面向太阳的面。通过以这种方式定位自身，uav1提高了ir图像的质量，由此增加了在ir图像中识别太阳能电池板故障的几率。

以下将更加详尽地描述使用近场传感器所进行的定位。

图6示出了uav控制器中执行的用以检查太阳能发电站的太阳能电池板(如图1所示的)的方法的实施例流程图。方法在uav控制器中执行。

在接收检查请求的步骤40中，接收对太阳能电池板子集的检查请求。例如当接收到故障指示时，会从控制中心收到检查请求。备选地，所有太阳能电池板都不时地进行检查。

在确定初始位置的可选步骤41中，基于指示确定初始位置。该指示此时包括太阳能电池板子集的标识符。例如，每个太阳能电池板子集(或每个太阳能电池板)可以与坐标集合相关联，该坐标集合定义相关联的初始位置。这种关联可存储于数据存储器中(参见例如图7的数据存储器66)。

在导航至初始位置的步骤42中，在第一阶段，使用无线电信号将uav导航至太阳能电池板子集的特定太阳能电池板附近的初始位置。无线电信号可以是来自卫星的基于卫星的无线电信号，或来自无线电信标的基于地面的无线电信号，以下将更详细地阐释。该步骤的导航使uav初步地、粗略地定位，以允许对特定太阳能电池板成像。

在定位uav的步骤44中，在第二阶段，用uav的至少一个近场传感器来定位uav。定位过程可包括定位uav，并使uav的红外相机在误差范围内尽可能接近垂直于特定太阳能电池板的主表面方向，同时防止uav遮蔽该特定的太阳能板。备选地或附加地，定位被执行，使得其他物体或建筑物不会引起ir图像失真。这种失真是由于光伏太阳能电池板的镜面性质所致，即在太阳能电池板中可以看到(镜像)周围的物体。相较于前一步骤的定位，该步骤uav中的定位是更精细的定位。误差范围可以是距理想位置的任何合适偏离。例如，误差幅度可以是5度，以给出对太阳能电池板的相对精确的成像。或者，误差幅度可以是15度，以允许更容易地定位uav。在一个实施例中，误差幅度取决于期望的图像质量，其在某些情况下取决于ir相机的位置接近于垂直的程度。至少一个近场传感器包括照相机、雷达装置和超声波扫描仪中的至少一个。当相机用作近场传感器时，可以在反馈回路中执行定位，以将采集的太阳能电池板图像控制为矩形，即太阳能电池板图像的各角具有90度的角度。

在一个实施例中，第一阶段(步骤42)仅包括使用无线电信号的粗略导航，而第二阶段(步骤44)包括仅使用近场传感器的精细定位。

在一个实施例中，该步骤包括使用至少一个近场传感器来定位，使得uav的红外相机在误差允许范围内位于与特定太阳能电池板的主表面中心点垂直的方向。

可选地，组合使用多个近场传感器以提高定位的精度，因为这种传感器融合可以校正单个传感器的缺陷以计算准确的位置。

在采集图像的步骤46中，使用红外相机采集特定太阳能电池板的图像。ir成像可以识别太阳能电池板中的许多故障，因为故障通常会导致太阳能电池板中的温度变化。

在识别故障的可选步骤47中，通过分析特定太阳能电池板的图像来识别故障。分析可包括图像分析，用以检测特定太阳能电池板中的异常温度变化。例如，温度差异可以被表征并与阈值进行比较。在发生故障时，处理会继续对故障分类。故障区域是孤立的并且通过诸如温度描述、尺寸、形状和故障单元(cell)数量等因素来表征。在这些特征的基础上，可以确定所检测到的故障属于哪种故障类型组。该确定过程可以将特征空间划分为在训练阶段期间定义的互斥区域。区域的数量等于故障类型的数量。例如贝叶斯定理的分派规则决定具有特定测量特征的孤立故障区域隶属于哪个故障组。

在传输的可选步骤48中，图像被发送到控制中心。当执行识别故障的步骤47时，该步骤可以包括还传输所识别的故障的指示。到控制中心的传输可以在飞行期间或当uav降落时无线地发生，或当uav降落时(例如在停机坞(dockingstation)中)，使用基于有线的通信。

如以上参考图4所描述的，太阳能电池板子集可以是单个太阳能电池板，或包括多个太阳能电池板。作为可选情形，在多太阳能电池板检查的步骤49中，确定太阳能电池板子集中是否有更多的太阳能电池板需要检查。若为是，则该方法返回到确定初始位置的步骤41，如果该步骤没有被执行，则返回到导航至初始位置的步骤42。当返回时，对于成为特定太阳能电池板的新的太阳能电池板执行重复的步骤。如果没有更多的太阳能电池板需要检查，方法结束。

通过首先导航到初始位置，然后垂直于特定太阳能电池板进行更准确的定位以允许采集清晰的图像，自动采集太阳能电池板图像的过程可以自动进行，同时保持高水平的图像质量以用于故障检测。这样就无需对检查太阳能电池板的uav进行不精确并且劳动密集的手动控制。

图7是示出了根据一个实施例的图1中的uav的一些部件的示意图。uav包括一个或多个马达25，每个马达连接到一个或多个螺旋桨26，使得uav得以飞行。

ir相机11用于采集太阳能电池板的红外图像，以允许故障识别。可选的，ir相机11还被用作输入设备，以允许uav(尤其是ir相机11本身)被定位于基本上垂直于太阳能电池板的主表面，以进行检查。备选地或附加地，雷达12和超声波传感器13可用于将uav(以及ir相机11)定位于基本上垂直于太阳能电池板的主表面，以进行检查。

位置传感器17使用无线电信号来检测uav的位置。如下所述，位置传感器可以使用源于卫星的无线电信号和/或来自无线电信标的基于地面的无线电信号。

uav1由控制器10所控制。控制器10在此被示为uav1的组成部分，但原则上可位于uav1外部。控制器10的处理器60由以下一个或多个的组合来提供：合适的中央处理单元(cpu)、多处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路等，能够执行存储在控制器10的存储器65中的软件指令67，存储器65可以是计算机程序产品。处理器60可被配置为执行参照上述图6所描述的方法。

存储器65可以是读写存储器(ram)和只读存储器(rom)的任何组合。存储器65还包括持久存储器，例如，可以是磁存储器、光存储器、固态存储器甚至远程加载的存储器之中的任意一个或组合。

数据存储器66可在处理器60执行软件指令时被提供以读取和/或存储数据。例如，数据存储器66可以存储初始位置的坐标和/或图像数据。数据存储器66可以是读写存储器(ram)和只读存储器(rom)的任意组合。

控制器10还包括用于与其他外部实体通信的i/o接口62。可选地，i/o接口62还包括用户接口。i/o接口62可以包括一个或多个包括模拟和数字组件的收发器，以及用于到控制中心8的通信信道的无线通信的合适数量的天线。备选地或附加地，i/o接口62包括用于与控制中心8进行基于有线通信的端口，例如，使用通用串行总线(usb)、火线、以太网等。

这里省略了uav1的其他组件，为了避免模糊本公开所呈现的概念。

图8a-b是示出了图1中的uav使用无线电信号进行导航的实施例的示意图。在图8a中，示出了四颗卫星4a-d，为诸如全球定位系统(gps)等的全球导航卫星系统(gnss)传输基于卫星的无线电信号20a。这可以使uav1例如导航到如上所述的一个或多个初始位置，而不必再为导航安装任何新的设备。此处虽然示出了四颗卫星，但可以使用更多或更少的卫星。

在图8b中，示出了三个基于地面的无线电信标9a-c，其传送用于基于地面的定位的基于地面的无线电信号20b。虽然该实施例依赖于地面无线电信标9a-c的安装(或者甚至在太阳能发电站)，但是与基于卫星的定位相比，该系统可以提供对uav1的更精确的定位。这可以使uav1导航到例如如上所述的一个或多个初始位置。虽然此处示出了三个地面无线电信标，但可以使用更多的信标。在该实施例中的定位可以例如使用超宽带(uwb)脉冲的到达时间差测量。

图9示出了包含计算机可读装置的计算机程序产品的示例。计算机程序91可以存储在该计算机可读装置上，能够使得处理器执行根据本公开所描述的实施例的方法。在该示例中，计算机程序产品是诸如cd(紧致盘)或dvd(数字通用盘)或蓝光光盘等的光盘。如上所述，计算机程序产品也可以被实现为位于设备的存储器中，例如图7中的计算机程序产品65。虽然计算机程序91在这里被示意性地示为所描绘的光盘的轨道，该计算机程序可以以对于计算机程序产品适宜的任何方式来存储，诸如可移动固态存储器(例如通用串行总线(usb)驱动器)。

以上主要参照几个实施例描述了本发明。但是，如本领域的技术人员易于理解的，除了以上所披露的实施例之外的其他实施例，在如所附权利要求所限定的本发明的范围之内同样是可能的。