一种光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法与流程

本发明实施例涉及清洁机器人的技术领域，具体涉及一种光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法。

背景技术：

太阳能光伏作为一种可再生清洁能源，已成为当今全球能源变革的重要力量。太阳能电池板表面容易积累风沙、灰尘等污垢，若没有及时科学专业的清洁，最高可导致组件发电功率衰减40％-60％，发电量下降20％-30％。因此，通过合理科学地清洁太阳能电池板以及对组件的悉心养护来提升电站发电量和效益的理念，受到业界认可。

光伏清洁行走机器人工作的时候，基本是全自动化的过程。目前市面不存在比较成熟的可移动检测方式，需依靠在光伏阵列添加特定的感应装置或固定装置进行定位，维持机器在光伏阵列上的行走和清洁；并且比较成熟的自主选择清洁路线技术是先手动清洁方向，然后在光伏纵置或者横置分布光伏阵列上进行沿光伏面板边框“n”或者“z”字形路径清洁。

这样的自动规划路线，受光伏阵列中光伏面板放置方式和分布的影响，频繁的原地旋转换行导致效率低下和续航时间下降，且机器需略大于光伏面板短边的一半，导致机器整体体积较大。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于提供一种光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法，可提高光伏清洁机器人的自动化程度，简化光伏清洁机器人的检测结构，并且提高光伏清洁机器人的适用性，以达到自主行驶作业、节约人力和降低电站维护成本。

本发明的技术方案是这样的：

一种光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法，所述光伏清洁机器人包括机身，所述机身的前端固定设置有清扫装置，所述光伏清洁机器人通过所述清扫装置对光伏阵列进行清扫作业，其特征在于：所述清扫装置固定设置在所述机身前端面的下部，所述机身的上表面前侧设置有光伏面板检测组件，所述光伏面板检测组件用于检测光伏清洁机器人正前方的光伏阵列中光伏面板的表面特征，同时提取光伏面板的表面特征，然后根据提取的光伏面板的表面特征和所述光伏清洁机器人的机身所处的状态拟合一条最优的作业路径。

所述光伏面板检测组件所处平面位于所述清扫装置所处平面的上方。

所述机身的形状为方形，所述光伏面板检测组件固定设置在所述机身的上表面靠近所述清扫装置的一侧。

所述光伏面板检测组件包括固定部，所述固定部的形状为方形，所述固定部的前端面设置有摄像头模块以及多个补光灯。

所述固定部与所述机身为一体成型，固定部沿其长度方向固定设置在所述机身沿宽度方向且靠所述清扫装置的一侧。

所述固定部的前端面的形状为正方形，且所述摄像头模块固定设置在所述固定部的前端面中心位置。

所述摄像头模块为高速摄像头模块。

所述补光灯的数量为四个，且四个补光灯分别固定设置在所述固定部前端面的四角。

所述补光灯为红外灯。

所述光伏面板的表面特征包括出界、跨缝、相对电池片竖放、相对电池片横放。

本发明具有以下优点和有益效果：本发明实施例的光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法，其中，光伏清洁机器人包括机身，机身的前端固定设置有清扫装置，所述光伏清洁机器人通过所述清扫装置对光伏阵列进行清扫作业，所述清扫装置固定设置在所述机身前端面的下部，所述机身的上表面前侧设置有光伏面板检测组件，所述光伏面板检测组件用于检测光伏清洁机器人正前方的光伏阵列中光伏面板的表面特征，同时通过算法提取光伏面板的表面特征，然后根据提取的光伏面板的表面特征和所述光伏清洁机器人的机身所处的状态拟合一条最优的作业路径通过上述设计，也即在光伏面板检测组件中固定部的前端面设置摄像头模块以及补光灯，通过摄像头模块可拍摄光伏清洁机器人正前方大范围光伏面板表面图像并提取其表面特征，拟合出光伏清洁机器人维持直线作业需要跟踪的相对路径，即保证了一定的前瞻性，也确保了路径规划的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光伏清洁机器人的立体结构示意图。

图2为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像示意图。

图3为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像进行边缘处理后的示意图。

图4为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像进行边缘处理后感兴趣区域选择示意图。

图5为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像进行边缘处理后感兴趣区域选择对应在原图上的示意图。

图6为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像进行边缘处理后感兴趣区域进行透视变换后的示意图。

图7为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时通过光伏面板检测组件采集的图像进行边缘处理后感兴趣区域进行特征提取后的示意图。

图8为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏阵列区域中光伏面板的上的起始作业方向判断依据的图像示意图。

图9为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时拟合路径的示意图。

图10为本发明实施例提供的光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片横放时拟合路径的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至图10所示：为本发明实施例的光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法，所述光伏清洁机器人包括机身100，所述机身100的前端固定设置有清扫装置101，所述光伏清洁机器人通过所述清扫装置101对光伏阵列进行清扫作业，所述清扫装置101固定设置在所述机身100前端面的下部，所述机身100的上表面前侧设置有光伏面板检测组件，所述光伏面板检测组件用于检测光伏清洁机器人正前方的光伏阵列中光伏面板的表面特征，同时通过算法提取光伏面板的表面特征，然后根据提取的光伏面板的表面特征和所述光伏清洁机器人的机身所处的状态拟合一条最优的作业路径。

所述光伏面板检测组件所处平面位于所述清扫装置101所处平面的上方。通过上述设计，也即将光伏面板检测组件设置在清扫装置101的上方，可使光伏面板检测组件的视野更加开阔，以获取光伏清洁机器人前方更加广阔的光伏阵列中光伏面板的表面特征

所述机身101的形状为方形，所述光伏面板检测组件固定设置在所述机身100的上表面靠近所述清扫装置101的一侧。

所述光伏面板检测组件包括固定部400，所述固定部400的形状为方形，所述固定部400的前端面设置有摄像头模块401以及多个补光灯402。通过上述设计，也即在光伏面板检测组件中固定部400的前端面设置摄像头模块401以及补光灯，通过摄像头模块401可拍摄光伏清洁机器人正前方大范围光伏面板表面图像并提取其表面特征，拟合出光伏清洁机器人维持直线作业需要跟踪的相对路径，即保证了一定的前瞻性，也确保了路径规划的准确性。

所述固定部400与所述机身100为一体成型，所述固定部400沿其长度方向固定设置在所述机身100沿宽度方向且靠所述清扫装置101的一侧。

所述固定部400的前端面的形状为正方形，且所述摄像头模块401固定设置在所述固定部400的前端面中心位置。所述摄像头模块401为高速摄像头模块。通过上述设计，也即摄像头模块401采用高速摄像头模块且视角朝前，具有体积小、易安装、感知频率高和感知范围广等特点，既能保证机器结构简单，也能提供较快和多的感知效果。

所述补光灯402的数量为四个，且四个补光灯402分别固定设置在所述固定部400前端面的四角。所述补光灯402为红外灯。通过上述设计，也即补光灯采用了红外灯补光，可有效确保摄像头模块401在夜间也可以正常拍摄图像，光伏清洁机器人在夜间也可正常作业，进而扩大了光伏清洁机器人的适用时间范围。

所述光伏面板的表面特征包括出界、跨缝、相对电池片竖放、相对电池片横放，其中：所述出界为光伏清洁机器人前方的光伏面板处于光伏阵列的边缘，当光伏清洁机器人继续向前行走时将从所述光伏阵列上跌落；所述跨缝为光伏清洁机器人前方的光伏面板处于光伏阵列中一个光伏面板的后端边缘，同时处于光伏阵列中与其相邻的且位于其前方的另一光伏面板的前端边缘，当光伏清洁机器人继续向前行走时，将从位于其前方的相邻两个光伏面板之间的缝隙跨过。

本发明实施例的光伏清洁机器人获取最优作业路径的方法，通过采用1080p120帧的高速红外摄像头模块并采用一定的红外灯补光方式设置在光伏清洁机器人的正前方。在作业时，通过提取光伏清洁机器人前方光伏阵列中光伏面板的图像进行传统的计算机视觉处理或者深度学习提取图片的边缘图像，如图2所示。

通过摄像头模块401安装在光伏清洁机器人的位置关系，大概的划分出图像中有利用价值的区域，其他区域就不做进一步处理。如近景的光伏表面，就是感兴趣的区域，因为近景的光伏面板表面上有金属主栅线特征。

将感兴趣的近景区域进行透视变换，选择一个梯形区域，这个区域在真实的形状是一个长方形，因此选择将这个梯形区域投影成为一个长方形，最终的投影结果就类似“鸟瞰图”。

将“鸟瞰图”通过霍夫变换法提取原边缘图像中的直线或者线段，即光伏面板表面上的金属主栅线和光伏面板上的太阳能电池片之间的间隙。

在相对光伏阵列中光伏面板长边平行直线行驶的情况，摄像头模块401拍摄的图像为光伏阵列中光伏面板的电池片竖放图像，提取的竖直方向直线包括太阳能电池片的金属主栅线、太阳能电池片之间的间隙和光伏面板的长边边框；提取的水平方向直线包括光伏面板的太阳能电池片之间的间隙和短边边框。

在相对光伏阵列中光伏面板长边垂直直线行驶的情况，摄像头模块401拍摄的图像为光伏阵列中光伏面板的电池片横放图像，提取的竖直方向直线包括光伏面板的太阳能电池片之间的间隙和短边边框；提取的水平方向直线包括太阳能电池片的金属主栅线、太阳能电池片之间的间隙和光伏面板的长边边框。

光伏面板上太阳能电池片尺寸为156*156mm，两条金属主栅线位于电池片中心线两侧水平距离37mm处，所以电池片竖放与者横放对应提取的特征直线相对位置和数量上都有着较大差异。在相对光伏阵列中光伏面板长边平行直线行驶的情况，竖直方向直线多于水平方向直线，竖直方向直线之间的间隔为40mm和72mm左右，水平方向直线之间的间隔为156mm左右。在相对光伏阵列中光伏面板长边平行直线行驶的情况，竖直方向直线多于水平方向直线，竖直方向直线之间的间隔为156mm左右，水平方向直线之间的间隔为40mm和72mm左右。因此当相对光伏阵列中光伏面板长边平行或垂直作业时，提取的特征直线具有较大差异，且可以较快的区分每一行和每一列电池片，再因为每个电池片布局是固定的，因此可以推导出其对应的方向和位置。

通过人为操作，将光伏清洁机器人朝前放置在光伏阵列的边缘，当光伏清洁机器人上电启动作业时，通过摄像头模块401拍摄的如图8的图像，经过以上图像处理，可以根据提取的直线特征值分布，可以判断出当前光伏面板放置方式。当图像中光伏面板太阳能电池片竖放时，即可判断光伏面板放置方式为光伏面板长边竖放，光伏阵列纵置；当图像中光伏面板太阳能电池片横放时，即可判断光伏面板放置方式为光伏面板长边横放，光伏阵列横置。

由于目前光伏阵列的长边绝大部分为横向分布的特性，设置机器恒横向作业的方式，那么设置光伏清洁机器人默认转向横向。转弯方向可根据第一张图像中电池片分布，因在光伏阵列边缘的关系，一侧应不存在电池片，因此可以根据电池片分布偏向哪一侧，判断出需要转向，即起始的清洁方向。

根据机械结构，例如在300w光伏面板上电池片布局为6*10阵列分布，一块电池片的尺寸为156*156mm，包括两块电池片并列中的缝隙，两块电池片并列长度在313～315mm范围左右。如清扫装置的长度为340mm满足略大于两块电池片并列长度，一行清洁可清洁光伏阵列上光伏面板的两行电池片，且光伏清洁机器人沿着两行电池片的缝隙线前行。即当在光伏阵列中光伏面板长边横放时，也就是光伏阵列横置分布时，一行光伏面板共有六行电池片，需光伏清洁机器人作业三行才可满足全覆盖光伏阵列中的一行光伏面板；当在光伏阵列中光伏面板长边竖放时，也就是光伏阵列纵置分布时，一行光伏面板共有十行电池片，需光伏清洁机器人作业五行才可满足全覆盖光伏阵列中的一行光伏面板。

当光伏清洁机器人开始横向作业，光伏清洁机器人通过摄像头模块401继续拍摄并且进过以上图像处理，可以根据提取的直线特征值分布和自身处于第一行作业的情况，提取出前方所需要清洁的光伏板电池片范围，并在该区域中心拟合一条区域，即为期望的路径。

光伏清洁机器人持续作业在横边的尽头转变爬升调头，爬升距离为两块电池片并列长度，调头后同样维持横向直线运动作业完成下一个直线覆盖，直到整个光伏阵列百分百覆盖且可保证极小的重复覆盖率。

如图2所示，光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时进行清洁作业，也即光伏清洁机器人在相对光伏阵列中光伏面板长边平行直线行驶时，光伏清洁机器人通过光伏面板检测组件中摄像头模块采集的图像。

如图3所示，光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时进行清洁作业，也即光伏清洁机器人在相对光伏阵列中光伏面板长边平行直线行驶时，光伏清洁机器人通过光伏面板检测组件中摄像头模块采集的图像，且上述图像通过canny算子提取边界后，得到的图像，白色像素为边缘点。

如图4所示，根据光伏面板检测组件中摄像头模块安装的位置，拍摄出来的图片经过一定的区域筛选，提取出感兴趣有价值的区域，如图中蓝色区域为感兴趣区域。

如图5所示，上述感兴趣有价值的区域在原图(也即图2)中对应的效果图。

如图6所示，将上述感兴趣区域实际对应的图像为方形，但由于摄像头安装位置和角度的与原因，图片中为梯形区域。对其进行透视变换，得到一个按实际平面比例缩放的方形区域图像。

如图7所示，对图6进行特征提取，利用霍夫变换法提取原边缘图像中的直线或者线段，并过滤掉部分相似的直线或线段，得到如图7所示的效果，绿色直线为提取的特征直线。

如图8所示，通过人为操作，将光伏机器人朝前放置在光伏阵列区域200的边缘，当光伏机器人上电启动作业时，通过摄像头模块401拍摄的第一张图像，可以看到蓝色区域光伏阵列在右侧，可判断起始作业方向为向右。并可以看到图像中光伏面板太阳能电池片横放时，即可判断光伏面板放置方式为光伏面板长边横放，光伏阵列横置。

如图9所示，光伏清洁机器人在光伏面板的太阳能电池片竖放时拟合路径效果，201区域为提取的不同行待作业区域，202区域为同行待作业区域，即前进的区域，虚线204为光伏清洁机器人通过以上操作提取的拟合路径，203区域为光伏清洁机器人已作业的区域。

如图10所示，在相对光伏面板的太阳能电池片横放时拟合路径效果，205区域为提取的不同行待作业区域，206区域为同行待作业区域，即前进的区域，虚线208为光伏清洁机器人通过以上操作提取的拟合路径，207区域为光伏清洁机器人已作业的区域。

最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。