一种无人机载UWB光伏阵列故障组件精确定位系统的制作方法

本实用新型涉及光伏电站故障检测与运维领域，尤其涉及一种基于无人机载UWB光伏阵列故障组件精确定位系统。

背景技术：

我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富，开发利用的潜力十分广阔。近年来，随着环保意识深入人心，国内的太阳能光伏发电问题得到广泛的关注，越来越多的光伏电站建成并投入使用。目前，对于光伏电站故障巡检方式主要采用人工巡检，效率低下且安全性不高。

在这种背景下，光伏系统的故障诊断开始被许多学者所关注，一般有基于数学模型法、监控系统法、红外图像分析法等，上述方法虽然能够在一定程度上检测到光伏系统的故障，但是仍存在某些缺陷，比如：实施成本较高、无法检测系统内部故障、定位信息不够准确等。

近几年来，随着无人机技术的快速发展，与之配合应用的各种检测装备应运而生。利用轻型无人机搭载红外摄像仪与UWB定位系统，不仅能够快速准确的检测出光伏阵列的内部和外部故障，还能够比较精确的定位故障组件具体位置，这种定位系统大大提高了一个大型光伏电站的运行效率。

技术实现要素：

实用新型目的：针对上述现有技术，提出一种基于无人机载UWB光伏阵列故障组件精确定位系统。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种无人机载UWB光伏阵列故障组件精确定位系统，包括相互之间无线连接的无人机、地面站和UWB定位基站；所述无人机包括红外摄像头、UWB定位标签和飞控系统；所述UWB定位基站至少2个，分别安装于光伏阵列的四周，且高度各不相同；所述红外摄像头连接飞控系统，并将其拍摄的无人机下方的光伏阵列的图像发送至飞控系统，飞控系统中设有已训练好的图像识别算法，能够从所接收图像中识别出存在热斑的图像，无人机将存在热斑的图像实时发送至地面站；所述UWB定位基站和UWB定位标签构成UWB定位系统，用于测量无人机与各个UWB定位基站之间的距离，并将距离信息发送给地面站，地面站解算出无人机当前时刻的二维坐标。

进一步的，所述飞控系统包括STM32F103C8T6芯片、六轴陀螺仪、气压传感器、电子罗盘和舵机驱动模块；六轴陀螺仪、气压传感器、电子罗盘等传感器用来采集无人机飞行状态数据，并将其传输给STM32F103C8T6芯片，经计算处理后输出相应指令给舵机驱动模块；所述STM32F103C8T6芯片中存储有已训练好的图像识别算法，能够识别出有热斑的图像；所述红外摄像头连接STM32F103C8T6芯片，并将所拍摄图像传输给STM32F103C8T6芯片。

进一步的，所述UWB定位基站包括STM32F407ZGT6芯片、基站DWM1000模块、基站串口模块、以太网模块，所述基站DWM1000模块、基站串口模块、以太网模块分别连接STM32F407ZGT6芯片；所述UWB定位标签包括标签DWM1000模块、标签串口模块；所述标签DWM1000模块、标签串口模块分别连接STM32F407ZGT6芯片；所述基站DWM1000模块与标签DWM1000模块之间无线连接。

有益效果：本实用新型中无人机在光伏阵列上方巡检，通过红外摄像头拍摄光伏阵列的图像，通过图像识别算法识别出有热斑的图像，并实时发送给地面站，同时通过UWB定位系统定位出无人机当前时刻的二维坐标，该时刻无人机的二维坐标即为热斑故障位置。相对于现有的光伏电站故障监测方法，本实用新型提高了故障组件定位的精确度和故障诊断的准确性，降低了光伏电站的运维成本，保证光伏电站高效运行。

附图说明

图1为本实用新型的总体系统结构图；

图2为基站组成示意图；

图3为标签组成示意图；

图4为UWB定位示意图；

图5为飞控系统组成示意图；

图6为故障组件精确定位流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做更进一步的解释。

光伏电板在发生故障的情况下，会导致光伏板某些区域发生短路，短路所产生的巨大电流会引发跟高的热量，从而在拍摄的红外图像上产生热斑现象，根据热斑位置即可判断故障的具体位置。

如图1所示，本实用新型包括无人机、地面站和UWB定位系统三个部分，无人机上载有的红外摄像头用于拍摄无人机下方光伏阵列的图像，UWB定位系统主要依靠UWB定位标签和UWB定位基站之间的通信完成对无人机的定位，飞控系统根据各个传感器所采集的无人机飞行数据提供较为精确的方向和飞行数据，无人机与地面站通过无线传输模块进行通信，电源模块给整个无人机供电。

如图2所示，UWB定位基站包括STM32F407ZGT6芯片、基站DWM1000模块、串口模块、LED指示灯、以太网模块。当UWB定位基站工作时，通过UWB定位基站串口模块或者以太网模块供电，LED指示灯点亮，STM32F407ZGT6芯片控制基站DWM1000模块收发信号，之后通过以太网模块将位置数据传输至地面站。

如图3所示，UWB定位标签包括标签DWM1000模块、串口模块、LED指示灯。当UWB定位标签工作时，通过无人机上的电源模块供电，LED指示灯点亮。定位时，STM32F103C8T6芯片控制标签DWM1000模块接收基站信号，之后通过标签DWM1000模块将数据发送回基站。

如图4所示，UWB定位时，将两个基站分别固定在某光伏阵列的四周，基站的位置不能在同一平面上，记录下基站的位置坐标，无人机上的标签是基站定位的目标。

定位过程主要分为测距与地面站解算两个步骤：

测距过程：标签分别与每个基站进行三次通信，基站记录下每次通信的时间戳并根据时间戳计算出标签与基站之间的距离。基站将测距结果传输给地面站，当地面站获取到两个基站与标签的测距结果后，即可对这些测距结果进行解算，获取标签的坐标二维坐标。

解算过程：解算过程采用最小二乘法，由于已经知道两个基站的具体坐标和标签与两个基站之间的测距结果，可设两个基站的坐标为(x1,y1)，(x2,y2)，标签与两个基站之间的距离为d1,d2，可有如下方程：

(x-x1)²+(y-y1)²＝d1²

(x-x2)²+(y-y2)²＝d2²

根据该方程组即可解出标签的坐标(x,y)。

如图5所示，飞控系统由六轴陀螺仪、电子罗盘、气压传感器、主控单元STM32F103C8T6芯片和舵机驱动模块构成。其中六轴陀螺仪主要采集无人机的运动信息，包括三轴角速度、加速度和磁感应强度信息，并利用自带的DMP直接将原始数据解算四元数和姿态，而不需要进行额外数学运算，减轻了主控单元的运算压力。六轴陀螺仪和电子罗盘相连并通过集成控制总线IIC与主控单元之间进行数据的读写，这样不会占用主控芯片太多的引脚，气压传感器主要提供无人机飞行高度的相关信息，主控芯片将这些数据进行分析处理并给舵机驱动模块发出指令为无人机提供较为精确的飞行姿态和方向。主控单元存储有已训练好的图像识别算法，能够从所接收图像中识别出存在光斑的图像。存在光斑的图像由无人机上的无线接收装置发送至地面站。

如图6所示，本实用新型的故障组件精确定位系统实施步骤为：

1)在光伏阵列周围设置两个基站分系统。

2)无人机在巡检过程中，当无人机飞至目标区域的正上空，通过红外摄像头获取目标区域的红外图像，同时其上载有的标签通过DWM1000模块实时获取与各个基站之间的距离信息，并将获取的距离信息送至地面站进行解算，得到该无人机的二维坐标，此坐标可用于对无人机飞行路径的精确控制。

3)飞控系统对红外图像进行分析处理，检测其图片是否有热斑现象；若出现热斑现象，执行下一步骤；否则飞向下一个目标区域进行巡检。

4)无人机将存在热斑的红外图像及其拍摄时间发送至地面站，无人机在红外图像拍摄时间所处位置的二维坐标，即为故障组件的二维坐标，至此完成故障组件的定位过程。