日本用无人直升机巡视光伏电站，1MW光伏电站10分钟拍摄完毕

日本综合警备保障公司（ALSOK）将从2015年4月开始利用小型无人直升机（图1）为百万瓦级光伏电站提供服务。之前，该公司已从2014年10月开始，已在其提供警备服务的部分光伏电站开始了试用服务。


 


图1：综合警备保障公司百万瓦级光伏电站用无人直升机 机身采用结实轻量的碳纤维制造。为防灰尘、污渍和雨水而安装了树脂防护盖。下图为拿掉防护盖后的状态
综合警备保障公司说，截至2014年3月，日本国内投入运营的光伏电站，利用警备服务的约有550座，其中约7成为自己的客户。该公司的方针是，发挥拥有如此高份额的优势，开展多种服务。

首先将开始提供能以短时间、高效率发现太阳能电池板输出异常的服务。这样，综合警备保障公司面向百万瓦级光伏电站的服务，就有可能突破原来的警备范畴，扩大到平时的O&M（运行、维护）领域。

并且，该公司还有把服务上溯扩展到光伏电站投入运营前的开发阶段，诸如利用航拍图像生成三维地形数据，提供建设用地的选择参考；定期航拍图像为施工进展管理提供支援等的构想。

1MW光伏电站的所有电池板10分钟可拍摄完毕

综合警备保障公司的机器人应用开发始于1982年着手的自走型机器人。目的是将警卫人员的部分工作自动化。该公司2002年开始销售室内使用的自走型机器人。但该机器人无法用于室外。

直到大约3年前，使用多个旋转尾翼飞行，被称为“多轴飞行器”或“多旋翼飞行器”的小型无人直升机诞生了。在空中飞行的无人机可以不受地面障碍物等的限制自由移动。

但在安全性达到能在人附近使用的水平之前，还是准备尽量在没有人的地方提供服务。

在这种用途上，百万瓦级光伏电站是最合适不过了：光伏电站基本处在无人的环境，为了掌握大量设置的太阳能电池板产生的故障，工作人员需要步行用红外相机一块块地检测电池板的老方法，相当费时费力。

若使用小型无人直升机，可以大大提高太阳能电池板的检测效率。

从综合警备保障公司的实践来看，在以往的方法中，用红外相机获取电池板图像所需的时间，输出功率为1MW的光伏电站为2小时，而利用无人直升机可缩短至10分钟。能够用很少的时间发现可能出现故障的电池板。

该公司还开发了检查桥梁老化的用途，其在无人接近之处使用这一点上是相同的。能靠近桥侧和桥下拍摄图像，可适用于日本国土交通省规定的2014年7月起必须要目视检测的用途。

谁都可以操作，一看就能发现异常

综合警备保障公司在开发无人直升机应用的过程中，还参加了以多轴飞行器的开发而闻名的千叶大学教授野波健藏主导成立的组织“Mini-Surveyor Consortium”，并专为用于百万瓦级光伏电站而购买了5架无人直升机作了研究。

最终的结果，决定订制也参加了该联盟的多轴飞行器厂商enRoute公司（埼玉县富士见野市）的现有机型使用。

该机型有6个螺旋桨，配备有相机，适合边飞行边航拍和观测。

订制有三个要点：一是配备拍摄普通照片的数码相机和红外相机各一台；二是将蓄电池由通常的两块增加到四块；三是能自动飞行。

普通相机和红外相机各配备一部的理由是，通过比较用红外相机和普通相机同时拍摄的太阳能电池板的温度分布（热图像）和外观图像，更容易掌握可能出现输出异常的位置及原因（图2）。例如，容易发现电池板局部异常发热的“热点”等。


 图2：普通数码相机和红外相机同时拍摄

相机能控制着一直朝着正下方（图3）。例如，即使机器人的姿势在飞行中改变，由于相机一直朝着下方拍摄，也能保证图像的均一性。


 图3：控制姿势，使相机一直朝下

综合警备保障公司说，相机的选择颇费了心思。配备在无人直升机上并能保证稳定飞行的相机重量两部重量在1kg以下。分辨率越高的相机一般体积越大且越重。在满足航拍高度和所需分辨率的同时，将重量控制在1kg以内非常困难。

其中，红外相机的轻量化尤为困难。综合警备保障购买了法国FLIR Systems公司通常作为便携式相机销售的640×480像素产品的模块和图像处理引擎配备在无人机上（图4）。


 图4：红外相机（右）相关花费100万日元

结果，仅红外相机相关的费用就有约100万日元。拍摄普通照片的相机也配备了1920×1080像素的高分辨率机型。

追加蓄电池是为了延长飞行时间，不用更换电池就可航拍整个百万瓦级光伏电站（图5）。充满电后可飞行约20分钟。这期间能航拍面积约4公顷、输出功率约2MW的百万瓦级光伏电站的太阳能电池板。


 图5：将正常为2块的蓄电池增加至4块，飞行一次可航拍2MW 用带子捆着的长方体就是蓄电池。从图中可以看出，除了圆形机身上方的两块外，右前方和左后方的机械臂中间还追加了两块

要求自动飞行，是因为航拍百万瓦级光伏电站内的太阳能电池板时，很难保证拥有能安全、正确地操作无人直升机技能的警卫人员。

会导致技能上大的差异的，是能否令飞行机器人沿着太阳能电池板上的飞行路线正确、稳定地飞行。若不是每位警卫人员无论其无线电控制操作的熟练程度如何都能安全、正确地操作无人直升机，则难以实现同质服务。

因此，无人机增加了以内置的传感器检测无人直升机的方向、倾斜度和高度等以控制姿势，并基于GPS（全球定位网）沿着事先编排好的轨道自动飞往目的地的功能（图6）。


 图6：按照编排的路线自主飞行的画面 画面右侧的黄线为设定的飞行路线，黑线为实际正在飞行的路线

为了让任何人都能安全、正确地操作而采取的措施，也是无人直升机原来就具备的要素。折叠起支撑6个螺旋桨的机械臂之后能收纳在小箱子中，可用汽车轻松搬运（图7）。采用了利用普通工具就能完成组装和折叠的设计。这一点也与综合警备保障公司的需求相符。


 图7：折叠起机械臂部，可轻松搬运

以黑白色显示热图像，使画面更鲜明

使用这样的无人直升机航拍百万瓦级光伏电站，是在约40m的高度，从太阳能电池板东西方向长列的一端开始依次拍摄（图8）。


 图8：从40m上空航拍太阳能电池板 该图最上部的飞行机器人正在30m高度飞行。在太阳能电池板正上方飞行时，为避开乱流的影响，需要在30m以上的高空飞行

飞行高度设定为40m左右的理由有两点。一是飞行上的原因，据称高度较高飞行会较稳定。

多轴飞行器虽然不容易受横向风力的影响，但容易受上下方向风力的影响。uin太阳能电池板等地面构造物的影响，地表附近的风会吹向上空，如果飞行机器人的高度较低，有时会妨碍稳定飞行。

另一个是拍摄图像画质上的原因。无人直升机的航拍高度越高，每张照片中拍摄的太阳能电池板的数量就越多。但如果相机分辨率不够高，图像就会不清晰，从而导致无法辨别电池板内可能会出现输出异常的位置。

从无人直升机配备的相机来看，考虑到在维持所需画质的同时，拍摄尽量多的电池板，40m的高度最合适。

每张图像能拍东西方向的2.5行太阳能电池板。这样一次可拍摄2行，如果有10行，理论上只需沿东西方向飞行5次即可拍完，可提高效率。

但据称目前很难实现。因相机的方向和太阳能电池板的角度问题，电池板的表面会反射光，或者倒映云彩等，有时图像拍得不清晰，为保证准确性，需要对电池板从不同角度进行拍摄，因此是一行一行地拍摄。

图像是红外相机和普通相机同时拍摄的。由此可确认热分布存在异常的部分以及该部分的电池板表面状态。该公司称，在验证实验和试用服务中，已经掌握了诸如： 热点发生（图9）、鸟粪附着（图10）、随电池单元输出异常（发电元件，图11）的旁路二极管回避、被杂草覆盖导致输出功率部分降低（图12）、接线盒故 障导致电池板整体停止发电（图13）、玻璃破碎等问题。玻璃破碎一般很难通过图像辨别，但无人直升机采用的是1920×1080像素的高分辨率相机，因此 能够辨别出来。