3D感知在光伏铺装机器人中的应用

光伏电站的建设目前处于高速增长期，全球光伏装机容量在2022年3月已达到1000GW，2030年预计将达到4500GW，2023年全球新增装机量约为414GW，光伏电站的大规模建设为智能化安装机器人提供了广阔的市场空间。

目前光伏电站的建设还大量依赖于人工。从整个工艺流程来看，从前期的打桩与安装金属支架，到后期的铺板与接线，都需要大量的人工作业。集中式光伏电站通常建设在沙漠、戈壁、荒漠、山地、高海拔等地区，自然环境艰苦，人工作业面临一些问题：

1.需要消耗大量的人力，在条件艰苦的地方招工存在困难；

2.人工作业效率低，电站建设周期长；

3.作业存在一定的危险性，舒适性差，可靠性也难以保证。

下图为山地集中式光伏电站的建设现场，各个环节基本上都靠人工完成。

在这些施工环节中，铺板是目前劳动强度最大、消耗人力最多的环节之一。工人需要把光伏板搬运到支架下面，再抬到支架上。支架顶端位置的高度可达7m，550W光伏板的重量3为2KG，尺寸是2260mmx1134mm，人工搬运非常辛苦，且空中作业存在危险。

如果能实现铺板的自动化，将显著提升电站的建设速度，减少对人力的需求。目前国内外已有多家机器人企业已经开始了这一产品的研发。

光伏铺装机器人的目标是实现光伏板的自动吸取与放置，将板精确地放到支架上预定的位置，并能准确贴合支架的倾角，后续只需要工人用螺丝对光伏板进行紧固即可。由于机器人的坐标与姿态、光伏支架的坐标与姿态都是灵活可变的，因此需要3D视觉系统实现机械臂的柔性引导。

作业时，3D相机启动扫描，自动识别并计算出每一块板的铺装位置与旋转角度，然后引导机械臂在供料机构中取板，将板放置到目标位置。整个过程要保证高精度与高可靠性，且具有高效率。

放板精度指标包括位置误差与角度误差，对这两个值有很高的要求。高精度不仅可以减少人工的工作量，也可以降低撞板的风险。

位置误差是指光伏板的某一个角与它要在支架上要安放的位置在XYZ方向（可以是机械臂坐标系也可以是相机坐标系）的误差。位置误差越小，机械臂放板之后人工需要对板进行调整的工作量越小。

角度误差是指光伏在XYZ方向的角度与其要放置的角度之间的误差，理想情况下，机械臂运动到位之后，光伏板应该与支架平面平行。以光伏板平铺为例，其长边位于支架的横向，如果这个X方向的角度误差为1°，对于长度为2260mm的光伏板，其在Z向的误差将达到394mm，连续铺设2块板之后，Z向误差将达到近800mm，此时会出现撞板的风险。机械臂的末端还没有执行到位，光伏板就已撞上了支架。

下面介绍张量无限在光伏铺板机器人视觉感知方面的经验，方案基于张量无限Tensor Eye型3D相机。每次作业时相机扫描光伏板与金属支架，机器视觉算法对点云与RGB图像进行分析，自动计算出将要铺设的多块光伏板的坐标与旋转角度。

在2~3m距离拍照，视觉系统计算出的光伏板安装位置误差不超过3mm，安装角度不超过±0.5°，单次扫描识别时间不超过2s。加上机械臂的定位误差与执行时间，整个系统的放置误差

对于光伏铺装机器人而言，视觉感知系统是整个机器人系统中技术难度最大的部分。视觉系统需要解决以下技术难题：

1.户外复杂的光照条件，包括强光，逆光，弱光，夜间，高海拔地区的强紫外线等；

2.光伏板是吸波材质，会影响主动成像设备发射的光波；

3.光伏板上和金属支架可能存在高反光，如下图所示；

4.系统需要达到高精度，3D成像误差