摘要：随着光伏产业规模化发展，场站占地面积不断扩大，传统人工巡检与单一巡检机器人已难以满足高效、精准、全天候的巡检需求。本文针对光伏场站复杂地形适应性差、组件缺陷检测精度不足、设备状态监测不全面等痛点，提出基于四足-机械臂复合结构的地面智慧巡检系统设计方案。通过整合四足机器人的高机动性与机械臂的灵活操作能力，结合机器视觉、物联网与数据分析技术，实现对光伏组件、支架、逆变器等关键设备的全方位巡检。经现场测试验证，该系统可在复杂地形环境下稳定移动，缺陷识别准确率达 95% 以上，巡检效率较人工提升 3-5 倍，为光伏场站运维智能化升级提供有效技术支撑。

关键词：光伏场站；智慧巡检；四足机器人；机械臂；复合结构

引言

光伏能源作为清洁能源的重要组成部分，其场站运维质量直接影响发电效率与设备寿命。当前，国内多数光伏场站仍依赖人工巡检，存在劳动强度大、巡检周期长、受恶劣天气影响大等问题；部分场站采用轮式或履带式巡检机器人，虽能替代部分人工工作，但在山地、丘陵等复杂地形中易出现卡顿、倾覆等情况，且难以对组件背部、支架连接处等隐蔽部位进行检测。此外，传统巡检方式多依赖人工肉眼判断，对热斑、隐裂等细微缺陷识别精度低，易造成漏检、误检，增加设备故障风险。为解决上述问题，本文设计四足-机械臂复合结构巡检系统，利用四足机器人多关节腿部结构实现复杂地形自适应移动，搭配多自由度机械臂完成精细操作与隐蔽部位检测，同时融入智能感知与数据分析模块，构建“移动-检测-分析-预警”一体化巡检体系。该设计不仅能提升巡检覆盖范围与精度，还能通过数据积累优化运维策略，降低场站运营成本，具有重要的实际应用价值。

1 系统总体设计方案

1.1 设计目标

本系统以“高效覆盖、精准检测、智能决策”为核心目标，具体包括：（1）地形适应性：可在坡度 ⩽30^∘ 的山地、碎石地及积水区域稳定移动，跨越高度 ⩽20cm 的障碍；（2）检测全面性：实现光伏组件表面缺陷、支架腐蚀、逆变器指示灯状态等 12 项关键指标检测；（3）精度要求：组件缺陷识别准确率 ≈95% ，温度检测误差≤ ±0.5C ；（4）智能化：支持自主路径规划、数据实时传输与故障自动预警，减少人工干预。

1.2 系统架构

系统采用“硬件层-软件层-应用层”三级架构。硬件层由四足移动平台、机械臂执行机构、感知模块与通信模块组成；软件层包含路径规划算法、缺陷识别模型与数据管理系统；应用层通过可视化平台实现巡检数据展示、故障报警与报表生成。各层级通过以太网与 4G/5G 通信实现数据交互，确保系统协同运行。

2 硬件模块设计

2.1 四足移动平台

四足移动平台采用液压驱动方式，每条腿部设置 3 个自由度关节，通过关节角度传感器实时反馈姿态信息。平台主体选用轻量化铝合金材料，重量 ⩽50kg ，搭载 24V 锂电池组，续航时间 ⩾4h 。为提升稳定性，平台配备惯性测量单元（IMU）与超声波避障传感器，可实时调整腿部动作，避免碰撞与倾覆。在实际测试中，平台在坡度 25^∘ 的碎石地移动速度达 0.8m/s ，跨越 15cm 障碍成功率 100% ，满足光伏场站复杂地形移动需求。

2.2 机械臂执行机构

机械臂采用 6 自由度设计，最大伸展长度 1.2m ，负载能力 5kg ，末端搭载高清工业相机（分辨率 2000 万像素）、红外热像仪与小型夹持器。相机与热像仪配合实现组件表面缺陷与温度检测，夹持器可完成小型部件抓取与简单维护操作（如清理组件表面异物）。机械臂控制精度达 ±0.1mm ，可通过软件调整运动轨迹，适配不同规格光伏组件的检测需求。

2.3 感知与通信模块

感知模块包含激光雷达、GPS 定位模块与环境传感器（温度、湿度、风速），激光雷达用于路径规划与障碍检测，定位精度 ⩽1m ；环境传感器

实时采集气象数据，为巡检任务调度提供参考。通信模块支持以太网与 4G/5G 双模传输，巡检数据经边缘计算预处理后，通过 4G/5G 网络上传至云端平台，实现数据实时共享与远程控制。

3 软件算法设计

3.1 路径规划算法

针对光伏场站组件阵列排列特点，采用“全局规划 +, 局部调整”路径策略。全局规划基于场站 CAD 地图，利用 A^* 算法生成最优巡检路径，确保覆盖所有组件；局部调整通过激光雷达与 IMU 数据，采用动态窗口法（DWA）实时避障，调整移动轨迹。测试表明，该算法可减少 30% 的无效移动距离，提升巡检效率。

3.2 缺陷识别模型

基于深度学习构建组件缺陷识别模型，以 YOLOv8 为基础网络，通过50000 张光伏组件缺陷样本（含热斑、隐裂、污渍等）训练优化。模型采用轻量化设计，可在边缘端实时运行，检测速度达 20 帧/s。为提升复杂光照下的识别精度，引入图像增强算法（如直方图均衡化），对逆光、阴影区域图像进行预处理，使缺陷识别准确率从基础模型的 88% 提升至 95.6%_⨀ 。

4 系统测试与应用效果

4.1 测试环境与方案

在某 100MW 山地光伏场站开展现场测试，测试区域包含坡度 20^∘ °-30°的山地、积水区与碎石地，共选取 500 块光伏组件作为检测对象，对比系统巡检与人工巡检的效率、精度及成本。

4.2 测试结果

（1）效率方面：系统完成 500 块组件巡检耗时 1.5h，人工巡检需 6h，效率提升 3 倍；（2）精度方面：系统识别出热斑、隐裂等缺陷 42 处，人工识别 38 处，漏检率 4.8% ，误检率 2.1% ，均优于人工水平；（3）成本方面：系统单次巡检成本约 200 元，人工巡检约 800 元，长期应用可显著降低运维成本。此外，系统在暴雨、高温等恶劣天气下仍能正常工作，解决了传统巡检受天气限制的问题。

5 结论与展望

本文设计的四足-机械臂复合结构光伏场站巡检系统，通过硬件协同与软件优化，有效解决了传统巡检地形适应性差、精度低、效率低等问题。现场测试表明，系统在复杂环境下具有良好的稳定性与可靠性，可满足光伏场站智能化运维需求。未来，将进一步优化系统续航能力（目标提升至6h），引入 AI 预测性维护算法，通过历史数据分析提前预判设备故障，实现从“事后维修”向“事前预警”的转变，为光伏场站运维提供更全面的技术支持。

参考文献

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