CN103335604A - 一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，包括：在风电机组未工作之前，选取轮毂中心为不动标志点，在每个叶片根部分别选取另一个标志点并采用不同形状的标志，通过两台数字摄像机得到静止状态下风轮叶片的全场三维坐标；风电机组工作时，由标志点在工作和静止两个状态下的相对位置确定风轮叶片的刚体转动角度；由消除刚体转动位移后的像平面坐标计算得到工作状态下变形后风轮叶片的三维坐标；由风轮叶片变形前后三维坐标的差值，得到其工作状态下的全场三维位移和应变值。本发明具有在线、非接触式、全场性、三维等优势，可得到风轮叶片工作状态时的全场三维位移和应变，解决了工作状态下风轮叶片变形监测难题。

Description

一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法

技术领域

本发明属于结构全场三维变形测量领域，具体涉及一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法。

背景技术

随着世界能源危机的日益严重，以及公众对于改善生态环境要求的呼声日益高涨，风能作为一种清洁的可再生能源日益受到各国政府的重视。风力发电产业正逐步发展成为初具规模的新兴产业。由于强风、电击、腐蚀等因素影响，风电机组在运行过程中可能出现损伤甚至灾难性事故。风力发电机叶片是风力发电机的关键部件之一，叶片的好坏直接影响着风力发电机的效率、寿命和性能，因此，风轮叶片的安全保障具有极端重要性。叶片在制造、安装和运行等过程中会产生损伤，在交变应力等因素作用下萌生裂纹并不断扩展，最终导致叶片断裂，造成巨大经济损失。因此对叶片裂纹损伤的检测尤为重要。

为了保证风轮叶片的安全运行，风轮叶片损伤破坏机理的研究十分必要。对于风轮叶片破坏机理与损伤识别的研究经常需要测量风轮叶片在风荷载作用下表面的变形场，但传统的检测方法为静态检测，试验中施加的载荷较风轮叶片在实际工作中受力简单，未能全面反映风轮叶片实际工作中复杂受力下的位移和应变，且应变片、引伸计等方法具有量程有限、只能测量单个方向的应变，以及传感器可能会因风轮叶片破坏而损坏失效等困难和不足。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种具有在线、非接触式、全场性和三维等优点的工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在待测风轮叶片表面喷漆，形成随机散斑点；

（2）选取风电机组轮毂中心为不动标志点，并在每个叶片根部均选取另一个标志点，每个叶片根部的标志点采用不同形状的标志；

（3）在风轮叶片前方架设两台工业数字摄像机；要求两台工业数字摄像机所在的位置到风轮叶片上任一点的直线是非平行的；

（4）在风轮叶片扫略面上安装标定板；采用两台工业数字摄像机拍摄该标定板，利用双目立体视觉原理对系统进行标定，根据标定板中标定点的已知三维坐标与对应的图像点坐标关系计算两台摄像机的内、外参数；

（5）完成标定后，采用工业数字摄像机拍摄静止状态下的风轮叶片，得到所有测点的像平面坐标。利用预先标定的摄像机的内外参数，将像平面坐标代入共线方程，即可得到初始状态下风轮叶片所有测点的三维坐标；

（6）在风电机组工作时，采用工业数字摄像机拍摄转动的风轮叶片；将叶片根部标志点相对轮毂中心不动标志点的位置与初始状态下两标志点的相对位置相比较，确定风轮叶片的刚体转动角度；

（7）将步骤（6）中所摄图像绕轮毂中心不动标志点整体反向旋转风轮叶片的刚体转动角度，以消除风轮叶片的刚体转动位移；将消除刚体转动位移后的像平面坐标代入共线方程，得到工作状态下变形后风轮叶片的三维坐标；

（8）将工业数字摄像机所拍摄的风轮叶片在静止状态、转动状态下的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系；

（9）计算工作状态下风轮叶片的三维坐标与静止状态下风轮叶片的三维坐标的差值，得到工作状态下风轮叶片各测点的三维位移场；

（10）根据像素划分子区，从三维位移场中取一个局部子区，对子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将该函数作为子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到该子区域中心点处应变值；

（11）将局部子区移动到下一个像素点，重新按步骤（10）计算得到工作状态下风轮叶片变形后的应变值；如此重复直到所有局部子区计算完成，最后得到工作状态下风轮叶片全场应变值。

本发明所述的工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法具有实时性、全场性、非接触式、三维等优点，可得到风轮叶片在工作状态时全场三维位移和应变，可真实反映风轮叶片实际工作中复杂受力下的位移和应变。解决了静态试验测量方法和接触式测量方法中的困难及不足，为风轮叶片损伤破坏机理的研究提供了技术支撑。

具体实施方式

本发明提供了一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，包括以下步骤：

（1）在待测风轮叶片表面喷漆，形成随机散斑点；要求两种漆的颜色对比度要高，一般多用黑白亚光漆，当然别的漆也可以。

（2）选取风电机组轮毂中心为不动标志点，并在每个叶片根部（刚度较大处）分别选取另一个标志点，每个叶片根部的标志点采用不同形状的标志，例如三个叶片分别选用圆形、三角形、正方形等；

（3）在风轮叶片前方选取两个合适的位置架设两台工业数字摄像机。为了能测得三维位移，要求该两个位置到监测点（全场内的任何一个点）的直线是非平行的，即分别从不同角度观测风轮叶片；

（4）根据工业数字摄像机姿态，在风轮叶片扫略面选取适当位置安装标定板。两台工业数字摄像机从不同角度拍摄该标定板，利用双目立体视觉原理对系统进行标定，根据标定板中标定点的已知三维坐标与对应的图像点坐标关系计算两台摄像机的内、外参数；

在摄像测量中，为了从图像中定量提取、测量空间物体的几何信息和运动信息，必须建立图像中像点位置的相互对应关系，而这种对应关系由摄像系统成像模型及摄像机参数决定，因此摄像测量在处理图像信息的同时，还需要摄像机的内外参数。但由于摄像机的光心、光轴和焦距等并不是物理上的实体，是看不见摸不着的，它们更多地是数学分析模型的参数。因此在实施测量之前，通常需要通过实验和计算来确定摄像测量系统的参数，这就是摄像测量系统标定。

摄像测量系统标定的步骤如下：OXYZ坐标为物体的世界坐标系；oxyz坐标系为摄像机的三维坐标系；x′y′坐标系为二维像平面坐标系。点P为空间上的一点，即所需观测的点，它的坐标不仅可以表示为在世界坐标系下的点(X,Y,Z)，而且也可以表示为在摄像机坐标系下的点(x,y,z)，P点成像在像平面p′(x′,y′)点上。

摄像机的三维坐标系和物体的世界坐标系之间的相对关系可以分解成一次绕坐标原点的旋转和一次平移，为旋转矩阵R和平移矩阵T。将世界坐标系XYZ绕X轴旋转一个角度β₁，得到新的三维坐标系X₁Y₁Z₁；将坐标系X₁Y₁Z₁绕Y₁轴旋转一个角度β₂，得到新的三维坐标系X₂Y₂Z₂；将坐标系X₂Y₂Z₂绕Z₂轴旋转一个角度β₃，得到新的三维坐标系X₃Y₃Z₃；将坐标系X₃Y₃Z₃平移到原点(X₀,Y₀,Z₀)的地方，就可以得到最后所需的摄像机的三维坐标系xyz。这样就可以得到空间两个任意三维坐标系统之间的转换关系式：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}X-X_0\\ Y-Y_0\\ Z-Z_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：

r₁=cosβ₂cosβ₃-sinβ₂sinβ₁sinβ₃

r₂=cosβ₁sinβ₃

r₃=sinβ₂cosβ₃+cosβ₂sinβ₁sinβ₃

r₄=-cosβ₂sinβ₃-sinβ₂sinβ₁cosβ₃

r₅=cosβ₁cosβ₃

r₆=-sinβ₂sinβ₃+cosβ₂sinβ₁cosβ₃

r₇=-sinβ₂cosβ₁

r₈=-sinβ₁

r₉=cosβ₂cosβ₁

(X₀,Y₀,Z₀)为投影中心在世界坐标系中的坐标；

旋转矩阵R：

$R=\left[\begin{array}{ccc}{r}_1& r_2& r_3\\ r_4& r_5& r_6\\ r_7& r_8& r_9\end{array}\right]$

平移矩阵T： $T=-R\left[\begin{array}{c}{X}_0\\ Y_0\\ Z_0\end{array}\right]---\left(2\right)$

为了直观地建立几何关系，把摄像机坐标系统xyz平移到像平面坐标系统x′y′的后面，透镜的有效焦距为f。由小孔成像原理和相似三角形关系可得到如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}x\′-x_0=-f\frac{x}{z}\\ y\′-y_0=-f\frac{y}{z}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中的(x₀,y₀)主点坐标，由式（1）和式（3）联立得到：

$\begin{array}{c}x-x_0=-f\frac{r_1(X-X_0)+r_2(Y-Y_0)+r_3(Z-Z_0)}{r_7(X-X_0)+r_8(Y-Y_0)+r_9(Z-Z_0)}\\ y-y_0=-f\frac{r_4(X-X_0)+r_5(Y-Y_0)+r_6(Z-Z_0)}{r_7(X-X_0)+r_8(Y-Y_0)+r_9(Z-Z_0)}\end{array}---\left(4\right)$

在上面的共线方程中，对于每一个数字摄像机来说，需要标定9个参数，其中有一些与摄像机本身性质有关，称之为内参数，包括主点坐标(x₀,y₀)以及摄像机的焦距f；另一些则与摄像机本身性质无关，称之为外参数，包括β₁、β₂、β₃、X₀、Y₀和Z₀。

若已知至少3个地面点的坐标，并测量出相应像点坐标，则可以根据式（4）列出至少6个方程式，求解出摄像机的6个外参数，从而进行系统标定。

（5）完成标定后，工业数字摄像机拍摄初始状态（即静止状态）下的风轮叶片，得到所有测点的像平面坐标。利用预先标定的摄像机的内外参数，将像平面坐标代入共线方程，即可得到初始状态下风轮叶片所有测点的三维坐标；

共线方程的逆算式为：

$\begin{array}{c}X-X_0=(Z-Z_0)\frac{r_{1}x+r_{2}y-r_{3}f}{r_{7}x+r_{8}y-r_{9}f}\\ Y-Y_0=(Z-Z_0)\frac{r_{4}x+r_{5}y-r_{6}f}{r_{7}x+r_{8}y-r_{9}f}\end{array}---\left(5\right)$

由于进行了系统标定，摄像机的内外参数已知，根据两架摄像机所摄的两幅散斑图像，得到同一点在图像中的像平面坐标，记为(x_a,y_a)和(x_b,y_b)，将两个像平面坐标代入式（5）中，并利用最小二乘法，求得该点在世界坐标系中的三维坐标(X,Y,Z)。用上述的方法，对该区域风轮叶片逐个点进行计算，从而得到该区域风轮叶片所有测点的三维坐标。

（6）风电机组工作时，由工业数字摄像机拍摄转动的风轮叶片。根据标志形状，识别风轮叶片。将叶片根部标志点相对轮毂中心不动标志点的位置与初始状态下两标志点的相对位置相比较，确定风轮叶片的刚体转动角度；

假定轮毂中心不动标志点为A点，所拍摄到的风轮叶片根部标志点为B点，转动角度为α：

α=arcsin(d/l)   （6）

式中：

d为风轮叶片转动α角度后根部标志点B向初始状态（静止状态）AB直线所做垂线的长度；

l为轮毂中心标志点A和根部标志点B两点之间的距离。

（7）将（6）中所摄图像绕轮毂中心不动标志点整体反向旋转风轮叶片的刚体转动角度，以消除风轮叶片的刚体转动位移。

设（6）中的所摄图像各测点像平面坐标为(x_i,y_i)，绕轮毂中心不动标志点整体反向旋转风轮叶片的刚体转动角度后的像平面坐标为(x,y)，由三角函数关系：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_i=\arctan (y_i/x_i)\\ x=\sqrt{x_i^2+y_i^2}\cos ({\mathrm{\α}}_i-\mathrm{\α})\\ y=\sqrt{x_i^2+y_i^2}\sin ({\mathrm{\α}}_i-\mathrm{\α})\end{array}---\left(7\right)$

将消除刚体转动位移后的像平面坐标代入共线方程，即可得到工作状态下变形后风轮叶片的三维坐标；

（8）将工业数字摄像机所拍摄的风轮叶片变形前后散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像点对关系（即变形前后同一点的对应关系）；

其中，最大相关系数的计算公式如下：

$C=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[f(x_i,y_i)-{\stackrel{\‾}{S}}_1][g(x_i^{*},y_j^{*})-{\stackrel{\‾}{S}}_2]}{\sqrt{{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[f(x_i,y_i)-{\stackrel{\‾}{S}}_1]}^2}\sqrt{{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[g(x_i^{*},y_i^{*})-{\stackrel{\‾}{S}}_2]}^2}}---\left(8\right)$

这里，f(x_i,y_i)、

分别为变形前后散斑场的光强分布，

分别为它们的算术平均值，n×n为待匹配的两幅图像的大小。

（9）匹配完毕后，计算变形后风轮叶片（工作状态下）三维坐标与变形前风轮叶片（静止状态下）三维坐标的差值，即为工作状态下风轮叶片各测点的三维位移场；

（10）根据像素划分子区，从三维位移场中取一个局部子区，比如一个3×3像素的子区，对子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将该函数作为子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到该子区域中心点处应变值；

（11）将局部子区移动到下一个像素点，重新按步骤（10）计算得到工作状态下风轮叶片变形后的应变值，如此重复直到所有局部子区计算完成，最后得到工作状态下风轮叶片全场应变值。

Claims (1)

1.一种工作状态下风轮叶片全场三维变形在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在待测风轮叶片表面喷漆，形成随机散斑点；

（2）选取风电机组轮毂中心为不动标志点，并在每个叶片根部均选取另一个标志点，每个叶片根部的标志点采用不同形状的标志；

（3）在风轮叶片前方架设两台工业数字摄像机；要求两台工业数字摄像机所在的位置到风轮叶片上任一点的直线是非平行的；

（4）在风轮叶片扫略面上安装标定板；采用两台工业数字摄像机拍摄该标定板，利用双目立体视觉原理对系统进行标定，根据标定板中标定点的已知三维坐标与对应的图像点坐标关系计算两台摄像机的内、外参数；

（5）完成标定后，采用工业数字摄像机拍摄静止状态下的风轮叶片，得到所有测点的像平面坐标。利用预先标定的摄像机的内外参数，将像平面坐标代入共线方程，即可得到初始状态下风轮叶片所有测点的三维坐标；

（6）在风电机组工作时，采用工业数字摄像机拍摄转动的风轮叶片；将叶片根部标志点相对轮毂中心不动标志点的位置与初始状态下两标志点的相对位置相比较，确定风轮叶片的刚体转动角度；

（7）将步骤（6）中所摄图像绕轮毂中心不动标志点整体反向旋转风轮叶片的刚体转动角度，以消除风轮叶片的刚体转动位移；将消除刚体转动位移后的像平面坐标代入共线方程，得到工作状态下变形后风轮叶片的三维坐标；

（8）将工业数字摄像机所拍摄的风轮叶片在静止状态、转动状态下的散斑图像进行匹配，根据最大相关系数确定两幅散斑图像的点对关系；

（9）计算工作状态下风轮叶片的三维坐标与静止状态下风轮叶片的三维坐标的差值，得到工作状态下风轮叶片各测点的三维位移场；

（10）根据像素划分子区，从三维位移场中取一个局部子区，对子区内各点的位移利用最小二乘拟合得到位移函数，将该函数作为子区域中心点处的函数值，对该函数求导得到该子区域中心点处应变值；

（11）将局部子区移动到下一个像素点，重新按步骤（10）计算得到工作状态下风轮叶片变形后的应变值；如此重复直到所有局部子区计算完成，最后得到工作状态下风轮叶片全场应变值。