CN104697488B - 一种平面法线方位角测量方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面法线方位角测量方法及其应用，所述方法包括以下步骤：A.调平激光发射装置，测量其激光基准线的方位角θ；B.启动激光发射装置，向待测平面发射初始激光束，并采集此时待测平面反射的激光信号，获得激光束到待测平面的投射距离s；C.保持激光束水平的同时使之偏转角度η，采集此时待测平面反射的激光信号，获得激光束到待测平面的投射距离l；D.计算投射距离最小时的激光束方向与初始激光束方向之间的夹角β；E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。本发明可简单、有效、准确地获得任意平面的法线方位角。所述方法可应用于调整风力发电机的风向标基准轴线，为风机数据分析、优化提供必要的数据支撑。

Description

一种平面法线方位角测量方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种平面法线方位角测量方法及其应用。

背景技术

方位角又称地平经度，是从某点的指北方向线起，依顺时针方向到目标方向线之间的水平夹角。风力发电机的风向标基准轴线指向与叶轮旋转平面法线平行，对风力机准确对风尤其关键。因此，准确调整风向标基准轴线则需要准确测定叶轮旋转平面的法线的方位角。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面法线方位角测量方法，使其能够准确测定任意平面法线方位角，简单有效。

本发明的再一个目的是提供所述平面法线方位角测量方法在风力发电机的风向标基准轴线调整中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种平面法线方位角测量方法，包括以下步骤：A.调平激光发射装置，测量其激光基准线的方位角θ；B.启动激光发射装置，向待测平面发射初始激光束，并采集此时待测平面反射的激光信号，获得初始激光束到待测平面的投射距离s；C.保持激光束水平的同时使之偏转角度η，采集此时待测平面反射的激光信号，获得偏转后的激光束到待测平面的投射距离l；D.通过下式计算投射距离最小时的激光束方向与初始激光束方向之间的夹角β：

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

进一步地，所述步骤A中的方位角θ通过电子罗经测量获得。

进一步地，所述步骤C中的激光偏转是通过与所述激光发射装置连接的偏转镜旋转实现的。

进一步地，所述步骤C中的激光偏转是通过步进电机驱动所述激光发射装置实现的。

进一步地，所述步骤B和C中激光束到待测平面的投射距离是通过距离传感器测得。

进一步地，当待测平面处于电磁干扰区时，所述步骤A中的方位角θ通过如下方式校正：先在非电磁干扰区获得激光基准线的方位角θ₀，再到待测平面所处的电磁干扰区放置激光发射装置并调平后，测量激光发射装置位移产生的角度α，则校正后方位角θ＝θ₀+α。

进一步地，所述激光发射装置位移产生的角度α通过电子陀螺仪测量获得。

所述的测量平面法线方位角的方法的应用，用于通过测量滑环断面的法线的方位角，并将其值作为叶轮旋转平面的轴线方位角值来调整风力发电机的风向标基准轴线。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)可简单、准确、有效地获得任意平面的法线方位角。

(2)平面法线方位角测量装置，可避免环境中电气设备磁场的干扰，并且实现测量过程自动化，最大限度降低人为因素影响及提高生产效率。

(3)应用于风力发电机，通过测量滑环断面的方位角，可以准确获得叶轮旋转平面的轴线方位角，为风机数据分析、优化提供必要的数据支撑。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是平面法线方位角测量系统结构示意图。

图2是本发明的平面法线方位角测量方法的原理图。

图3是待测平面法线在水平面投影线oc的确定过程示意图。

具体实施方式

本发明一种平面法线方位角测量方法，包括以下步骤：A.调平激光发射装置，测量其激光基准线的方位角θ；B.启动激光发射装置，向待测平面发射初始激光束，并采集此时待测平面反射的激光信号，获得初始激光束到待测平面的投射距离s；C.保持激光束水平的同时使之偏转角度η，采集此时待测平面反射的激光信号，获得偏转后的激光束到待测平面的投射距离l；D.通过下式计算投射距离最小时的激光束方向与初始激光束方向之间的夹角β：

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

当待测平面处于电磁干扰区时，步骤A中的方位角θ通过如下方式校正：先在非电磁干扰区获得激光基准线的方位角θ₀，再到待测平面所处的电磁干扰区放置激光发射装置并调平后，测量激光发射装置位移产生的角度α，则校正后方位角θ＝θ₀+α。

请参阅图1所示，本发明的平面法线方位角测量方法可通过以下形式的测量系统实现。测量系统包括具有调平装置的支架，所述支架上安装有主机系统，主机系统包括控制装置、分别与控制装置连接的激光发射装置、激光偏转装置、反射光接收装置、电子罗经、电子陀螺仪以及水平仪。主机系统可配置壳体、实体按键及显示屏等，并采用可充电电池为各部件供电。

具体而言，各部件功能如下：

激光发射装置：发射激光脉冲。

激光偏转装置：改变激光传输方向，将转动角度数据回传给控制装置。

反射光接收装置：接收反射激光脉冲。

电子罗经：测量激光发射装置的激光基准线(未经偏转的初始激光方向)的方位角，与控制装置通讯，回传方位角测量结果。安装时，电子罗经与激光发射装置的基准线平行即可。

电子陀螺仪：测量设备移动造成的激光发射装置产生的偏转角度α，即初始激光束的方位角偏转角度α。

支架通过可伸缩支撑杆调平，并由水平仪(优选电子水平仪)显示是否调成水平。

控制装置：控制激光偏转装置动作、接收并处理激光偏转装置偏转角度数据、控制激光发射装置、处理反射光接收装置信号并得出距离读数、处理电子陀螺仪测量数据、控制显示屏输出、计算待测平面法线方位角、记录测量时间及测量结果、与PC及电子罗经通信。

上述测试系统中，可增加激光束如设置多个激光发射装置实现高精度距离测量，从而提高整套装置的测量精度；偏转装置可设置为偏转镜，也可以替换为其他偏转光束的方案，如通过步进电机驱动激光发射装置转动，或者驱动整套装置转动。反射光接收装置可采用距离传感器。进一步地，还可以增加GPS定位装置，记录当前测量位置及测量时间。

请配合参阅图2所示，设置测试系统的参考坐标系oxyz(直角坐标系)，其中y轴与未偏转的激光束重合，xy平面与水平面平行，激光偏转装置采用偏转镜，偏转镜可以绕z轴旋转。

应用上述的系统测量平面法线方位角，测量过程如下：

1)当待测平面所在地点电磁干扰较大时，先在弱/无电磁干扰环境下调平支架，激光发射装置被调平，其发射的初始激光束oa(未经偏转的激光束射向)为水平向，由电子罗经测得oa的方位角θ，然后移动设备到待测平面所在地点并调平。由于设备移动oa线偏转了角度α(由电子陀螺仪测得)，此时oa与y轴重合(即od线)。计算待测平面法线在xy平面的投影线oc与od的夹角β，则待测平面法线的方位角γ＝θ+α+β。

2)当待测平面所在地点无电磁干扰，或电磁干扰较弱时，由于y轴与未偏转的激光束重合，设备调平后直接测量图中y轴方位角θ，计算待测平面法线在xy平面的投影线oc与y轴的夹角β，则待测平面法线的方位角γ＝θ+β。

上述过程中，夹角β的推算过程如下：

如图2中所示，od线为激光初始发射方向，其投射距离等于od线长度(即前式中s)，旋转一个给定的角度η后，ob线为激光发射方向，其投射距离等于ob线长度(即前式中l)，设待测平面法线在xy平面上投影oc线(即最短距离线)与od线的夹角为β，

根据od与ob在oc线上的投影相等(都等于oc)，则有：

根据三角函数和差化积公式：

合并同类项：

因此，

上述过程中，oc线(即最短距离线)是待测平面法线在xy平面上投影，相关证明如下：

如图3所示，建立两套右手直角坐标系，分别为测试装置坐标系oxyz，待测平面坐标系cx2y2z2。其中oxyz坐标系x轴为未经偏转镜偏转的激光束传播方向，x，y平面与水平面平行。待测平面坐标系的y2轴为待测平面与测试装置坐标系xy平面的相交线。两套坐标系原点连线oc与y2垂直。

因为z2与y2垂直，oc连线与y2垂直，所以y2是oc，z2轴所确定平面的法线。又因为过c，只有一个平面与y2垂直，且x2z2与y2垂直，所以oc在x2z2平面内。

因为xy平面过x2z2平面法线，即y2，所以x2z2平面与xy平面垂直。又因为xy平面与水平面平行，所以x2z2平面与水平面垂直。

因此，根据投影线的定义，oc是x2轴在水平面上的投影。

本发明所述的平面法线方位角测量方法应用于风力发电机，可通过准确测量滑环断面的法线的方位角，将其值作为叶轮旋转平面的轴线方位角值，并据此调整风力发电机的风向标基准轴线，从而为风机数据分析、优化提供必要的数据支撑。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种平面法线方位角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.调平激光发射装置，测量其激光基准线的方位角θ；

B.启动激光发射装置，向待测平面发射初始激光束，并采集此时待测平面反射的激光信号，获得初始激光束到待测平面的投射距离s；

C.保持激光束水平的同时使之偏转角度η，采集此时待测平面反射的激光信号，获得偏转后的激光束到待测平面的投射距离l；

D.通过下式计算投射距离最小时的激光束方向与初始激光束方向之间的夹角β：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{s-lcos\mathrm{\η}}{lsin\mathrm{\η}}\right)$

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

2.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，所述步骤A中的方位角θ通过电子罗经测量获得。

3.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，所述步骤C中的激光偏转是通过与所述激光发射装置连接的偏转镜旋转实现的。

4.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，所述步骤C中的激光偏转是通过步进电机驱动所述激光发射装置实现的。

5.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，所述步骤B和C中激光束到待测平面的投射距离是通过距离传感器测得。

6.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，当待测平面处于电磁干扰区时，所述步骤A中的方位角θ通过如下方式校正：先在非电磁干扰区获得激光基准线的方位角θ₀，再到待测平面所处的电磁干扰区放置激光发射装置并调平后，测量激光发射装置位移产生的角度α，则校正后方位角θ＝θ₀+α。

7.根据权利要求6所述的平面法线方位角测量方法，其特征在于，所述激光发射装置位移产生的角度α通过电子陀螺仪测量获得。

8.一种调整风力发电机的风向标基准轴线的方法，其应用权利要求1-7任一项所述的测量平面法线方位角的方法，其特征在于，用于通过测量滑环断面的法线的方位角，并将其值作为叶轮旋转平面的轴线方位角值来调整风力发电机的风向标基准轴线。