CN104697489A - 一种平面法线方位角测量装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面法线方位角测量装置、方法及应用，所述装置包括可调平支架，安装于所述支架上的主机系统，所述主机系统包括激光发射装置，偏转装置，反射光接收装置，电子罗经以及控制装置，控制装置连接并控制激光发射装置和偏转装置，同时连接并接收所述反射光接收装置、电子罗经的测量信号，并计算待测平面的平面法线方位角。所述方法利用沿水平方向向待测平面发射激光束，通过将激光投射距离最小时刻的激光束为待测平面法线在水平面内的投影，可准确获得任意平面的法线方位角。所述方法及装置应用于风力发电机，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。

Description

一种平面法线方位角测量装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及一种平面法线方位角测量装置、方法及应用。

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

本发明的一个目的是提供一种平面法线方位角测量装置，使其能够简单、准确、有效地测定任意平面法线方位角。

本发明的又一个目的是提供应用上述装置测量平面法线方位角的两种方法。

本发明的再一个目的是提供所述平面法线方位角的两种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装置，包括可调平支架，安装于所述支架上的主机系统，所述主机系统包括：激光发射装置，用于发射激光束；偏转装置，与所述激光发射装置连接，用于改变激光束发射方向；反射光接收装置，用于通过接收激光反射信号计算激光束的投射距离；电子罗经，用于测量激光发射装置的激光基准线的方位角；以及控制装置，连接并控制激光发射装置和偏转装置，同时连接并接收所述反射光接收装置、电子罗经的测量信号，并计算待测平面的平面法线方位角。

进一步地，还包括用于显示支架是否调平的水平仪。

进一步地，还包括用于记录当前测量位置及时间的GPS定位装置。

进一步地，所述主机系统外部设有壳体，所述壳体上设有与控制装置连接的显示屏。

进一步地，所述偏转装置为偏转镜或可驱动所述激光发射装置转动的步进电机。

进一步地，所述反射光接收装置为距离传感器。

进一步地，所述激光发射装置为多个。

应用所述的装置测量平面法线方位角的一种方法，包括以下步骤：A.调平所述支架，测量激光发射装置激光基准线的方位角θ；B.启动激光发射装置，向待测平面发射激光束，通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转不同角度；C.采集待测平面反射的激光信号，获得不同偏转角度下激光束到待测平面的投射距离；D.找出当投射距离最小时对应的初始激光束的偏转角度β；E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

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初始激光束的方位角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，所述角度α通过电子陀螺仪测量。

应用所述的装置测量平面法线方位角的另一种方法，包括以下步骤：A.调平所述支架，测量激光发射装置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.通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转角度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：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{s-l\cos }{l\sin \mathrm{\η}}\right)$

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

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初始激光束的方位角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，所述角度α通过电子陀螺仪测量。

所述的两种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是本发明的平面法线方位角测量装置结构示意图。

图2是待测平面法线在水平面投影线oc的确定过程示意图。

图3是测量平面法线方位角的第一种方法原理图。

图4是测量平面法线方位角的第二种方法原理图。

具体实施方式

本发明提供了一种平面法线方位角测量装置，包括可调平支架，安装于所述支架上的主机系统，所述主机系统包括：激光发射装置，用于发射激光束；偏转装置，与所述激光发射装置连接，用于改变激光束发射方向；反射光接收装置，用于通过接收激光反射信号计算激光束的投射距离；电子罗经，用于测量激光发射装置的激光基准线的方位角；以及控制装置，连接并控制激光发射装置和偏转装置，同时连接并接收所述反射光接收装置、电子罗经的测量信号，并计算待测平面的平面法线方位角。

上述测量装置中，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，还可以增加电子陀螺仪，用于测量由于测量装置位移使激光发射装置基准线产生的偏转角度α；可以增加GPS定位装置，记录当前测量位置及测量时间；可以增加显示支架是否调平的水平仪，优选电子水平仪。

作为优选的具体实施例，请参阅图1所示，本发明的平面法线方位角测量装置包括具有调平装置的支架，安装在支架上的主机系统，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、偏转镜、反射光接收装置、电子陀螺仪、电子罗经以及水平仪。主机系统配置壳体、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。

偏转镜：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(未经偏转镜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初始激光束方向的偏转角度α。

支架通过可伸缩支撑杆调平，并由水平仪显示是否调成水平。

控制装置：控制偏转镜动作、接收并处理偏转镜转角数据、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。

本发明还提供了应用上述的装置测量平面法线方位角的方法，包括以下步骤：A.调平所述支架，测量激光发射装置激光基准线的方位角θ；B.启动激光发射装置，向待测平面发射激光束，通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转不同角度；C.采集待测平面反射的激光信号，获得不同偏转角度下激光束到待测平面的投射距离；D.找出当投射距离最小时对应的初始激光束的偏转角度β；E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

具体而言，请配合参阅图3所示，设置测试装置的参考坐标系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，偏转镜可以绕z轴旋转。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。测出待测平面法线在xy平面的投影线oc(偏转后的激光束射向)与y轴的夹角β(受偏转镜控制)，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，设备调平后直接测量图中y轴方位角θ，测出待测平面法线在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，找到待测平面法线在xy平面上投影oc线的过程如下：

激光束经偏转在待测平面沿着一条直线段ef扫描。由于偏转镜绕z轴旋转，ef在xy平面内。通过距离传感器测得oc线长度最短(oc垂直于ef)，则oc线就是待测平面法线在水平面上的投影。相关证明如下：

如图2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。

请参阅图4所示，利用所述测量装置还可通过以下方法获得待测平面的法线方位角，具体而言，包括如下步骤：A.调平所述支架，测量激光发射装置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.通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转角度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：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{s-l\cos }{l\sin \mathrm{\η}}\right)$

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

同样地，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初始激光束的方位角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。

上述夹角β的推算过程如下：

如图4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(即上式中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(即上式中l)，设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：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{od}}\cos \mathrm{\β}=\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\cos (\mathrm{\β}-\mathrm{\η})$

根据三角函数和差化积公式：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{od}}\cos \mathrm{\β}=\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}(\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\η}+\sin \mathrm{\η}\cos \mathrm{\β})$

合并同类项：

$(\stackrel{\‾}{\mathrm{od}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\cos \mathrm{\η})\cos \mathrm{\β}=\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\sin \mathrm{\η}\sin \mathrm{\β}$

$\tan \mathrm{\β}=\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{od}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\cos \mathrm{\η}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\sin \mathrm{\η}}\right)$

因此，

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{od}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\cos \mathrm{\η}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{ob}}\sin \mathrm{\η}}\right)$

上述的平面法线方位角测量装置及方法，应用于风力发电机，可通过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 (15)

1.一种平面法线方位角测量装置，其特征在于，包括可调平支架，安装于所述支架上的主机系统，所述主机系统包括：

激光发射装置，用于发射激光束；

偏转装置，与所述激光发射装置连接，用于改变激光束发射方向；

反射光接收装置，用于通过接收激光反射信号计算激光束的投射距离；

电子罗经，用于测量激光发射装置的激光基准线的方位角；

以及控制装置，连接并控制激光发射装置和偏转装置，同时连接并接收所述反射光接收装置、电子罗经的测量信号，并计算待测平面的平面法线方位角。

2.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，还包括用于显示支架是否调平的水平仪。

3.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，还包括用于记录当前测量位置及时间的GPS定位装置。

4.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，所述主机系统外部设有壳体，所述壳体上设有与控制装置连接的显示屏。

5.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，所述偏转装置为偏转镜或可驱动所述激光发射装置转动的步进电机。

6.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，所述反射光接收装置为距离传感器。

7.根据权利要求1所述的平面法线方位角测量装置，其特征在于，所述激光发射装置为多个。

8.应用权利要求1-7任一项所述的装置测量平面法线方位角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.调平所述支架，测量激光发射装置激光基准线的方位角θ；

B.启动激光发射装置，向待测平面发射激光束，通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转不同角度；

C.采集待测平面反射的激光信号，获得不同偏转角度下激光束到待测平面的投射距离；

D.找出当投射距离最小时对应的初始激光束的偏转角度β；

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

9.根据权利要求8所述的测量平面法线方位角的方法，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初始激光束的方位角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。

10.根据权利要求9所述的测量平面法线方位角的方法，其特征在于，所述角度α通过电子陀螺仪测量。

11.应用权利要求1-7任一项所述的装置测量平面法线方位角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.调平所述支架，测量激光发射装置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.通过偏转装置使激光束保持水平的同时偏转角度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：

$\mathrm{\β}={\tan }^{-1}\left(\frac{s-l\cos \mathrm{\η}}{l\sin \mathrm{\η}}\right)$

E.根据γ＝θ+β计算待测平面法线的方位角γ。

12.根据权利要求11所述的测量平面法线方位角的方法，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初始激光束的方位角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。

13.根据权利要求12所述的测量平面法线方位角的方法，其特征在于，所述角度α通过电子陀螺仪测量。

14.权利要求8-10任一项所述的测量平面法线方位角的方法的应用，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。

15.权利要求11-13任一项所述的测量平面法线方位角的方法的应用，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。