CN110914534B - 一种记录飞行动物与风力涡轮机碰撞的系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是一种记录飞行动物(9)与风力涡轮机(1)的碰撞并指示飞行动物(9)的坠落点的系统，所述系统包括一风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)由一塔架(2)、一机舱(3)、一具有叶片(5)的转子(4)组成；和一传感器单元，所述传感器单元由传感器(6)和传感器外围设备组成，其特征在于安装在风力涡轮机(1)的机舱(3)和/或塔架(2)上的传感器(6)为LIDAR传感器或者3D光场摄像机或者3D雷达，用于扫描传感器(6)的视场(7)中的风力涡轮机(1)周围的空间。本发明的目的也是上述系统的应用方法，用于记录飞行动物(9)和风力涡轮机(1)的碰撞、指示飞行动物(9)的坠落点和系统的应用。

Description

一种记录飞行动物与风力涡轮机碰撞的系统及其应用

技术领域

本发明的主题是一种记录飞行动物与风力涡轮机的碰撞并识别飞行动物坠落点的系统、所述系统在记录飞行动物与风力涡轮机碰撞中的应用以及使用所所述系统记录飞行动物与风力涡轮机碰撞的方式。

背景技术

鸟类或蝙蝠等飞行动物可能会与风力涡轮机相撞，尤其会与带有旋转叶片的风力涡轮机碰撞。这样的碰撞受害者是与风力涡轮机产生碰撞的动物或由于气压性创伤而遭受持续伤害的动物，所述气压性创伤是由于风力涡轮机的旋转叶片的区域中的压力差而对呼吸道造成的伤害。因此，需要一种系统，所述系统使我们能够识别与风力涡轮机发生的动物碰撞并识别动物的坠落点，以便监视碰撞次数或为受伤的动物提供帮助，等等。

在现有技术中，还有其他记录设备，如US 2011192212 Al，这些记录设备通过记录由于撞击动物的身体而在转子叶片中产生的声波，来记录风力涡轮机的叶片撞击飞行动物。所述设备能够精确记录飞行动物与风力涡轮机之间的碰撞次数。

相比之下，US 2013050400 A1提出了一种设备，所述设备使用摄像机记录飞行中的动物，并基于摄像机的图片改变风力涡轮机的工作。

在现有技术中，还存在扫描风力涡轮机周围区域的设备，在所述设备记录到风力涡轮机附近有飞行动物之后，关闭风力涡轮机(JP 2009257322)。

Mehmet Hanagasioglu等人的专利公开：“在Calandawind涡轮机上对DTBat和DTBird系统的蝙蝠和鸟类探测有效性的研究”(“Investigation of the effectivenessof bat and bird detection of the DTBat and DTBird systems at Calandawindturbine”)提出了一种激光测距仪的应用，所述测距仪位于地面上(风力涡轮机外部)，观看者可以手动测量鸟类在空中的位置，以定义鸟类相对于风力涡轮机的位置。

Pan Dey A等人的专利公开：“开发一种经济有效的系统来监视风力涡轮机的鸟和蝙蝠碰撞-第一阶段：传感器系统可行性研究”(“Development of a cost-effectivesystem to monitor wind turbines for bird and bat collisions-phase1:sensorsystem feasibility study”)(加州能源委员会，公益性能源研究项目中下属的与能源有关的环境研究)中提出了一种风力涡轮机和光纤传感器的系统，可以间接记录撞到转子叶片的物体的坐标。为了使所述系统在上述发明中可行，应当连续地监测叶片相对于基点的位置，并且应当知道设有传感器的叶片的长度。这种类型的传感器根据记录振动的原理记录动物与叶片碰撞的情况。因此，可以将动物的位置读取为3D空间中的辅助数据。但是，传感器无法监视动物的轨迹，因此无法定位碰撞后动物的坠落点。

此技术方案的发明者在以注册号P.416126申请的先前专利中提出了一种设备，用于记录飞行动物与风力涡轮机的碰撞并指示飞行动物坠落点，所述设备设有至少两个传感器，这两个传感器周向地安装在风力涡轮机塔架的至少两个高度上，并且传感器通过有线或无线的数据传输与控制和记录单元通信。所述技术方案中描述的传感器包括激光传感器、光电测距仪、空间扫描仪等。所述设备可通过在空间中上传至少两个坐标来记录动物飞行的轨迹：通过上部传感器、下部传感器，并通过控制和记录单元处理读数以定义与转子叶片碰撞后动物的轨迹，并确定其撞击地面的位置。

发明内容

本发明的目的是一种记录飞行动物与风力涡轮机的碰撞并指示飞行动物坠落点的系统，所述系统包括：

·一风力涡轮机，其由塔架，机舱和具有叶片的转子组成，

·一传感器系统，其由传感器单元和外围设备组成，

其特征在于，所述传感器安装在风力涡轮机机舱和/或风力涡轮机塔架上，并且所述传感器是LIDAR传感器或3D光场摄像机或3D雷达，这些传感器在其视场中扫描风力涡轮机周围的空间。

优选地，传感器安装在风力涡轮机机舱上并且具有180°的水平视场。

优选地，传感器安装在风力涡轮机塔架上并且具有360°的水平视场。

优选地，传感器是激光雷达传感器。优选地，传感器是雷达。同样优选地，传感器是3D光场摄像机。

优选地，传感器范围是大约300m。

优选地，所述系统的特征在于，其另外包括一个或多个传感器，所述传感器以这样的方式安装在风力涡轮机机舱和/或风力涡轮机塔架上，使得一个传感器和另外的传感器通过有线或无线通信彼此通信，并且涵盖单个传感器的多个视场。

优选地，传感器安装在转子叶片工作范围以下、风力涡轮机塔架上。

优选地，所述系统另外包括至少一个设备，用于记录坠落动物的图像。

优选地，记录设备是视频摄像机、夜视摄像机、热成像摄像机、照相机。

本发明的目的还在于使用上述系统来记录飞行动物与风力涡轮机的碰撞的方法，所述方法包括通过传感器跟踪动物与风力涡轮机的任何部分碰撞后，特别是与叶片碰撞后的坠落动物的轨迹。所述传感器特征在于，一旦动物进入传感器的视野，直到其坠落到地面之前，传感器会连续监视其视野范围内的3D空间中坠落动物的坐标和速度。

本发明的目的还在于上述系统的应用，所述系统用于记录飞行动物与风力涡轮机的碰撞并指示飞行动物坠落点。

在现有技术中已知的技术方案和本发明的技术方案之间的根本区别在于，使用传感器扫描风力涡轮机以及系统的结构附近的3D空间，其中，按顺序收集有关坠落动物坠落点的数据是不需要使用至少两个传感器的(首先是上部传感器，然后是下部传感器)。

通过使用3D空间扫描传感器来实现本发明，并且基于这种类型的传感器的操作原理，仅一个这样的传感器应足以确保本发明的有效操作。为了实现本发明的目的，与第一传感器集成在一起的另一传感器的应用不是必须满足的强制性标准，但是，就传感器的“视场”而言，另一传感器可以用于扩大覆盖风力涡轮机周围的3D空间。多个传感器可以集成在一起，以确保风力涡轮机周围3D空间的最广泛覆盖-在这种情况下，我们可以讨论多个视场。多个视场由几个传感器的视场范围组成。术语“多个视场”包括传感器的重叠和不重叠的视场。

专家的日常任务范围应包括调整传感器的数量及其在风力涡轮机上的位置，以获得风力涡轮机周围3D空间的最佳覆盖范围。

根据本发明，作为系统中一部分的，能够连续扫描3D空间的传感器是市面上可买到的传感器。这样的传感器可以是LIDAR传感器，这样的传感器组选自以下几种传感器组成的组，这几种传感器具有最小180°的水平视场，和允许在风力涡轮机机舱和路基之间进行扫描的探测范围，例如：Quanergy M8-1、Velodyne VLS-128、Velodyne HDL-64、VelodyneHDL-32、Velodyne VLP-32C和Velodyne VLP-16。这样的传感器也可以是3D光场摄像机-3D成像摄像机(例如Raytrix 3D光场)。这样的传感器也可以是短程雷达，例如：Echodyne、SiRad Easy。

传感器可以安装在任何风力涡轮机上。

在本发明的实施例的优选示例中，使用了Velodyne VLS-128传感器。它是水平视场为360°，垂直视场为40°的激光雷达传感器。然而，本发明还提供了具有以其他视场参数为特征的其他激光雷达传感器的应用。单个传感器的记录区域越宽，球面越广，则系统中需要安装的传感器数量就越少。

专家应该负责挑选合适的传感器，以实现本发明的目的。根据传感器的特征，例如，视场参数和风力涡轮机参数，例如其高度，以覆盖风力涡轮机周围的合适3D空间，选择可以通过集成来实现本发明的合适的一个传感器或多个传奇。

传感器的挑选基于以下特征：

-风力涡轮机的参数，例如：它的高度；

-传感器的视场；

-风力涡轮机的底基(土地，水)；

-白天监控或昼夜监控

如上所述，优选地，所述系统可以包括附加组件，例如：夜视摄像机、红外摄像机、照相摄像机，其优选地安装在风力涡轮机机舱上并且通过传感器记录事件来接通。附加组件的目的是获得与坠落物体有关的数据，而不是由一个或多个传感器记录的数据，例如颜色或形状，以确定碰撞对象是哪种动物。作为本发明主题的系统优选地可以包含上述组件之一或将与传感器集成在一起或不与传感器集成在一起的组件中的几个。

由于与风力涡轮机转子叶片的碰撞或气压伤而跌落至地面而导致动物死亡或受伤的动物。所述系统通过传感器记录动物轨迹的坐标来记录其坠落，所述传感器记录3D空间中的对象坐标，并将轨迹的参数记录在传感器的内存中。对动物轨迹的坐标的分析使得能够确定动物的坠落点，所述位置是动物在空间中停止移动并且其迅速改变飞行速度的位置。由于数据传输天线与传感器集成在一起，因此可以从传感器读取和传输数据以及校准数据。可以通过电池或外部能源为传感器供电。可以使用单个传感器，也可以通过有线或无线通信连接多个传感器。如果使用多个传感器，则可以将这些传感器与中央计算机集成在一起，所述中央计算机分析从所有传感器获得的数据。在这种情况下，天线与计算机集成在一起。

传感器的外围设备构成了传感器的标准配件，可以在市面上买到，或者也可以由专家选择以进行传感器的正确操作。随传感器一起提供了控制传感器操作的软件，并对所述软件进行了调整，以收集和分析实现本发明所需的数据。

所述传感器可以记录3D空间中动物飞行的坐标。因为地面和传感器之间的距离是已知的，所以如果知道有关动物飞行轨迹的信息以及其速度和空间位置坐标，则可以区分存活的动物与死亡或受伤的动物，因为死或受伤的动物与存活的动物的速度和飞行方向不同。

根据本发明的方法使得能够连续记录坠落动物的轨迹，也就是说，所述系统实现了根据本发明的方法，不需要顺序地收集关于坠落动物位置的数据的两个或更多个传感器，例如首先是上部传感器，然后是下部传感器，和其他传感器(如果包含在系统中)。本发明可以仅通过使用单个传感器来实现，单个传感器就能够连续记录坠落动物的轨迹，即，它代替了两个或更多个传感器并且不参与顺序的数据读取。出于例如可见性差和检测范围末端的技术原因，读数将无法连续进行，并且所记录的飞行动物轨迹的图像将显示不规则长度的虚线。此类情况不能视为顺序读取。

因为根据本发明的系统由已知的组件组成，并且本发明的本质并不会由于它们的连接而产生显而易见的效果，所以通过参考所述组件来进行特性描述。例如，风力涡轮机是任何运行的风力涡轮机，并且如上所述，传感器单元是在市面上可获得的，配备有满足本发明的实现标准的外围设备的任何传感器。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

-有可能记录气压伤的受害者-与专利US 2011192212 A1和光纤传感器类型不同；

-有可能监视蝙蝠和鸟类碰撞风力涡轮机的次数-与专利US 2013050400 A1，JP2009257322，DTBat和DTBird系统不同；

-减少了传感器数量-与正在申请专利P.416126不同。

为了更好地理解本发明的思想，为实现本发明所必需的一个传感器标有数字6，而与传感器6集成在一起的任何其他传感器标有6a。这意味着第二个传感器标记为6a，且任何下一个传感器，例如：第三和第四传感器也标记为6a。

传感器6的视场(水平和垂直视场)分别都标记为数字7，标记7对应传感器6，标记7a对应其他集成的传感器6a。

附图说明

系统元件的以下名称已用于描述本发明实现的附图和示例：

1-风力涡轮机

2-塔架

3-机舱

4-转子

5-转子叶片

6/6a-传感器

7/7a-传感器6/6a的视场；

8-动物

9-与风力涡轮机1碰撞后动物8的轨迹

10-动物的飞行方向

图中表示了本发明，其中：

图1示出了根据本发明的系统的侧视图，其中传感器6/6a处于可见位置。

图2示出了根据本发明的系统的优选变型，其中所述系统包括一个传感器6，所述传感器6安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方。

图3表示根据本发明的系统的优选变型，其中所述系统包括安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方的五个传感器6、6a。

图4表示根据本发明的系统的优选变型，其中所述系统包括安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方的四个传感器6、6a。

图4a表示根据本发明的系统的优选变型中的，在风力涡轮机1的机舱3的底板下方的传感器6、6a的位置，其中所述系统包括安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方的四个传感器6、6a。

图5表示根据本发明的系统的优选变型，其中所述系统包括三个传感器6、6a，一个传感器6、6a安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方，而两个传感器6安装在风力涡轮机1的塔架2上。

图6表示根据本发明的系统的优选变型，其中所述系统包括安装在风力涡轮机1的塔架2上的三个传感器6、6a。

图6a示出了根据本发明的系统的优选变型的传感器6、6a在风力涡轮机1的塔架2上的位置，其中所述系统包括安装在风力涡轮机1的塔架2上的三个传感器6、6a。

图7示出了方案，所述方案示出了当动物9与风力涡轮机1碰撞时根据本发明的处理方法。

具体实施方式

以下实施例提供了本发明的特定实施方案。实施例显示了根据本发明的代表性系统，然而这些实施例不会限制本发明。专家的例行任务范围应包括应用本领域的常识和以下示例和制定出另一个系统的整套说明，但是，在已注册系统的框架内，上述这几个例行任务范围就应能够实现本发明的目的。

实施例1

水平视场7为360°，垂直视场7为40°，工作范围0-300m的传感器6(型号VelodyneVLS-128)已以如下方式安装在风力涡轮机1机舱3的底板下方，使得传感器6的视场7的轴线垂直于风力涡轮机1的塔架2的垂直轴。传感器6记录其视场中的物体，所述物体低于风力涡轮机1的机舱3的底板的高度且高于地面的高度。实施例1如图2所示。

实施例2

五个传感器6、6a(型号Velodyne VLS-128)的水平视场7为360°，垂直视场7为40°，工作范围0-300m，五个传感器彼此靠近的安装在风力涡轮机1机舱3的底板下方，以这种方式安装的多个传感器，其垂直视场7的总和为360°。传感器组6、6a记录其视场7a中物体，所述物体低于风力涡轮机1的机舱3的底板的高度并且高于地面的高度。实施例2在图3中给出。

实施例3

在风力涡轮机1的机舱3的底板下安装了四个传感器6、6a(型号Velodyne VLS-128)，它们的水平视场7为360°，垂直视场7为40°，工作范围为0-300m，第一个传感器位于风力涡轮机1的转子4的侧面，第二个传感器位于风力涡轮机1的机舱3的后壁，第三个传感器位于风力涡轮机1的塔架2的左侧，第四个传感器位于风力涡轮机1的塔架2的右侧，这种设置方式使得所有传感器6、6a的视场7的轴线垂直于风力涡轮机1的塔架2的垂直轴线，并且第三和第四传感器6a的视场7的轴线垂直于风力涡轮机1的转子4的轴线。传感器6、6a记录在其视场7a中的物体。所述物体低于风力涡轮机1的机舱3的底板的高度水平并且高于地面的高度。实施例3如图4和4a所示。

实施例4

三个传感器6、6a(型号Velodyne VLS-128)的水平视场7为360°，垂直视场7为40°，工作范围为0-300m，其安装如下：一个传感器位于风力涡轮机1的机舱3的底板下方，这样可使传感器6的视场7的轴线垂直于风力涡轮机1的塔架2的垂直轴线，两个传感器6a设置在风力涡轮机1的塔架2上，在距地面10m的高度水平上，彼此之间的夹角为180°，以使每个传感器6a的视场7的轴线平行于风力涡轮机1的塔架2的垂直轴线。传感器6、6a以下述的方式记录在其视场7a中的物体：安装在风力涡轮机1的机舱3的底板下方的传感器6记录低于风力涡轮机1的机舱3的底板高度和高于地面高度的物体；安装在风力涡轮机1的塔架2上的传感器6a记录风力涡轮机1的塔架2周围300m的物体，从而随着与塔架2的距离增加，垂直视场7的高度也增加。两个传感器6a的应用可防止由风力涡轮机1的塔架3造成的盲点的出现。实施例4如图5所示。

实施例5

三个安装在风力涡轮机1的塔架2上的传感器6、6a(型号Velodyne VLS-128)，水平视场7为360°，垂直视场7为40°，工作范围0-300m，高度为在地面以上15m处，彼此之间的夹角为120°，这种方式能使三个传感器6、6a中的每个传感器的视场7的轴线平行于风力涡轮机1的塔架2的垂直轴线。一组传感器6、6a在其视场7a中记录对象，在这种方式下，传感器6、6a在可以记录到风力涡轮机1的塔架2周围至多300m的对象，从而随着与塔架2的距离增加，垂直视场的高度也增加。三个传感器6，6a的应用可防止由风力涡轮机1的塔架2造成的盲点的出现。实施例5如图6和6a所示。

实施例6

所述系统记录动物9的轨迹并以以下方式识别动物的坠落点。如果将LIDAR传感器用作传感器6，则LIDAR传感器发出的光束在途中遇到动物9的身体时会返回LIDAR接收器。在发射光束和返回光束之间的时间能够获得关于记录的动物9在空间中的位置的数据。物体离LIDAR传感器越远，从物体反射的光束返回的时间就越长。以此方式获得的数据允许重建动物9飞行轨迹11并读取其飞行速度和方向10。一旦死亡动物掉落到地面，它就会迅速失去速度，这使其与活着的动物不同，活着的动物必须缓慢降低其速度并改变飞行方向10，以免撞到地面。如果将3D光场摄相机用作传感器，则基于对从记录场景的单点到达传感器的记录光线的方向的分析，来记录动物9相对于传感器6的位置。结果，产生包含关于从动物9到传感器6的距离的信息的图像。如果将雷达用作传感器6，则测量信号发射和信号接收之间的时间来实现动物9位置的记录。实施例6如图7所示。

Claims (9)

1.一种记录飞行动物与风力涡轮机(1)的碰撞并指示所述飞行动物坠落点的系统，所述系统包括：

·一风力涡轮机(1)，所述风力涡轮机(1)由一塔架(2)、一机舱(3)、一具有叶片(5)的转子(4)组成；

·一传感器系统，由一传感器(6)和多个外围设备组成；

其特征在于，所述传感器(6)安装在所述风力涡轮机(1)机舱(3)和/或风力涡轮机塔架(2)上，并且所述传感器是LIDAR传感器、3D光场摄像机或3D雷达，用于扫描在所述传感器(6)的视场(7)中，所述风力涡轮机(1)周围的空间，

其中，一旦动物(9)进入所述传感器(6)的视场，直到其坠落到地面之前，所述传感器(6)在其视场(7)的范围中连续监控范围内3D空间中坠落动物的坐标和速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器(6)安装在所述风力涡轮机机舱(3)上，并且具有180°的水平视场。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器(6)安装在所述塔架(2)上，并且具有360°的水平视场。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器(6)的范围是大约300m。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括一个传感器(6)或更多另外的传感器(6a)，所述传感器安装在所述风力涡轮机(1)机舱(3)和/或所述风力涡轮机塔架(2)上，在这样的方式下，一个传感器(6)与另外的传感器(6a)通过有线或无线通信方式相互通信，并分别覆盖单个传感器(6)和(6a)的多个视场(7)和(7a)。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述传感器(6)位于所述转子(4)叶片(5)范围下方的所述风力涡轮机(1)的塔架(2)上。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括至少一个记录坠落动物的图像的设备(8)。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，设备(8)是视频摄像机、夜视摄像机、热成像摄像机、照相机。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的系统的应用，用于记录飞行动物(9)与风力涡轮机(1)的碰撞并指示所述飞行动物(9)掉在地面上的位置。

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