CN111336073B - 一种风力发电机塔架净空视觉监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种风力发电机塔架净空视觉监测装置及方法。本发明属于风力发电机组故障监测技术领域。本发明装置在大型、高空机械发生故障前及时预警，可以避免不可估量的损失和巨大的危险。包括数据采集层、数据存储中心和核心处理层；所述数据采集层监控风力发电机；所述核心处理层包括工控计算机和人机交互模块；所述人机交互模块连接所述工控计算机，所述人机交互模块包括具有总控模块的中央监控室，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，工控计算机发出信号给总控模块，并通过所述总控模块关闭风力发电机组的电源。本发明达到了放宽叶片的柔性指标等参数的要求，严格保障机组的运行安全同时降低机组载荷和叶片成本。
Description
技术领域
本发明属于风力发电机故障监测技术领域，具体涉及一种风力发电机塔架净空视觉监测装置及方法。
背景技术
风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着重要的意义。随着科学技术的发展，风电技术已经相当成熟，更大型、性能更好的风力发电机组已经开发并投入生产试运行。但是由于风力发电机大多都安装在环境较恶劣的地区，容易发生故障，若没有及时预警故障，不仅会影响设备的寿命和工作效率，甚至会导致风力发电机损毁等重大事故，带来无法挽回的损失。
风机叶片是将风能转化为电能的重要设备，但在运行过程中叶片会因承受不同载荷的风力而产生一定的形变和位移；塔架是风机的主要承重机构，对于大型风机而言，通常高度都会达到百米以上；而传统的监测风机叶片健康状态的方法是在叶片上布置多个应变片，一方面接触式传感器会对叶片结构和强度造成不利影响，另一方面接触式传感器价格昂贵，一旦发生故障难以维修；目前，风机叶片在旋转过程中和塔架发生碰撞而导致风机损毁已是屡见不鲜，净空距离是指叶片尖端扫过塔架表面时叶尖部位距离塔架的最小几何距离，为了避免出现叶尖扫塔的现象，当净空距离小于安全值时须立即产生预警并关闭电源，从而有效地保证了风机的运行安全。
发明内容
本发明针对以上问题，提出了一种风力发电机的视觉监测装置及方法，既能够实时监测叶尖与塔架间的净空距离，又能实现风力发电机的智能降载，从而达到了放宽叶片的柔性指标等参数的要求。本发明装置在大型、高空机械发生故障前及时预警，可以避免不可估量的损失和巨大的危险。
本发明的技术方案为：包括数据采集层、数据存储中心和核心处理层；
所述数据采集层监控风力发电机，并将拍摄的视频数据传输至数据存储中心；
所述核心处理层包括工控计算机和人机交互模块，所述工控计算机中设有净空距离分析模块；所述工控计算机调用数据储存中心的视频数据，并传输至净空距离分析模块中进行计算，从而获取到叶片与塔架之间实时的净空距离；
所述人机交互模块连接所述工控计算机，所述人机交互模块包括具有总控模块的中央监控室，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，工控计算机发出信号给总控模块，并通过所述总控模块关闭风力发电机的电源。
所述数据采集层包括一对高清摄像机，通过一对所述高清摄像机监控风力发电机，一对所述高清摄像机同步采集整个风力发电机工作时的视频数据。
所述数据存储中心包括若干个服务器，所述服务器可实时读入数据采集层拍摄的视频数据并保存。
所述净空距离分析模块以工控计算机作为载体，将两个高清摄像机同步采集的视频数据预处理后进行图像特征点匹配，从而输出叶片的叶尖以及塔架的二维图像坐标并保存，在摄像机内外参数和二维图像坐标都已知的情况下结合双目视觉测量技术可实时重构出叶尖和塔架表面处的三维空间坐标，在三维空间坐标已知的情况下即可根据欧式空间距离公式实时计算出叶尖与塔架间的距离并输出距离变化曲线，而叶片与塔架之间净空距离是距离变化曲线中的最小值，最后净空距离分析模块输出叶片与塔架之间实时的净空距离。
所述人机交互模块还包括实时报警器，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，所述实时报警器发出警报。
通过所述中央监控室实时显示风力发电机工作运行时的视频数据，并给相关控制人员提供按键输入、显示和音频输出功能等功能的界面，实现远程调节视频拍摄的参数。
一种风力发电机的视觉监测方法，以下步骤进行检测：
S1、将两个高清摄像机分别进行编号，分为摄像机一与摄像机二；结合风力发电机所处的实际环境，叶片的长度和塔架的高度确定一对高清摄像头固定的位置以及两者之间的安装角度，两个高清摄像机的安装高度一致且保证二者可同时清晰拍摄到风力发电机的整个架构；
S2、利用人机交互模块远程调节摄像机一与摄像机二的拍摄参数；确保两个摄像头可同步、清晰的采集整个风力发电机工作时叶片的运动轨迹；
S3、装置安装完毕之后，进行数据采集层、数据存储中心、核心处理层之间的数据通信测试；
S4、装置通过数据采集层获取摄像机一与摄像机二的视频数据，并将视频数据实时存入数据存储中心处；
S5、通过工控计算机中的净空距离分析模块实时接收数据存储中心传输来的视频数据，完成立体图像特征点匹配，恢复叶尖与塔架立体空间坐标信息以及净空距离计算的功能；
S6、工控计算机利用写入的图像处理程序将输入的视频数据切分为一帧一帧的图像序列，从而得到摄像机一与摄像机二同时刻拍摄的每一帧图片，并将对应的每一帧图片作为特征匹配算法的输入，利用图像中的角点、边缘、灰度等特征信息实现两张图片中对应像素点的匹配；叶尖具有明显的角点特征且塔架具有清楚的边缘特征；最后输出并保存叶尖与塔架的二维图像坐标；
S7、将步骤S6中的二维图像坐标数据作为双目视觉测量算法的输入，结合摄像机的参数即可实时重构出叶尖与塔架表面处的三维空间坐标，选定摄像机一所在的位置作为世界坐标系的原点(0，0，0)，叶尖的三维空间坐标为(X1，Y1，Z1)；当叶尖扫过塔架表面时，塔架表面存在一个与叶尖下端齐平的位置，该位置的三维空间坐标为(X2，Y2，Z2)；
S8、一对摄像机可实时跟踪叶片尖端转动时的变化三维空间坐标，将步骤S7中得到的叶尖与塔架表面处的具体的三维空间坐标作为欧式空间距离公式
的输入，即可实时计算出叶尖与塔架间的距离值并输出距离变化曲线，距离变化曲线中的最小值即为叶片与塔架之间的净空距离；
S9、将净空距离传输入中央监控室内的总控模块，并在中央监控室内实时显示风力发电机的工作运行状态，若叶尖与塔架间的净空距离小于设定的安全值，则发生报警且切断该架风力发电机的电源。
本发明所公开的非接触式叶片机组净空距离监测装置，不改变风力发电机叶片原有的结构性质，可远程监控风力发电机运行状态，突破了风力发电机所处环境恶劣和高空实时监测风力发电机运行故障的难点，基于实时净空距离的监控可以实现风力发电机的智能降载(叶片上无需设置应变片)，从而达到了放宽叶片的柔性指标等参数的要求，严格保障机组的运行安全同时降低机组载荷和叶片成本。
附图说明
图1为本发明监测装置的结构示意图；
图2为本发明的实施方式示意图；
图3为本发明的监测方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述，以下实例仅用于更加清晰地说明本发明的技术方案，而不能因此限制本发明的保护范围。
本发明如图1-3所示，所述风力发电机包括叶片和塔架，包括数据采集层、数据存储中心和核心处理层；
所述数据采集层监控风力发电机，并将拍摄的视频数据经过通讯接口层传输至数据存储中心；
所述核心处理层包括工控计算机和人机交互模块，所述工控计算机中设有净空距离分析模块；所述工控计算机经过通讯接口层调用数据储存中心的视频数据，并传输至净空距离分析模块中进行计算，从而获取到叶片与塔架之间实时的净空距离；
所述人机交互模块连接所述工控计算机，所述人机交互模块包括具有总控模块的中央监控室，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，工控计算机发出信号给总控模块，并通过所述总控模块关闭风力发电机的电源。
所述数据采集层包括一对高清摄像机，一对所述高清摄像机通过固定支架连接在风力发电机的一侧、且朝向风力发电机设置；通过一对所述高清摄像机监控风力发电机，一对所述高清摄像机同步采集整个风力发电机工作时的视频数据。
所述数据存储中心包括若干个大容量、高扩展性、读取快的服务器，所述服务器可实时读入数据采集层拍摄的视频数据并保存。这样，风力发电机运行时，核心处理层可方便的调用其中的视屏数据；而在风力发电机发生故障后，维修人员可查看历史视频数据进行故障判断与分析。
所述净空距离分析模块以工控计算机作为载体，将两个高清摄像机同步采集的视频数据预处理后进行图像特征点匹配，从而输出叶片的叶尖以及塔架的二维图像坐标并保存，在摄像机内外参数和二维图像坐标都已知的情况下结合双目视觉测量技术可实时重构出叶尖和塔架表面处的三维空间坐标，在三维空间坐标已知的情况下即可根据欧式空间距离公式实时计算出叶尖与塔架间的距离并输出距离变化曲线，而叶片与塔架之间净空距离是距离变化曲线中的最小值，最后净空距离分析模块输出叶片与塔架之间实时的净空距离。
所述人机交互模块还包括实时报警器，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，所述实时报警器发出警报。
通过所述中央监控室实时显示风力发电机工作运行时的视频数据，并给相关控制人员提供按键输入、显示和音频输出功能等功能的界面，实现远程调节视频拍摄的参数。
如图2所示为本发明装置的安装位置侧面简图及参数说明图，在固定安装一对摄像机之前，首先要通过摄像机标定技术获得摄像机的参数，再将摄像机安装在合适的第三方视角，摄像机一和摄像机二拍摄安装在同一高度且重叠视野范围包括整个风力发电机的架构，便于后端数据处理与实时监控。
在安装摄像机之前需要对其进行标定：首先采用张正友标定的方法得到两个摄像机的内参矩阵K；再采用大场景标定的方法对两个摄像机机进行立体标定，分别得到旋转矩阵R和平移矩阵T，即左右摄像机之间的关系。
一种风力发电机的视觉监测方法，按以下步骤进行检测：
S1、将两个高清摄像机分别进行编号，分为摄像机一与摄像机二；结合风力发电机所处的实际环境，叶片的长度和塔架的高度确定一对高清摄像头在固定支架上的固定的位置以及两者之间的安装角度，两个高清摄像机的安装高度一致且保证二者可同时清晰拍摄到风力发电机的整个架构；
实际安装时，保持两个高清摄像机高度一致，确保两个高清摄像机都可以拍摄到同一个风力发电机的整个架构即可，两个高清摄像机在第三方视角可以从风力发电机正面拍摄，而风力发电机和摄像头安装的位置具体相隔多少距离，则可根据风力发电机的实际长度和实际环境进行调整；
S2、利用人机交互模块远程调节摄像机一与摄像机二的拍摄参数，例如曝光率，光圈，焦距等；确保两个摄像头可同步、清晰的采集整个风力发电机工作时叶片的运动轨迹；
S3、装置安装完毕之后，进行数据采集层、数据存储中心、核心处理层之间的数据通信测试；在确保通信良好的基础上，则进行在线实时的净空距离监测流程；
S4、装置通过数据采集层获取摄像机一与摄像机二的视频数据，并经过通信接口层将视频数据实时存入数据存储中心处；
S5、通过工控计算机中的净空距离分析模块实时接收数据存储中心传输来的视频数据，完成立体图像特征点匹配，恢复叶尖与塔架立体空间坐标信息以及净空距离计算的功能；
S6、工控计算机利用写入的图像处理程序将输入的视频数据切分为一帧一帧的图像序列，从而得到摄像机一与摄像机二同时刻拍摄的每一帧图片，并将对应的每一帧图片作为特征匹配算法(如David G.Lowe.Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints[J].International Journal of Computer Vision,60(2):91-110.所示)的输入，利用图像中的角点、边缘、灰度等特征信息实现两张图片中对应像素点的匹配；叶尖具有明显的角点特征且塔架具有清楚的边缘特征；最后输出并保存叶尖与塔架的二维图像坐标；
S7、将步骤S6中的二维图像坐标数据作为双目视觉测量算法(如RichardI.Hartley,Peter Sturm.Triangulation[J].Comput Vision Image Understanding,2001,68(2):146-157.所示)的输入，结合摄像机的参数即可实时重构出叶尖与塔架表面处的三维空间坐标，选定摄像机一所在的位置作为世界坐标系的原点(0，0，0)，叶尖的三维空间坐标为(X1，Y1，Z1)；当叶尖扫过塔架表面时，塔架表面存在一个与叶尖下端齐平的位置，该位置的三维空间坐标为(X2，Y2，Z2)；
S8、一对摄像机可实时跟踪叶片尖端转动时的变化三维空间坐标，将步骤S7中得到的叶尖与塔架表面处的具体的三维空间坐标作为欧式空间距离公式
的输入，即可实时计算出叶尖与塔架间的距离值并输出距离变化曲线，距离变化曲线中的最小值即为叶片与塔架之间的净空距离；
S9、将净空距离传输入中央监控室内的总控模块，并在中央监控室内实时显示风力发电机的工作运行状态，若叶尖与塔架间的净空距离小于设定的安全值，则说明风力发电机的叶片即将出现扫塔的危险，则发生报警且切断该架风力发电机的电源。
以上所述仅仅只是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，风力发电机塔架净空视觉监测装置包括数据采集层、数据存储中心和核心处理层；
所述数据采集层监控风力发电机，并将拍摄的视频数据传输至数据存储中心；
所述核心处理层包括工控计算机和人机交互模块，所述工控计算机中设有净空距离分析模块；所述工控计算机调用数据储存中心的视频数据，并传输至净空距离分析模块中进行计算，从而获取到叶片与塔架之间实时的净空距离；
所述人机交互模块连接所述工控计算机，所述人机交互模块包括具有总控模块的中央监控室，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，工控计算机发出信号给总控模块，并通过所述总控模块关闭风力发电机的电源；
按以下步骤进行工作：
S1、将两个高清摄像机分别进行编号，分为摄像机一与摄像机二；结合风力发电机所处的实际环境，叶片的长度和塔架的高度确定一对高清摄像头固定的位置以及两者之间的安装角度，两个高清摄像机的安装高度一致且保证二者可同时清晰拍摄到风力发电机的整个架构；
S2、利用人机交互模块远程调节摄像机一与摄像机二的拍摄参数；确保两个摄像头可同步、清晰的采集整个风力发电机工作时叶片的运动轨迹；
S3、装置安装完毕之后，进行数据采集层、数据存储中心、核心处理层之间的数据通信测试；
S4、装置通过数据采集层获取摄像机一与摄像机二的视频数据，并将视频数据实时存入数据存储中心处；
S5、通过工控计算机中的净空距离分析模块实时接收数据存储中心传输来的视频数据，完成立体图像特征点匹配，恢复叶尖与塔架立体空间坐标信息以及净空距离计算的功能；
S6、工控计算机利用写入的图像处理程序将输入的视频数据切分为一帧一帧的图像序列，从而得到摄像机一与摄像机二同时刻拍摄的每一帧图片，并将对应的每一帧图片作为特征匹配算法的输入，利用图像中的角点、边缘、灰度来实现两张图片中对应像素点的匹配；叶尖具有明显的角点特征且塔架具有清楚的边缘特征；最后输出并保存叶尖与塔架的二维图像坐标；
S7、将步骤S6中的二维图像坐标数据作为双目视觉测量算法的输入，结合摄像机的参数即可实时重构出叶尖与塔架表面处的三维空间坐标，选定摄像机一所在的位置作为世界坐标系的原点(0，0，0)，叶尖的三维空间坐标为(X1，Y1，Z1)；当叶尖扫过塔架表面时，塔架表面存在一个与叶尖下端齐平的位置，该位置的三维空间坐标为(X2，Y2，Z2)；
S8、一对摄像机可实时跟踪叶片尖端转动时的变化三维空间坐标，将步骤S7中得到的叶尖与塔架表面处的具体的三维空间坐标作为欧式空间距离公式
的输入，即可实时计算出叶尖与塔架间的距离值并输出距离变化曲线，距离变化曲线中的最小值即为叶片与塔架之间的净空距离；
S9、将净空距离传输入中央监控室内的总控模块，并在中央监控室内实时显示风力发电机的工作运行状态，若叶尖与塔架间的净空距离小于设定的安全值，则发生报警且切断该架风力发电机的电源。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，所述数据采集层包括一对高清摄像机，一对所述高清摄像机通过固定支架连接在风力发电机的一侧、且朝向风力发电机设置；通过一对所述高清摄像机监控风力发电机，一对所述高清摄像机同步采集整个风力发电机工作时的视频数据。
3.根据权利要求1所述的一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，所述数据存储中心包括若干个服务器，所述服务器可实时读入数据采集层拍摄的视频数据并保存。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，所述净空距离分析模块以工控计算机作为载体，将两个高清摄像机同步采集的视频数据预处理后进行图像特征点匹配，从而输出叶片的叶尖以及塔架的二维图像坐标并保存，在摄像机内外参数和二维图像坐标都已知的情况下结合双目视觉测量技术可实时重构出叶尖和塔架表面处的三维空间坐标，在三维空间坐标已知的情况下即可根据欧式空间距离公式实时计算出叶尖与塔架间的距离并输出距离变化曲线，而叶片与塔架之间净空距离是距离变化曲线中的最小值，最后净空距离分析模块输出叶片与塔架之间实时的净空距离。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，所述人机交互模块还包括实时报警器，当叶片与塔架之间的净空距离小于安全值时，所述实时报警器发出警报。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电机塔架净空视觉监测方法，其特征在于，通过所述中央监控室实时显示风力发电机工作运行时的视频数据，并给相关控制人员提供按键输入、显示和音频输出功能的界面，实现远程调节视频拍摄的参数。
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|---|---|---|---|---|
| KR20130046858A (ko) * | 2011-10-28 | 2013-05-08 | 엘에스전선 주식회사 | 풍력 발전기 블레이드 감시 시스템 및 이를 이용한 감시 방법 |
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| CN109559354A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-04-02 | 北京金风科创风电设备有限公司 | 测量塔架净空的方法、双目系统的标定方法以及装置 |
-
2020
- 2020-03-04 CN CN202010142176.6A patent/CN111336073B/zh active Active
Patent Citations (5)
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