CN112390136A - 适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统及控制方法，包括吊具主体、位姿调整装置、采集装置以及控制装置，所述吊具主体用于夹持风机叶片，所述位姿调整装置安装在所述吊具主体上并执行控制命令以调整所述风机叶片的位姿，所述采集装置采集所述风机叶片的位姿信息以及关联信息，所述控制装置根据获得的位姿信息以及关联信息输出所述的控制命令，本发明通过设置与叶片相匹配的吊具主体并通过位姿调整装置、采集装置以及控制装置的配合在克服外界因素干扰的同时实现单叶片吊装及对接过程能够高效、精确地完成，具有可控制自由度较多，操作便利且造价较低的优点。

Description

适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及海洋工程技术领域，具体地，涉及一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统及控制方法。
背景技术
近年以来，海上风电发展势头迅猛，全球新装机容量屡创新高，海上风机趋于大型化且其安装成本有进一步降低的需求。当今世界上已建成的海上风电场大多集中在水深40m以下的浅海区域，其风机基础支撑结构以固定单桩式为主。固定单桩式风机的安装方式可分为分体吊装和整机吊装。对于大型海上风机，其主流的安装方式是采用自升式风电安装船进行分体安装。到达安装海域后，自升式安装船将桩腿插入海底并升高平台，从而形成稳固的安装平台；而后安装船上的起重设备分别对风机塔筒、机舱、轮毂和叶片进行吊装合拢。在这一过程当中，安装海域环境条件(风、浪、流等)对吊装影响较大，因此通常会在符合安装的较小风浪条件下出海安装。
在单叶片吊装过程中，通常采用刚臂结构吊具固定叶片，包括C型吊具、SC型吊具等。风电安装船利用船上的起重设备将叶片吊具和叶片吊起，并不断调整叶片位置和方向，直至叶片根部与塔筒顶部已安装的轮毂对接完成。由于风载荷影响，悬吊的叶片在空中会出现一定程度的晃动；由于风载荷和波浪载荷影响，塔筒及轮毂整体也会发生振动，导致二者相对位置不断变化，使得叶片根部与轮毂的对接十分困难，甚至发生对接失败，造成叶片连接螺栓损坏。
实际吊装过程中为解决叶片-轮毂对接困难的问题，通常采用人力拉动缆绳限制叶片运动的方式辅助对接。这种方式的叶片位置控制精度低，对安装海域风浪非常敏感，且存在一定人身危险性，造成海上风电安装效率低、成本高，不利于海上风电的规模化发展。
现有技术中的叶片吊具，如专利文献CN104386570A公开的A·L·弗兰克设计的一种C状轭，可用于风机叶片的水平和斜向吊装。但是叶片吊装过程中仅其俯仰姿态可由吊具主动控制，叶片的位置和水平姿态等还是依靠吊车和人工拖曳缆绳进行控制；专利文献US9009964B2公开了一种风机叶片吊装用吊梁，通过布置可调节长度的水平绳索连接吊车和吊梁，配合吊梁上已有的俯仰角度控制绳索，可对吊装叶片的水平姿态、俯仰姿态进行控制。但是叶片的位置仍依靠吊车移动，在叶片对接阶段控制精度较低。
针对海上风机叶片吊装过程中叶片与轮毂对接困难的问题，专利文献CN107387329A公开了蒋致禹等提出的一种适用于海上风机单叶片安装的轮毂对接装置，采用加装辅助缓冲板装置的方式减小对接过程对叶根-轮毂对齐的精度要求。这种被动辅助的方式无法解决叶片与轮毂相对运动大的问题，装置的安装和拆卸也存在一定困难；专利文献CN109139389A公开了任政儒等提出的用于风机单叶片安装的主动反馈控制方法和装置，采用绞车主动控制缆绳张力，达到限制和控制叶片运动的目标，进而完成叶片与轮毂的对接，该方法采用了主动控制的方法，能较有效地操纵叶片姿态，但由于安装船与风机的相对位置，缆绳仅能单侧布置，控制能力有限，实际应用中可能存在缆绳物理特性带来的延迟效应等问题。
因此，在大型海上风机叶片吊装方面，特别是解决叶片与轮毂对接难题，急需一种稳定可靠、精度高、易操作的控制装置和方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统及控制方法。
根据本发明提供的一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，包括：
吊具主体，用于夹持风机叶片；
位姿调整装置，安装在所述吊具主体上并执行控制命令以调整所述风机叶片的位姿；
采集装置，采集所述风机叶片的位姿信息以及关联信息；
控制装置，根据获得的位姿信息以及关联信息并采用自动控制算法输出所述的控制命令。
优选地，所述位姿调整装置被配置为包括用于调节所述吊具主体轴向与水平面夹角的纵倾调节机构以及用于调节所述吊具主体沿轴向方向两端的摆动的推力机构以修正所述风机叶片的位置。
优选地，所述推力机构被配置为包括多个以对称方式布置在所述吊具主体上的推进器，其中，所述推进器能够以固定方式或可旋转方式安装在所述吊具主体上并执行控制命令以抵消所述吊具主体的摆动。
优选地，所述吊具主体通过配置不同配重的方式调整整体重心用以匹配采用不同型号风机叶片或夹持所述风机叶片不同部位的安装作业。
优选地，所述吊具主体通过配置的叶片夹紧部件夹紧所述风机叶片且所述叶片夹紧部件被配置为带有调节夹持空间的机构用以容纳不同型号的风机叶片。
优选地，所述采集装置被配置为包括获得采集数据的采集模块以及用于处理所述采集数据的处理模块并最终输出位姿信息以及关联信息。
优选地，所述控制装置包括：
引导模块，基于所述位姿信息和关联信息生产施力信息；
控制分配模块，根据所述施力信息输出分配信息；
监控模块，通过显示器显示所述位姿信息、关联信息以及分配信息并被配置为具有手动操作功能用以供人工控制；
警报模块，将所述位姿信息与预设阈值进行比较并能够识别超出所述预设阈值范围内的信息作为报警信息进行报警以供操作人员判断是否停止吊装。
本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，包括如下步骤：
步骤101：将待安装的风机叶片通过叶片夹紧部件固定在吊具主体上，进入准备阶段，吊车吊钩与连接所述吊具主体；
步骤102：根据输入的初始参数计算得到所述风机叶片的重心的初始安装位置；
步骤103：启动吊车，将待安装的风机叶片重心提升至所述初始安装位置，其中，起吊高度误差小于或等于允许的最大对接误差，平面位置与转角误差不超过推进器平面位置的最大调节能力；
步骤201：吊具主体进入稳定阶段，以所述初始安装位置为所述风机叶片重心的目标位置和姿态，在稳定阶段的各个时刻，重复步骤202～步骤203；
步骤202：通过引导模块根据采集装置得到所述关联信息中的实时风速和风向信息进行超短期风速预报，从而得到未来几秒内的风速和风向信息，再根据风机叶片的位姿信息以及关联信息，在载荷仿真软件中计算各个时刻风机叶片受到的风作用力和力矩，从而得到吊具主体所需的抵消力和力矩；采用自动控制算法根据风机叶片当前位置和姿态与目标位置和姿态的差异，输出吊具主体当前所需的控制力和力矩作为施力信息，其中，所述自动控制参数由引导模块中仿真整定得到；
步骤203：控制分配模块根据所述施力信息输出分配信息，其中多个所述推进器能够实现所述风机叶片水平方向上横向、纵向位置的调整，当所述分配信息所对应的推力和力矩超出吊具主体运动控制装置的控制范围，则警报模块发出警报；
步骤204：所述控制分配模块根据所述分配信息得到各个推进器所须产生的推力转化为油门信号并输出至执行模块，使风机叶片在初始位置保持稳定，若叠加后得到的油门信号超出任一个或任多个所述推进器的100％油门，则警报模块发出警报
步骤301：在稳定阶段保持稳定之后进入对接阶段，根据采集装置得到的轮毂实时位置，确定风机叶片第二安装位置和姿态，采用步骤202～步骤204相同的方式使风机叶片保持稳定在第二安装位置，进而使风机叶片的叶根追踪轮毂，并使风机叶片的叶根和轮毂之间的距离保持在设定范围内；
步骤302：根据采集装置上的光学定位器得到所述叶根螺栓标记点与高速相机实时相对方位，计算得到叶根螺栓标记点所在叶根螺栓与对应螺栓孔的实时相对方位，进而判断叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差是否达到对接精度；
步骤303：当达到对接精度要求时，通过相应的推进器使所述叶根处叶根螺栓插入轮毂处对应的螺栓孔，并开始进行锁紧；若未达到对接精度要求，即存在所述叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差未达到对接精度，通过微调稳定目标位置或微调吊具的纵倾调节机构，直到满足对接精度要求，再在相应的推进器的驱使下完成对接；
步骤401：使风机叶片的目标位置保持在步骤303对接成功时的位置，并按照步骤202～步骤204保持稳定，直至锁紧操作完成；
步骤402：锁紧操作完成后，通过驱使叶片夹紧部件使风机叶片与吊具主体分离，吊装完成。
优选地，所述最大对接误差小于或等于所述吊具主体能够调节风机叶片叶根处竖直方向的高度。
优选地，所述初始参数包括吊车、轮毂、塔筒、待吊装风机叶片外形参数以及轮毂、塔筒固定的位置信息。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过设置与叶片相匹配的吊具主体并通过位姿调整装置、采集装置以及控制装置的配合在克服外界因素干扰的同时实现单叶片吊装及对接过程能够高效、精确地完成，具有可控制自由度较多，操作便利且造价较低的优点。
2、本发明通过在现有叶片吊具上设置多组推进器，可实现叶片在吊装过程中的x-y平面位置和姿态有效控制，解决了海上风机叶片吊装过程中受风浪影响、吊车与吊具难以控制叶片运动进而导致叶片与轮毂对接困难的问题。本发明采用多组推进器作为控制动力，可控制叶片多自由度运动，成本较低，易于实现，能够实现叶片和轮毂的高效、稳定对接。
3、本发明通过起吊、稳定、对接、锁紧四个阶段设计解决了现有技术中叶片吊装通常采用人力拉动或固定缆绳，进而限制和稳定叶片运动完成对接效率低、成本高的问题，实现在叶片与轮毂对接过程中自动稳定叶片运动和姿态，控制叶片移动插入轮毂完成对接，提高叶片对接精度和效率，降低了风机吊装的成本。
4、本发明在叶片吊装的对接阶段控制方法中采用仿真计算吊具和叶片整体受风力和力矩并粗调推进器抵消(前馈控制)、自动控制算法微调推进器并追踪轮毂运动(反馈控制)相结合的方法，解决了叶片与轮毂对接过程中，二者均因环境影响产生摇晃难以对接甚至对接失败损坏螺栓的问题。轮毂的运动主要由塔筒及单桩基础受风、浪作用引起，叶片的运动则主要受风作用引起。本发明采用的控制方法可在对接过程中有效减小甚至消除二者相对运动，达到对接精度，进而完成对接。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的侧面结构示意图；
图3为本发明的正面结构示意图；
图4为吊具运动控制系统组成示意图；
图5为控制方法流程图；
图6为吊装过程侧面示意图；
图7为吊装过程正面示意图。
图中示出：
提升臂1 连接部件13
中部连接段2 液压缸部件14
叶梢c型托具3 液压杆部件15
叶根c型托具4 夹紧面16
配重5 橡胶垫17
横梁6 配重连接梁18
左肩上部X方向推进器7 底座19
右肩上部X方向推进器8 调节液压杆20
左肩下部X方向推进器9 调节液压缸21
右肩下部X方向推进器10 变电站22
后方Y方向推进器11 控制箱23
前方Y方向推进器12 连接梁24
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，如图1～图7所示，包括吊具主体、位姿调整装置、采集装置以及控制装置，所述吊具主体用于夹持风机叶片，所述位姿调整装置安装在所述吊具主体上并执行控制命令以调整所述风机叶片的位姿，所述采集装置采集所述风机叶片的位姿信息以及关联信息，所述控制装置根据获得的位姿信息以及关联信息并采用自动控制算法输出所述的控制命令。
需要说明的是，所述关联信息包括吊车、轮毂、塔筒、待吊装风机叶片、吊具主体的外形参数，待吊装风机叶片运动的速度和加速度，待吊装风机叶片根部中心点到轮毂的位移，轮毂、塔筒固定的位置信息以及实时风速、实时风向；所述的位姿信息包括待吊装风机叶片的空间位置和姿态。
具体地，所述位姿调整装置被配置为包括用于调节所述吊具主体轴向与水平面夹角的纵倾调节机构以及用于调节所述吊具主体沿轴向方向两端的摆动的推力机构以修正所述风机叶片的位置，所述推力机构被配置为包括多个以对称方式布置在所述吊具主体上的推进器，所述推进器优选采用涵道式推进器，数量能够根据实际应用场景以对称布置的方式设置，其中，所述推进器能够以固定方式或可旋转方式安装在所述吊具主体上并执行控制命令以抵消所述吊具主体的摆动，因此推进器可被固定方向，也可以是可旋转设置，以调整推力方向，推进器的驱动形式也可有多种选择，例如电力、液压、燃油驱动的螺旋桨推进器或压缩气体推进器等；其数量、布置方式可以有多种选择，以实现风机叶片位姿的调整，具体应根据实际的应用场景灵活选择。
具体地，所述吊具主体通过配置不同配重的方式调整整体重心用以匹配采用不同型号风机叶片或夹持所述风机叶片不同部位的安装作业。
具体地，所述吊具主体通过配置的叶片夹紧部件夹紧所述风机叶片且所述叶片夹紧部件被配置为带有调节夹持空间的机构用以容纳不同型号的风机叶片。
具体地，所述采集装置被配置为包括获得采集数据的采集模块以及用于处理所述采集数据的处理模块并最终输出位姿信息以及关联信息。
具体地，所述控制装置包括：
引导模块，基于所述位姿信息和关联信息生产施力信息；
控制分配模块，根据所述施力信息输出分配信息；
监控模块，通过显示器显示所述位姿信息、关联信息以及分配信息并被配置为具有手动操作功能用以供人工控制；
警报模块，将所述位姿信息与预设阈值进行比较并能够识别超出所述预设阈值范围内的信息作为报警信息进行报警以供操作人员判断是否停止吊装。
本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，如图5～图7所示，包括如下步骤：
步骤101：将待安装的风机叶片通过叶片夹紧部件固定在吊具主体上，进入准备阶段，吊车吊钩与连接所述吊具主体；
步骤102：根据输入的初始参数计算得到所述风机叶片的重心的初始安装位置，所述初始参数包括吊车、轮毂、塔筒、待吊装风机叶片外形参数以及轮毂、塔筒固定的位置信息。
步骤103：启动吊车，将待安装的风机叶片重心提升至所述初始安装位置，其中，起吊高度误差小于或等于允许的最大对接误差，所述最大对接误差小于或等于所述吊具主体能够调节风机叶片叶根处竖直方向的高度。平面位置与转角误差不大于推进器平面位置的最大调节能力；
步骤201：吊具主体进入稳定阶段，以所述初始安装位置为所述风机叶片重心的目标位置、姿态，在稳定阶段的各个时刻，重复步骤202～步骤203；
步骤202：通过引导模块根据采集装置得到所述关联信息中的实时风速和风向信息进行超短期风速预报，从而得到未来几秒内的风速和风向信息，再根据风机叶片的位姿信息以及关联信息，在载荷仿真软件中计算各个时刻风机叶片受到的风作用力和力矩，从而得到吊具主体所需的抵消力和力矩；采用自动控制算法根据风机叶片当前位置和姿态与目标位置和姿态的差异，输出吊具主体当前所需的控制力和力矩作为施力信息。其中自动控制参数由引导模块中仿真整定得到。；
步骤203：控制分配模块根据所述施力信息输出分配信息，其中多个所述推进器能够实现所述风机叶片水平方向上横向、纵向位置的调整，当所述分配信息所对应的推力和力矩超出吊具主体运动控制装置的控制范围，则警报模块发出警报；
步骤204：所述控制分配模块根据所述分配信息得到各个推进器所须产生的推力转化为油门信号并输出至执行模块，使风机叶片在初始位置保持稳定，若叠加后得到的油门信号超出任一个或任多个所述推进器的100％油门，则警报模块发出警报
步骤301：在稳定阶段保持稳定之后进入对接阶段，根据采集装置得到的轮毂实时位置，确定风机叶片第二安装位置和姿态，采用步骤202～步骤204相同的方式使风机叶片保持稳定在第二安装位置，进而使风机叶片的叶根追踪轮毂，并使风机叶片的叶根和轮毂之间的距离保持在设定范围内；
步骤302：根据采集装置上的光学定位器得到所述叶根螺栓标记点与高速相机实时相对方位，计算得到叶根螺栓标记点所在叶根螺栓与对应螺栓孔的实时相对方位，进而判断叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差是否达到对接精度；
步骤303：当达到对接精度要求时，通过相应的推进器使所述叶根处叶根螺栓插入轮毂处对应的螺栓孔，并开始进行锁紧；若未达到对接精度要求，即存在所述叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差未达到对接精度，通过微调稳定目标位置或微调吊具的纵倾调节机构，直到满足对接精度要求，再在相应的推进器的驱使下完成对接；
步骤401：使风机叶片的目标位置保持在步骤303对接成功时的位置，并按照步骤202～步骤204保持稳定，直至锁紧操作完成；
步骤402：锁紧操作完成后，通过驱使叶片夹紧部件使风机叶片与吊具主体分离，吊装完成。
上面对本申请的基本实施例进行了说明，下面结合基本实施例的优选例和/或变化例，对本申请进行更为具体的说明。
实施例2：
本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，推进器选择采用以电力驱动的涵道式螺旋桨推进器，如图1～图7所示，包括吊具主体、位姿调整装置、采集装置以及控制装置。
具体地，位姿调整装置包括纵倾调节机构以及推力机构，并设置有执行模块，所述执行模块被配置为包括控制所述纵倾调节机构动作的吊具控制单元以及控制多个所述执行器动作的推进器控制单元，其中所述推进器控制单元包括与推进器数量相同的电子调速器以及相匹配的推进器执行电机以根据所述的分配信息获得不同推进器对应转速的执行进而实现不同推进器推力的响应。
所述吊具主体包括提升臂1、中部连接段2、叶梢c型托具3、叶根c型托具4、配重5、横梁6、连接梁24以及配重连接梁18，其中，纵倾调节机构包括底座19、调节液压杆20、调节液压缸21，调节液压杆20可在纵倾调节机构轴线上伸缩，提升臂1下部与中部连接段2连接处可转动，进而使吊具提升臂1方向与横梁6延伸方向夹角发生变化，调整整体纵倾。为适应叶片外形变化，叶根c型托具4底部比叶梢c型托具3稍大，与叶片的接触面更大。配重5包括多块配重片，可通过调节配重片个数来调整吊具整体重心。吊具主体上布置有叶片夹紧部件，叶片夹紧部件相对横梁6中部对称布置，包括连接部件13、液压缸部件14、液压杆部件15和夹紧面16。液压杆部件15可在垂直方向伸缩，将夹紧面16能够与风机叶片压紧，起到将风机叶片与吊具主体夹紧固定的作用。夹紧面16、叶梢C型托具3、叶根C型托具4的叶片接触面上分别布置有橡胶垫17，用于防止夹紧时损伤风机叶片。
推力机构包括布置在x轴和y轴方向上的六个电力驱动的涵道式推进器，分别为左肩上部X方向推进器7、右肩上部X方向推进器8、左肩下部X方向推进器9、右肩下部X方向推进器10、后方Y方向推进器11、前方Y方向推进器12，其中，左肩上部X方向推进器7、右肩上部X方向推进器8对称布置于吊具主体的肩部，其推力方向为垂直于叶根-叶梢方向(x轴方向)，左肩下部X方向推进器9、右肩下部X方向推进器10分别布置于叶梢C型托具3、叶根C型托具4的底部且二者处于同一水平线上，其推力方向为垂直于叶根-叶梢方向(y轴方向)；后方Y方向推进器11、前方Y方向推进器12分别布置于中部连接段2)两侧，其推力方向为叶根-叶梢方向。左肩上部X方向推进器7、右肩上部X方向推进器8、左肩下部X方向推进器9、右肩下部X方向推进器10可提供x轴方向推力和x-y平面内转矩，后方Y方向推进器11、前方Y方向推进器12可提供y轴方向推力，故该装置可通过推进器提供x-y平面内位置和姿态的控制(推力方向固定，x方向布置四个，y方向布置两个，从而产生x和y方向推力以及x-y平面内扭矩，控制悬吊的风机叶片的x-y平面位置和姿态)。
另外，吊具主体上配有变电站22和控制箱23。变电站22可将船用交流电变压、变频，以供吊具主体上用电设备使用。控制箱23中安装的控制器可对多个推进器进行控制，并与地面操作系统相连，操作人员可实时监控和操作。
具体地，所述采集装置包括采集模块以及处理模块，所述采集模块包括位移传感器、加速度传感器、姿态传感器、风速风向传感器、光学定位器以及推进器传感器。所述处理模块包括滤波器，可将采集模块中的各个传感器得到的数据相融合，并与滤波器共同作用，提供平滑的、无延迟的、实时对应位置的运动位移和速度信息。采集模块通过布置于叶片、吊具、吊车和轮毂上的传感器获取实时的叶片、吊具等部件的位移、姿态实时信息。
进一步地，位移传感器和加速度传感器布置于吊具、叶片根部和轮毂内部，位移传感器使用卫星定位系统，加速度传感器可使用电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。二者用于测量叶片重心、叶片根部中心点以及轮毂的位移和加速度；姿态传感器布置于吊具上，可为陀螺仪或动作捕捉装置(可采用非接触式光学运动捕捉装置)，用于实时测量叶片姿态；风速风向传感器为一个或多个，首要布置于吊具上，其次可布置于吊车、轮毂上作为风速风向信息的补充或参考。风速风向传感器可为风杯式、螺旋桨式、热线式、超声波式或激光多普勒式，可准确得到安装位置的风速和风向；推进器传感器包含多个实时测量推进器状态的传感器，在此实施例中包括电压计、电流计和转速传感器，用以测量推进器电机实时电压、电流和转速数据；光学定位器包含布置于轮毂的高速相机和布置于叶片根部螺栓处的标记点(Marker)，通过高速相机拍摄标记点并进行图像处理可以得到叶片根部螺栓与对应螺栓孔的相对方位。
经过处理模块的信号处理，这些信息进入控制装置，经过计算并输出相应的控制信号，在执行模块中得到执行，完成自动控制操作。
所述的控制装置包括引导模块、控制分配模块、监控模块以及警报模块，如图4所示，其中引导模块能够通过采集装置得到的关联信息进行超短期风速预报，并结合位姿信息仿真计算风机叶片及吊具主体未来几秒所受的作用力和力矩，同时给出自动控制算法所需的合适的控制参数(如PID参数)。自动控制算法根据风机叶片当前位置、姿态与目标位置、姿态的差异，得到施力信息，即稳定风机叶片和吊具主体所需的推力和力矩。
进一步地，控制分配模块能够通过引导模块输出的施力信息输出分配信息，所述分配信息用以指导各个推进器实时给出装置稳定所需力和力矩(包括计算得到的风作用的力和力矩，即前馈控制部分；自动控制算法给出的控制力和力矩，即反馈控制部分)，具体表现为各个推进器的推力，而后转化为各推进器的油门信号进而实现推进器不同方向和大小的推力。
具体地，监控模块通过显示器显示所述位姿信息、关联信息以及分配信息并被配置为具有手动操作功能用以供人工控制，包括操作室的显示器和手动操作机构，可在显示器上实时显示采集装置得到的各类数据，例如，叶片、轮毂、吊具和吊车的实时位移、叶片姿态、各个推进器实时转速等，手动操作机构可供操作人员手动控制。
具体地，警报模块将所述位姿信息与预设阈值进行比较并识别超出所述预设阈值范围内的信息作为报警信息进行报警以供操作人员判断是否停止吊装，进一步地，初始首选输入预设阈值，即各项信号(叶片姿态信息、轮毂位置信息、推进器状态信息等)的阈值，当出现叶片姿态异常、推进器过载等情况时警报模块根据位姿信息与预设阈值比较获得不在预设阈值范围内的信息并给出警报，以供操作人员判断是否停止吊装。
需要说明的是，本发明中的自动控制算法不限于PID算法，也可采用模糊控制、神经网络控制、模型预测控制、非线性控制等算法，具体应根据实际的场景灵活选择。
本发明提供了一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，控制逻辑如图5所示，吊装过程如图6、7所示，控制方法步骤如下：
步骤101，准备阶段，将待安装的风机叶片置于吊具主体中，风机叶片夹紧装置叶片夹紧部件上的液压杆部件15伸长，使夹紧面16压紧风机叶片，从而将风机叶片与吊具主体固定，同时为避免风机叶片表面被压坏，在吊具主体与风机叶片接触的表面上设置橡胶垫17，安装完毕后首先将吊车吊钩穿过吊装主体上提升臂1的吊装孔，做好吊装前的准备。
步骤102，根据输入的初始参数，包括吊车、轮毂、塔筒、待吊装风机叶片外形参数以及轮毂、塔筒固定位置信息，如图7所示，能够计算得到风机叶片的初始安装位置(x0,y0,z0,θ0)，风机叶片重心处于该初始安装位置(x0,y0,z0,θ0)时，在静态(无风、浪、流)悬吊情况下，风机叶片叶根中心与轮毂中心的z轴和x轴坐标相同，y轴方向人为设置保持一定安全距离以防止叶片连接螺栓碰撞损坏，其中安全距离d的取值优选为200㎜～500㎜。
步骤103，启动吊车，如图7所示，将待安装的风机叶片重心提升至初始安装位置(x0,y0,z0,θ0)，其中起吊高度误差小于或等于允许的最大对接误差(即吊具主体调节风机叶片俯仰调节叶根处z轴高度最大能力)，平面位置与转角(x0,y0,θ0)误差小于或等于推进器平面位置的最大调节能力。
步骤201，稳定阶段，以初始安装位置(x0,y0,z0,θ0)为所述风机叶片重心的目标位置和姿态，在稳定阶段的各个时刻，重复步骤202～步骤204。
步骤202，采用前馈和反馈相结合的控制方式。前馈控制起到粗调控制的作用：引导模块根据采集装置得到的实时风速和风向信息进行超短期风速预报，从而得到未来几秒内的风速和风向信息，再根据风机叶片的位姿信息以及关联信息，包括风机叶片和吊具主体的位置和姿态、风机叶片和吊具主体外形参数，在载荷仿真软件中计算各个时刻风机叶片受到的风作用力和力矩，从而得到吊具主体所需的抵消力和力矩；反馈控制起到微调控制的作用：自动控制算法(如PID算法)根据叶片当前位置和姿态(x,y,z,θ)与目标位置和姿态(x0,y0,z0,θ0)的差异，输出吊具主体当前所需的控制力和力矩作为施力信息。自动控制参数可由引导模块仿真整定得到。
步骤203，控制分配模块根据步骤202中的施力信息输出分配信息并分配给各个所述推进器执行，前馈控制和反馈控制得到的吊具主体所需推力和力矩分配至各个推进器，其中左肩上部X方向推进器7、右肩上部X方向推进器8、左肩下部X方向推进器9、右肩下部X方向推进器10同步推进可提供x方向推力，后方Y方向推进器11、前方Y方向推进器12同步推进可提供y方向推力，左肩上部X方向推进器7、左肩下部X方向推进器9和右肩上部X方向推进器8、右肩下部X方向推进器10反方向同步推进可提供x-y平面内力矩。若计算得到的吊具主体所需推力和力矩超出吊具主体运动控制装置的控制范围，则警报模块发出警报。
步骤204，控制分配模块根据分配信息将分配得到的各个推进器所须产生的推力转化为油门信号，并输出至执行模块，使风机叶片在初始位置保持稳定。若叠加后得到的油门信号超出100％油门(即超出任一推进器推力范围)，则警报模块发出警报。
步骤301，对接阶段，在稳定阶段保持稳定之后，根据采集装置得到的轮毂实时位置(xc,yc,zc),确定风机叶片第二安装位置和姿态为(xc,y0,zc,θ0)，即将目标x与z改为轮毂实时的x和z坐标。采用步骤202～步骤204相同的方式保持风机叶片稳定在第二安装位置(xc,y0,zc,θ0)，进而使叶根追踪轮毂，减小甚至消除二者相对运动。
步骤302，根据采集装置的光学定位器得到的叶根螺栓标记点(Marker)与高速相机实时相对方位，可计算得到标记点所在叶根螺栓与其对应螺栓孔的实时相对方位，进而判断叶根螺栓与螺栓孔之间方位差(x与z坐标)是否达到对接精度。
步骤303，当达到对接精度要求时，使用y方向推进器推动叶片，使叶根处螺栓插入轮毂处对应的螺栓孔，并开始进行锁紧；若未达到对接精度要求，即存在x或z方向方位差，则可微调稳定目标位置(xc,y0,zc,θ0)或微调吊具的纵倾调节机构，直到满足对接精度要求，再使用y方向推进器推动叶片完成对接。
步骤401，锁紧阶段，风机叶片的目标位置保持在步骤303对接成功时的位置，并按照步骤202～步骤204保持稳定，直至锁紧操作完成。
步骤402，锁紧完成后，收回液压杆部件15，风机叶片与吊具主体分离，吊装完成，收回吊具主体并进行下一个风机叶片的吊装。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，包括：
吊具主体，用于夹持风机叶片；
位姿调整装置，安装在所述吊具主体上并执行控制命令以调整所述风机叶片的位姿；
采集装置，采集所述风机叶片的位姿信息以及关联信息；
控制装置，根据获得的位姿信息以及关联信息并采用自动控制算法输出所述的控制命令。
2.根据权利要求1所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述位姿调整装置被配置为包括用于调节所述吊具主体轴向与水平面夹角的纵倾调节机构以及用于调节所述吊具主体沿轴向方向两端的摆动的推力机构以修正所述风机叶片的位置。
3.根据权利要求2所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述推力机构被配置为包括多个以对称方式布置在所述吊具主体上的推进器，其中，所述推进器能够以固定方式或可旋转方式安装在所述吊具主体上并执行控制命令以抵消所述吊具主体的摆动。
4.根据权利要求1所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述吊具主体通过配置不同配重的方式调整整体重心用以匹配采用不同型号风机叶片或夹持所述风机叶片不同部位的安装作业。
5.根据权利要求1所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述吊具主体通过配置的叶片夹紧部件夹紧所述风机叶片且所述叶片夹紧部件被配置为带有调节夹持空间的机构用以容纳不同型号的风机叶片。
6.根据权利要求1所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述采集装置被配置为包括获得采集数据的采集模块以及用于处理所述采集数据的处理模块并最终输出位姿信息以及关联信息。
7.根据权利要求2所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制系统，其特征在于，所述控制装置包括：
引导模块，基于所述位姿信息和关联信息生产施力信息；
控制分配模块，根据所述施力信息输出分配信息；
监控模块，通过显示器显示所述位姿信息、关联信息以及分配信息并被配置为具有手动操作功能用以供人工控制；
警报模块，将所述位姿信息与预设阈值进行比较并能够识别超出所述预设阈值范围内的信息作为报警信息进行报警以供操作人员判断是否停止吊装。
8.一种适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤101：将待安装的风机叶片通过叶片夹紧部件固定在吊具主体上，进入准备阶段，吊车吊钩与连接所述吊具主体；
步骤102：根据输入的初始参数计算得到所述风机叶片的重心的初始安装位置；
步骤103：启动吊车，将待安装的风机叶片重心提升至所述初始安装位置，其中，起吊高度误差小于或等于允许的最大对接误差，平面位置与转角误差不超过推进器平面位置的最大调节能力；
步骤201：吊具主体进入稳定阶段，以所述初始安装位置为所述风机叶片重心的目标位置和姿态，在稳定阶段的各个时刻，重复步骤202～步骤203；
步骤202：通过引导模块根据采集装置得到所述关联信息中的实时风速和风向信息进行超短期风速预报，从而得到未来几秒内的风速和风向信息，再根据风机叶片的位姿信息以及关联信息，在载荷仿真软件中计算各个时刻风机叶片受到的风作用力和力矩，从而得到吊具主体所需的抵消力和力矩；采用自动控制算法根据风机叶片当前位置和姿态与目标位置和姿态的差异，输出吊具主体当前所需的控制力和力矩作为施力信息进而得到自动控制参数；
步骤203：控制分配模块根据所述施力信息输出分配信息，其中多个所述推进器能够实现所述风机叶片水平方向上横向、纵向位置的调整，当所述分配信息所对应的推力和力矩超出吊具主体运动控制装置的控制范围，则警报模块发出警报；
步骤204：所述控制分配模块根据所述分配信息得到各个推进器所须产生的推力转化为油门信号并输出至执行模块，使风机叶片在初始位置保持稳定，若叠加后得到的油门信号超出任一个或任多个所述推进器的100％油门，则警报模块发出警报
步骤301：在稳定阶段保持稳定之后进入对接阶段，根据采集装置得到的轮毂实时位置，确定风机叶片第二安装位置和姿态，采用步骤202～步骤204相同的方式使风机叶片保持稳定在第二安装位置，进而使风机叶片的叶根追踪轮毂，并使风机叶片的叶根和轮毂之间的距离保持在设定范围内；
步骤302：根据采集装置上的光学定位器得到所述叶根螺栓标记点与高速相机实时相对方位，计算得到叶根螺栓标记点所在叶根螺栓与对应螺栓孔的实时相对方位，进而判断叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差是否达到对接精度；
步骤303：当达到对接精度要求时，通过相应的推进器使所述叶根处叶根螺栓插入轮毂处对应的螺栓孔，并开始进行锁紧；若未达到对接精度要求，即存在所述叶根螺栓与对应螺栓孔之间方位差未达到对接精度，通过微调稳定目标位置或微调吊具的纵倾调节机构，直到满足对接精度要求，再在相应的推进器的驱使下完成对接；
步骤401：使风机叶片的目标位置保持在步骤303对接成功时的位置，并按照步骤202～步骤204保持稳定，直至锁紧操作完成；
步骤402：锁紧操作完成后，通过驱使叶片夹紧部件使风机叶片与吊具主体分离，吊装完成。
9.根据权利要求8所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，其特征在于，所述最大对接误差小于或等于所述吊具主体能够调节风机叶片叶根处竖直方向的高度。
10.根据权利要求8所述的适用于风机叶片安装的吊具运动控制方法，其特征在于，所述初始参数包括吊车、轮毂、塔筒、待吊装风机叶片外形参数以及轮毂、塔筒固定的位置信息。
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