CN113279921A - 采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法与系统，设置N个激光器，发出N个不同角度的激光束，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是：风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距离，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡；利用摄像头对光斑进行成像，通过检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化，即可检测风电叶片是否扫过对应的激光束，根据被遮挡激光束的个数和编号即可实现风电叶片净空距离测量。本发明可在无需复杂图像处理以及辅助补光的条件下实现风电叶片净空距离的快速测量。

Description

采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法与系统

技术领域

本发明属于风力发电机技术领域，涉及风电叶片与塔筒净空的测量。

背景技术

在风力发电机系统中，叶片是外部运动部件，也是造成重大事故的主要故障来源。当外部强风超过设计门限，而风机未能及时变桨或停机，叶片就可能出现变形过大，发生叶片尖端和塔筒碰撞，进而导致重大设备损失甚至人员伤亡。另一方面，如果叶片结构出现损伤或存在制造缺陷，即使在安全风速范围内，也可能出现远大于设计的变形，同样导致重大事故。

如果不对叶片净空距离进行测量，那么就必须进行保守方案。这一方面体现在叶片的设计上，通过加强叶片的强度可以减少叶片的变形，但这必然增加叶片的重量，增加整个风力发电机系统的成本。另一方面体现在风力发电机采用更保守的方式工作，这可以是通过变桨来减少叶片风力载荷，也可以是降低停机的门限风速。但保守的工作方式必然会导致发电量的减少，直接减少风力发电机的效益。

由于叶片净空距离测量的重要性，已经出现了很多采用不同原理的测量方法。其中有的方案采用激光雷达对叶片进行测距，激光雷达通过测量反射回来的光波延时进行测距。该方案的设备昂贵，成本高。有的方案采用毫米波雷达进行测距，毫米波雷达通过测量反射回来的毫米波延时进行测距。毫米波雷达环境适应性较好，但是也具有成本高的问题。有的方案采用超声波雷达对叶片进行测距，超声波雷达通过测量反射回来的超声波延时进行测距。超声波雷达成本低，但是测量精度低。还有的方案采用视频图像识别的方案进行测距，视频图像识别方案在弱光照条件下无法工作，必须进行辅助补光。而辅助补光在雨天时由于大面积雨滴的散射，造成视频图像识别的性能急剧下降。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，以期在无需复杂图像处理以及辅助补光的条件下实现风电叶片净空距离的快速测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，设置N个激光器，发出N个不同角度的激光束，N≥1，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是：风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距离，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，所述激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡；利用摄像头对所述光斑进行成像，通过检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化，即可检测风电叶片是否扫过对应的激光束，根据被遮挡激光束的个数和编号即可实现风电叶片净空距离测量。

优选地，所述N个激光器均安装于风电叶片的后方，更优选地，所述N个激光器均位于风力发电机机舱上，N个激光束向风电叶片方向，斜向下照射。

优选地，所述摄像头与N个的激光器均位于同一位置，摄像头的取景范围和各激光束的照射范围重合，从而检测每个光斑像点亮度的幅度变化；或者，所述摄像头与N个的激光器位于不同位置，摄像头的取景范围和各激光束的照射范围不重合，从而检测每个光斑像点亮度的位置变化。

其中，能够被风电叶片在转动中周期性遮挡的激光束，在没有被风电叶片遮挡时，接收面为地面，被风电叶片遮挡时，接收面为风电叶片，光斑标定区域的像点亮度整体上为一个时变函数。

N＝1时，调整激光束的角度，使风电叶片到塔筒的净空距离值等于最小安全距离时，激光束正好被遮挡，此时系统工作在双值状态：当激光束没有被周期性遮挡时，风电叶片叶尖没有扫塔危险，当激光束被周期性遮挡时，风电叶片叶尖到塔筒之间的距离已小于最小安全距离，此时风电叶片有扫塔危险；

N＞1时，调整最小净空距离值对应的激光束的角度，使最小净空距离值等于最小安全距离。此时，激光束的个数越多，间距越小，则风电叶片净空距离的测量精度越高。

相应地，本发明还提供了采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量系统，包括：

若干激光器，发出N个不同角度的激光束，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距离，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，所述激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡；

摄像头，对所述光斑进行成像，检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化；

处理器，根据所述光斑像点亮度的幅度变化，判断风电叶片是否扫过对应的激光束，并根据被遮挡激光束的个数和编号得到风电叶片净空距离范围值。

所述摄像头与N个的激光器均位于风力发电机机舱上，摄像头与处理器通过有线或无线方式通信，或摄像头与处理器集成于一体；或者，所述摄像头与N个的激光器处于不同位置。

激光束对应风电叶片到塔筒的最小净空距离值不大于最小安全距离，当风电叶片净空距离小于最小安全距离时，处理器发出告警信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与传统的视频图像识别方案不同，本发明不需要对视频图像中的叶片进行识别，也不需要对风电叶片和背景图像进行图形分割。在风电叶片工作的各种状态下，激光束产生光斑在摄像头内的成像位置不变，所以只需要对光斑标定的像素点进行亮度检测或者对其位置进行检测，就可以实现风电叶片和塔筒间距的测量，在计算效率上实现了数量级的提高。

2、与普通光源补光相比，激光照明在雨天不会产生大面积雨滴的散射，保证了摄像头的正常工作。在小雨、中雨天气中，激光在地面、风电叶片上形成的光斑依然具有明显的亮度信号特征、位置信号特征差别，可以进行风电叶片是否遮挡光束的判定，进而完成测距。

总之，与传统的采用光源补光的视频图像识别方案相比，本发明一方面大幅度减少了图像处理过程的计算量，显著降低了方案对图像处理硬件的要求、节省了系统成本、设备能耗。另一方面由于本发明的能量汇聚程度高，还可以大幅度降低照明所需能耗。而且本发明还具有很好的环境适应性，在小雨、中雨环境下依然可以正常工作。

附图说明

图1为本发明采用三个激光束进行风电叶片净空距离测量的示意图，图中风电叶片未遮挡激光束，摄像机和激光同位置安装。

图2为本发明采用三个激光束进行风电叶片净空距离测量的示意图，图中风电叶片遮挡了一个激光束，摄像机和激光同位置安装。

图3为图1中风电叶片未遮挡激光束时，摄像头拍摄的图像。

图4为图2中风电叶片遮挡激光束时，摄像头拍摄的图像。

图5为风电叶片周期性遮挡激光束产生幅度变化的信号。

图6为本发明采用两个激光束进行风电叶片净空距离测量的原理示意图。

图7为本发明采用三个激光束进行风电叶片净空距离测量的示意图，图中风电叶片未遮挡激光束，摄像机和激光不同位置安装

图8为本发明采用三个激光束进行风电叶片净空距离测量的示意图，图中风电叶片遮挡了一个激光束，摄像机和激光不同位置安装。

图9为图7中风电叶片未遮挡激光束时，摄像头拍摄的图像。

图10为图8中风电叶片遮挡激光束时，摄像头拍摄的图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明为一种采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，基于幅度域或位置域，采用激光照明、视频图像处理的方案对风电叶片净空距离进行测量。激光照明由一个或多个指向略有差异的激光束构成，激光束的个数越多，风电叶片净空距离的测量精度越高。

具体地，利用N(N≥1)个激光器，发出N个不同角度的激光束，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是：风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点，至塔筒的距离。

其中，激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡，或者能够被发生轴向移动后的风电叶片在转动过程中周期性遮挡。利用摄像头对光斑进行成像，通过检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化，即可检测风电叶片是否扫过对应的激光束，根据被遮挡激光束的个数和编号即可实现风电叶片净空距离测量。

本发明中，N个不同角度的激光束可位于同一平面，并与风电叶片的转动面垂直，以使得结构更加简单，但位于同一平面以及与风电叶片的转动面垂直并非必要条件，关键仍在于合适的间距以及角度选择。

本发明中，当激光束没有被风电叶片遮挡时，接收面为地面，当激光束被风电叶片遮挡时，接收面则为风电叶片，光斑标定区域的像点亮度整体上为一个时变函数。

本发明中，N＝1即只有一个激光器时，可通过调整激光束的角度，使风电叶片和塔筒之间的距离等于最小安全距离时，激光束正好被遮挡，此时系统工作在双值状态：当激光束没有被风电叶片遮挡时，风电叶片没有扫塔危险，当激光束被风电叶片遮挡时，风电叶片到塔筒之间的距离已小于最小安全距离，此时风电叶片有扫塔危险。

N＞1即有多个激光器时，调整最小净空距离值对应的激光束的角度，使最小净空距离值等于最小安全距离。此时，激光束的个数越多，间距越小，则风电叶片净空距离的测量精度越高。

本发明利用光斑像点亮度的幅度变化的一个实施例如图1所示，N＝3，3个激光器均位于风力发电机机舱上，发出的3个激光束斜向下照射，分别为激光束一1a、激光束二1b和激光束三1c，风电叶片11随着受到的风压大小的变化，会在图中左右移动(即沿转轴的轴向移动)。图1中风电叶片11未遮挡激光束，因此激光束投射到地面10上，产生三个光斑，分别为光斑一2a、光斑二2b和光斑三2c。

图2中，风电叶片11由于风压的影响，向右移动(即向塔筒方向也即机舱方向移动)并遮挡了激光束一1a，此时激光束一1a照射到风电叶片11上，并在风电叶片11上投射形成了一个光斑3a。激光束二1b和激光束三1c未受遮挡，依然在地面10上产生光斑二2b和光斑三2c。

在图1、图2中都有一个摄像头12。摄像头12和三个激光器安装在风力发电机机舱的同一个位置上。摄像头12的取景范围和各激光束照射范围重合。当所有激光束均没有被风电叶片11遮挡的时候，摄像头12获取的图像如图3所示。图像中三个像点对应光斑一2a、光斑二2b和光斑三2c。当激光束一1a被风电叶片11遮挡时，摄像头12获取的图像如图4所示。图像中有三个像点的位置和图3中完全一致，但是第一个像点是激光束一1a在叶片上的光斑3a。另外两个像点对应光斑二2b和光斑三2c，和图3中一致。

在风机工作过程中，风电叶片11实际上处于转动状态，图2中风电叶片11会周期性地对激光束一1a产生遮挡，产生的信号幅度波形如图5所示。在风电叶片11没有遮挡激光束时，摄像头12的拍摄到地面的光斑一2a，对应一个稳定的像点亮度。当风电叶片11扫过激光束时，会在风电叶片11上产生光斑3a。由于风电叶片11具有气动外形，风电叶片11表面在转动的过程和激光束的夹角在持续变化，所以光斑3a的像点亮度是一个时变函数。通过检测摄像头12捕捉的每个激光束光斑像点的幅度变化，就可以检测风电叶片11是否扫过了对应的激光束。

本发明的基本的原理是，各激光束形成了一组到塔筒距离不同的光栅，风电叶片11靠塔筒越近，扫过的激光束就越多，且扫过的激光束对应的净空距离值是确定的，以此即可确定风电叶片11到塔筒的距离，如图6所示。

图中，角度α指的是激光束二1b与塔筒轴向的夹角，角度β指的是激光束一1a与塔筒轴向的夹角；距离a指的是激光束二1b对应的净空距离值，距离b指的是激光束一1a对应的净空距离值。由此，当仅激光束一1a能够被转动的风电叶片11周期性遮挡时，风电叶片净空距离即处于距离b的范围内。

本发明利用光斑的位置变化的一个实施例如图7所示，三个激光器仍然安装于风力发电机机舱的同一个位置上，与利用光斑像点亮度的幅度变化的实施例的主要区别在于，摄像头12的安装位置与三个激光器的安装位置不同，比如激光器可以安装在机舱的左后部，摄像头可以安装在机舱的右前部。

在图7中，风电叶片11未遮挡激光束，因此激光束投射到地面10上，产生三个光斑，分别为光斑一2a、光斑二2b和光斑三2c。

图8中风电叶片11由于风压的影响，向右移动并遮挡了激光束一1a。此时1a激光束照射到风电叶片11上，并在风电叶片11上形成了一个光斑3a。激光束二1b和激光束三1c未受遮挡，依然在地面10上产生光斑二2b和光斑三2c。

当激光束没有被遮挡的时候，摄像头12获取的图像如图9所示。图像中三个像点对应光斑一2a、光斑二2b和光斑三2c。当激光束一1a被遮挡时，摄像头12获取的图像如图10所示。图像中未被遮挡的光斑二2b和光斑三2c产生的两个像点位置和图3中完全一致。但是被遮挡的激光束一1a在叶片上的光斑3a在图像中发生了位移。通过检测像点的位移变化，就可以检测叶片是否扫过了对应的激光束。

在风机工作过程中，风电叶片11实际上处于转动状态，图8中风电叶片11会周期性地对激光束一1a产生遮挡。在风电叶片11没有遮挡激光束一1a时，摄像机12拍摄到地面的光斑一2a，对应一个位置稳定的像点。当风电叶片11扫过激光束时，会在风电叶片11上产生光斑3a。由于风电叶片11具有气动外形，风电叶片11表面在转动的过程中遮挡激光束一1a的位置在持续变化，所以光斑3a在摄像机12图片中的位置沿图10虚线连续移动。通过检测摄像机12每个激光束位移的连续监测，可以进一步提高检测的精度。

相应地，本发明采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量系统，包括：

若干激光器，发出N个不同角度的激光束，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，所述激光束中的至少一个能够被转动的风电叶片周期性遮挡；

摄像头，对所述光斑进行成像，检测每个光斑像点亮度的幅度变化；摄像头与N个的激光器可均位于风力发电机机舱上，摄像头与处理器通过有线或无线方式通信，或摄像头与处理器集成于一体。

处理器，根据光斑像点亮度的幅度变化或者光斑的位置变化，判断风电叶片是否扫过对应的激光束，并根据被遮挡激光束的个数和编号得到风电叶片净空距离范围值。

其中，激光束对应风电叶片到塔筒的最小净空距离值不大于最小安全距离，当风电叶片净空距离小于最小安全距离时，处理器发出告警信号。

在本发明利用光斑像点亮度的幅度变化的一个具体应用例中，采用由650nm波长5mW的8个激光器组成的激光器组件。对应80米的风电叶片，当激光器组件在风机机舱上紧贴塔筒安装时，假设塔筒壁垂直，第1到8个激光束角度分别设为3.58，4.29，5.00，5.71，6.41，7.13，7.83，8.53度，此时各激光束对应的叶片塔筒间距为5，6，7，8，9，10，11，12米。在安装时，需要调整激光器组件角度，使第1个激光束正好对应于叶片、塔筒间距为5米的角度。由于其它激光器的角度和第1个激光器的角度由激光器组件的结构保证，当第1个激光束校准完成后，其它激光束就全部完成了校准。

当只有第8个激光束被遮挡时，表明叶片距塔筒距离在11～12米之间。当第7，8激光束被遮挡时，表明叶片距塔筒距离在10～11米之间。当第2到8激光束被遮挡时，表明叶片距塔筒距离在5～6米之间。当第1到8激光束全部被遮挡时，表明叶片距塔筒距离已小于最小安全距离5米，此时必须立刻进行变桨或停机，避免发生风电叶片扫塔事故。

激光束除了采用等间距设置方式外，也可以灵活地根据要求进行不等间距设置。通过加密靠近塔筒的激光束密度，扩宽远离塔筒激光束的间距，可以在不增加激光束总数目的前提下，获得更好的系统性能。摄像头可以采用OV9281黑白全局快门摄像头。该摄像头在640*480像素时可以达到180fps帧速。为了提高对太阳光和其它干扰光源的抑制，可以在摄像头上加装650nm频率50nm带宽窄带滤光片。相机镜头可采用M12规格、25mm焦距、15度视角的远焦镜头。

在本发明利用光斑位置变化的一个具体应用例中，采用650nm波长5mW激光器8个，对应80米叶片，当激光器在风机机舱上紧贴塔筒安装时，假设塔筒壁垂直，激光束角度分别设为3.58，4.29，5.00，5.71，6.41，7.13，7.83，8.53度，此时各激光束对应的叶片塔筒间距为5，6，7，8，9，10，11，12米。如果对于部分间距范围内需要更高的精度，也可以采用非等间距的激光束。

摄像头可以采用OV9281黑白全局快门摄像头。该摄像头在640*480像素时可以达到180fps帧速。为了提高对阳光和其它干扰光源的抑制，可以在摄像头上加装650nm窄带滤光片。相机镜头可采用M12规格、25mm焦距、15度视角。

Claims (10)

1.采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，设置N个激光器，发出N个不同角度的激光束，N≥1，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距离，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，所述激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡；利用摄像头对所述光斑进行成像，通过检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化，即可检测风电叶片是否扫过对应的激光束，根据被遮挡激光束的个数和编号即可实现风电叶片净空距离测量。

2.根据权利要求1所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，所述N个激光器均安装于风电叶片的后方。

3.根据权利要求2所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，所述N个激光器均位于风力发电机机舱上，N个激光束向风电叶片方向，斜向下照射。

4.根据权利要求2或3所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，所述摄像头与N个的激光器均位于同一位置，摄像头的取景范围和各激光束的照射范围重合，从而检测每个光斑像点亮度的幅度变化；或者，所述摄像头与N个的激光器位于不同位置，摄像头的取景范围和各激光束的照射范围不重合，从而检测每个光斑像点亮度的位置变化。

5.根据权利要求2或3所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，能够被风电叶片在转动中周期性遮挡的激光束，在没有被风电叶片遮挡时，接收面为地面，被风电叶片遮挡时，接收面为风电叶片，光斑标定区域的像点亮度整体上为一个时变函数。

6.根据权利要求1所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于：

N＝1时，调整激光束的角度，使风电叶片到塔筒的净空距离值等于最小安全距离时，激光束正好被遮挡，此时系统工作在双值状态：当激光束没有被周期性遮挡时，风电叶片没有扫塔危险，当激光束被周期性遮挡时，风电叶片到塔筒之间的距离已小于最小安全距离，此时风电叶片有扫塔危险；

N＞1时，调整最小净空距离值对应的激光束的角度，使最小净空距离值等于最小安全距离。

7.根据权利要求5所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量方法，其特征在于，激光束的个数越多，间距越小，则风电叶片净空距离的测量精度越高。

8.采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量系统，其特征在于，包括：

若干激光器，发出N个不同角度的激光束，每个激光束对应一个净空距离值，该净空距离值指的是风电叶片末端与塔筒之间的水平连线和激光束的交点至塔筒的距离，N个激光束投射于接收面上产生N个光斑，所述激光束中的至少一个能够被风电叶片在转动过程中周期性遮挡；

摄像头，对所述光斑进行成像，检测每个光斑像点亮度的幅度变化或者每个光斑的位置变化；

处理器，根据所述光斑像点亮度的幅度变化或光斑的位置变化，判断风电叶片是否扫过对应的激光束，并根据被遮挡激光束的个数和编号得到风电叶片净空距离范围值。

9.根据权利要求8所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量系统，其特征在于，所述摄像头与N个的激光器均位于风力发电机机舱上，摄像头与处理器通过有线或无线方式通信，或摄像头与处理器集成于一体；或者，所述摄像头与N个的激光器处于不同位置。

10.根据权利要求8所述采用激光照明的视频风电叶片净空距离测量系统，其特征在于，激光束对应风电叶片到塔筒的最小净空距离值不大于最小安全距离，当风电叶片净空距离小于最小安全距离时，处理器发出告警信号。

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