CN113296082B - 一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法及辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于风机净空距离监测及标定的辅助装置，包括显示屏、数据转换接口、数据存储及处理平台；所述显示屏一端与电源电性连接，另一端通过数据转换接口与测量风机净空距离的净空雷达电性连接；所述数据存储及处理平台，用于储存净空雷达传送的图像数据，以及在图像的特定像素上进行叠加标记处理。同时，还提供了一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，该方法由于采用图像比对，使激光指向实际地面标记，而不是采用角度测量方式，无角度误差，相比于倾角传感器，标定精度高。

Description

一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法及辅助 装置

技术领域

本发明属于测量风机净空的技术领域，特别是涉及一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法及辅助装置。

背景技术

风机净空是指风力发电机组的叶片运转时叶片尖端与同高度的风机塔筒之间的距离。常见的测量风机净空采用的是激光净空监测雷达，具体地，激光净空监测雷达是通过使用激光束进行测距、进而实现净空监测的雷达，激光净空雷达一般安装于机舱下部或上部，其激光束朝向风机叶片适当倾斜，当叶片运行时会向塔筒方向弯折，弯折到一定程度时激光束落在叶片上，即可测得叶片到雷达距离，进而通过几何关系推算出净空距离，实现净空监测及保护的功能。

激光净空雷达在风机上安装时需要调整其姿态(指向、横滚、俯仰)，使得激光束指向特定位置，也就是需要进行指向标定。激光束倾斜程度不同，叶片触及激光束时所对应的净空值也不同，因此净空雷达安装时的姿态调整非常重要。

考虑到激光净空雷达姿态调整的目的在于使其发射的测距激光束指向特定位置，此特定的位置一般为叶尖高度处的某个位置，目前，可以通过一些测量方式在风机所处的地面上确定一个等效的位置，因此可以使激光束指向地面上的特定位置来等效实现；对于多光束激光净空雷达，其多个光束的相对夹角在出厂前已经确定，除需要确定其中一个光束指向地面特定位置外，还需要确定其整体指向或确定第二个光束的特定位置，以使得其他光束的位置也可指向各自的特定位置。

但是，由于激光净空雷达是一种基于激光测距的技术，其使用的激光束为红外光，肉眼不可见，激光雷达的姿态无法借助于其自身发射的激光束进行调整。

目前，现有的一般采用倾角传感器调整雷达姿态或采用人眼可见的指示激光标记雷达红外激光，使指示激光与地面标记重合的两种方式进行调整。第一种采用倾角传感器调整雷达姿态进行调整的方法，实现起来比较简单，但是，存在激光净空雷达应用于风机上时，由于塔筒高度近百米或超过一百米高，轻微的角度偏差将导致激光束指向在远处有较大的偏差，采用倾角传感器无法确知偏差有多少，且采用倾角传感器无法获知并调整雷达指向的技术问题。

第二种采用人眼可见的方式时，原理简单、直观，但是仍然存在的问题是：需要一套可以调整指示激光指向的结构，在室内调整使之与需要标记的红外激光重合，调整过程繁琐；若涉及指向标定，需要至少2根指示激光(两点一线)，成本高、复杂度增加；安装调整雷达、使指示激光与地面标记重合时需要地面人员配合报送调整方向，因为地面距离太远，调整雷达的人员看不清。

因在白天户外使用时，太阳光光照强度可能会很大，指示激光必须要有足够大的亮度(即激光束功率)才能保证地面上光斑有辨识度，一般需要100mW以上，此时激光源会有非常可观的功耗及发热量，激光源发热进一步导致其指向因热胀冷缩而变化，导致标定误差增大。

发明内容

技术问题：如何解决上述目前使用的方法仍然存在的要解决的技术问题，及如何使得激光净空雷达调整姿态时，可以使激光束更精确地指向地面某定点位置，同时可使得多光束激光净空雷达指向特定方向，一般为与风机朝向平行方向，而不在于如何通过可调机械结构来实现雷达的姿态调整，本发明提供的用于风机净空距离监测及标定的辅助装置。

技术方案为：包括显示屏、数据转换接口、数据存储及处理平台；所述显示屏一端与电源电性连接，另一端通过数据转换接口与测量风机净空距离的净空雷达电性连接；所述数据存储及处理平台，用于储存净空雷达传送的图像数据，以及在图像的特定像素上进行叠加标记处理。

作为改进，其中标记处理，包括采用特定符号进行表征图像中的至少某一个点位置、方位的标定，及定位亮斑中心点、存储及输出特定的虚拟标记，其中特定符号包括但不限于采用圆点、横纵线、交叉十字、规则形状中至少一种。

同时，还提供了一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，所述标定方法采用上述用于风机净空距离监测及标定的辅助装置，具体步骤为

步骤一：组装激光测距模块及摄像头

将多个激光测距模块与一个红外摄像头，固定安装在同一个刚性基板上底面，其中至少一个激光测距模块的视场与摄像头的视场中心保持基本平行，其中设定此平行的激光测距模块的激光束为“原点激光束”，设置测量出摄像头传感器中心点与该测距模块光学孔径中心点的距离，记为摄像头/原点激光束中心距为1～10cm；

步骤二：室内标定

在室内通过用于风机净空距离监测及标定的辅助装置进行虚拟标定，进行对多个激光测距模块与一个摄像头在平面上的激光束光斑显示、虚拟标记投影、互相对齐处理后，获得虚拟标记文件；

步骤三：初步安装激光净空雷达

将步骤一中结构装在一保护外壳内，组装为激光净空雷达，将激光净空雷达放置在风机的机舱内或机舱外要求的位置，进行初步固定；

步骤四：投射虚拟标记文件并调整雷达姿态

将激光净空雷达摄像头连接标定辅助装置，装置显示摄像头俯视状态下风机附近地面图像，然后将虚拟标记叠加于地面图像上，同时在地面上进行测量找点并放置标记物、对激光净空雷达位置调整使虚拟标记与标记物重合，最后获得标准标定结果；步骤五：固定安装雷达

固定激光净空雷达姿态，使得激光净空雷达的原点激光束均按照实际要求投射在地面标记物的对应位置，完成标定。

作为改进，步骤一中，所述刚性基板，用于所有激光测距模块、红外摄像头的相对位置、相对姿态不发生变化；当激光净空雷达多于1组时，按照步骤一中与原点激光束的相对位置，进行调整。

作为改进，步骤二，具体的方法为：

(1)首先在室内标定原点激光束与摄像头的相对位置，使摄像头及激光测距模块朝向一个较远距离的、与激光束垂直的平面上；

(2)将摄像头采集的数据通过接口连接显示屏，通过数据存储及处理平台对采集的图像进行，在特定像素上叠加标记处理、以及追踪亮斑中心点；

(3)将所有测距激光模块上电，使激光光源出光，光束打在平面上，此时数据存储及处理平台显示的摄像头拍摄的图像中，会出现激光测距模块发出的光束在其前方平面上打出的光斑，进行追踪光斑中心点，及计算出其坐标、加载虚拟标记；

(4)在数据存储及处理平台进行图像标定处理时，将虚拟标记的原点位置进行自动或人工对齐原点激光束对应的亮斑中心点，并自动补偿“摄像头/原点激光束中心距”以确保摄像头与原点激光束的完全平行；标定后，输出或导出“虚拟标记文件”。

作为改进，步骤(3)中，标记处理时，标记符号为直角坐标系符号、圆圈、三角形、星形、矩形、箭头、曲线、直线中至少一种。

作为改进，步骤四中，具体的方法为：

(1)获得地面上机舱俯视图像及叠加虚拟标记文件

激光净空雷达固定安装在风机的机舱上，获得将摄像头拍摄的俯视状态下风机一侧的地面机舱观测到的风机附近地面图像；

通过显示屏与摄像头数据接口连接，在数据存储及处理平台内显示步骤二获得的“虚拟标记文件”，与获得的地面图像，进行叠加虚拟标记文件；

(2)地面标定

通过对净空距离的计算及测量的方式，在地面上，获得原点激光束和/或其他激光束打在地面上的位置和/或指向，并在相应位置放置较大的标记物，标记物用于标记原点激光束在地面的落点位置及其他激光束连线的方向，或标记其他激光束落点位置；光线不好，采用物补光或放置LED灯方式标记；

(3)调整激光净空雷达姿态校正地面标定

通过调整激光净空雷达的指向、横滚角度、俯仰角度，进行调整调整摄像头视场位置，使虚拟标记对齐地面上对应的标记物位置，获得最终地面标定结果；；

(4)完成雷达标定

雷达姿态完成调整，此时雷达的原点激光束按要求打在地面标记物的相应位置，其他激光束也打在相应位置。

有益效果：与现有的方法相比，本发明的测量方法的优势在于以下几点：

1.采用图像比对，使激光指向实际地面标记，而不是采用角度测量方式，无角度误差，相比于倾角传感器，标定精度高。

2.摄像头采用在图像上进行标记的方法标定其与激光束相对位置，不需要调整也不需要采用对应的调整结构。

3.单个摄像头可适配单光束/多光束雷达的标定需求，可标定其视野内多个点，也可标定一个点及一个指向，两者均可实现多光束的标定，成本及复杂度不会增加。

4.摄像头方法调整雷达姿态时，调节人员可通过边观察摄像头图像边调整雷达姿态，相比于一人调整姿态另一人观察并反馈信息来说更直接更高效。

5.摄像头在白天使用时太阳光强度不影响使用，优选为红外摄像头。

6.摄像头本身不会有较大发热量，不会有热膨胀导致变形的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1中安装过程的原理示意图。

图2为本发明实施例1中室内标定时虚拟平面的投射示意图。

图3为本发明实施例1中室内标定时识别光斑中心点的示意图。

图4为本发明实施例1中室内标定时获得的示意图。

图5为本发明实施例1中雷达实际安装时俯视下获得风机的地面图像示意图。

图6为本发明实施例1中雷达实际初步安装时的结构示意图。

图7为本发明实施例1中雷达实际安装时叠加虚拟标记文件后

图8为本发明实施例1中雷达实际安装时调试后最终的图像示意图。

图9为本发明用于风机净空距离监测及标定的辅助装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明是采用红外摄像头与激光束保持固定在一个机械结构上，红外摄像头在室内可以显示红外波段的测距激光束，在较远的距离上标定出激光束在摄像头上的位置并将位置数据保存；

在雷达进行安装时，通过将获得的位置数据，作为一个标记叠加显示在摄像头上，通过观察摄像头调整雷达姿态，使摄像头图像叠加显示的标记与摄像头观察到的地面上的标记点重合，即可等效为激光束与地面标记重合，即使激光束指向了地面定点位置；对于多光束雷达，可在地面标记多个点，或者标记雷达指向，使摄像头显示的指向与地面指向标记(如一条直线)重合，以下通过具体的实施例进行说明。

实施例1

第一步：安装

1.1将激光净空雷达的激光测距模块与摄像头安装于同一个刚性基板上；摄像头为红外摄像头

1.2至少一个激光测距模块的视场与红外摄像头的视场中心保持基本平行(即朝向同一个方向，不进行细微调整、不严格平行)，此平行的激光测距模块的激光束称为“原点激光束”。

测量出摄像头传感器中心点与测距模块1光学孔径中心点的距离，叫做“摄像头/原点激光束中心距”(大约1～10cm)。

1.3刚性基板确保了所有激光测距模块与摄像头相对位置及相对姿态不会发生变化，其它激光束与原点激光束的相对位置进行一一地调整好。

第二步：室内虚拟标定

2.1首先在室内标定原点激光束与摄像头的相对位置，使摄像头及激光测距模块朝向一个较远距离的、与激光束垂直的平面上；

2.2将摄像头采集的数据通过接口连接显示屏，通过数据存储及处理平台对采集的图像进行，在特定像素上叠加标记处理、以及追踪亮斑中心点；

2.3将所有测距激光模块上电，使激光光源出光，光束打在平面上，此时数据存储及处理平台显示的摄像头拍摄的图像中，会出现激光测距模块发出的光束在其前方平面上打出的光斑，进行追踪光斑中心点，及计算出其坐标、加载虚拟标记；

2.4在数据存储及处理平台进行图像标定处理时，将虚拟标记的原点位置进行自动或人工对齐原点激光束对应的亮斑中心点，并自动补偿“摄像头/原点激光束中心距”以确保摄像头与原点激光束的完全平行；标定后，输出或导出“虚拟标记文件”。

3雷达实际安装时的指向标定

3.1将雷达初步放置在风机的机舱内或机舱外的要求的位置，并进行初步的固定以防脱落，用电脑连接雷达摄像头，并采用2.4获得的“虚拟标记文件”，此时摄像头会显示从风机向下方地面观测的图像显示内容为俯视状态下风机旁边的地面机舱向下方俯视观测到的风机附近地面，并显示出叠加在图像上的虚拟标记。

3.2在地面上，通过计算及测量的方式找到原点激光束和/或其他激光束应该打在地面上的位置和/或指向，并在相应位置放置较大的标记物，标记物可标记原点激光束在地面的落点位置及其他激光束连线的方向，或标记所有激光束落点位置。

此时摄像头内可以清晰观测到标记物的位置。若在晚上光线不好，可对标记物补光或在其关键位置粘贴LED灯带等方式使摄像头顺利观察。

3.3调整雷达姿态，调整其指向、横滚、俯仰，此时景物在摄像头视野内会相应移动，同样在地面上的标记物也会移动，通过观察其移动方向进行雷达姿态调整，使之与虚拟标记对齐，由于实际应用时距离较远，例如塔筒高度80-100米，可以忽略“摄像头/原点激光束中心距”的误差。

3.4此时雷达姿态完成调整，此时雷达的原点激光束按要求打在了地面标记物的相应位置，其他激光束也打在了相应位置。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.用于风机净空距离监测及标定的辅助装置，其特征在于：包括显示屏、数据转换接口、数据存储及处理平台；所述显示屏一端与电源电性连接，另一端通过数据转换接口与测量风机净空距离的净空雷达电性连接；

所述数据存储及处理平台，用于储存净空雷达传送的图像数据，以及在图像的特定像素上进行叠加标记处理；

其中叠加标记处理是在室内标定进行，具体包括将所有测距激光模块上电，使激光光源出光，光束打在平面上，此时数据存储及处理平台显示的摄像头拍摄的图像中，会出现激光测距模块发出的光束在其前方平面上打出的光斑，进行追踪光斑中心点，及计算出其坐标、加载虚拟标记；

在数据存储及处理平台进行图像标定处理时，将虚拟标记的原点位置进行自动或人工对齐原点激光束对应的亮斑中心点，并自动补偿“摄像头/原点激光束中心距”以确保摄像头与原点激光束的完全平行；标定后，输出或导出“虚拟标记文件”。

2. 根据权利要求1所述的用于风机净空距离监测及标定的辅助装置，其特征在于：其中标记处理，包括采用特定符号进行表征图像中的至少某一个点位置、方位的标定，及定位亮斑中心点、存储及输出特定的虚拟标记，其中特定符号包括但不限于采用圆点、横纵线、交叉十字、规则形状中至少一种。

3. 一种激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：所述标定方法采用权利要求1或2所述的用于风机净空距离监测及标定的辅助装置，具体步骤为

步骤一：组装激光测距模块及摄像头

将多个激光测距模块与一个摄像头，固定安装在同一个刚性基板上底面，其中至少一个激光测距模块的视场与摄像头的视场中心保持基本平行，其中设定此平行的激光测距模块的激光束为“原点激光束”，设置测量出摄像头传感器中心点与该测距模块光学孔径中心点的距离，记为摄像头/原点激光束中心距为1~10cm；

步骤二：室内标定

在室内通过用于风机净空距离监测及标定的辅助装置进行虚拟标定，进行对多个激光测距模块与一个摄像头在平面上的激光束光斑显示、虚拟标记投影、互相对齐处理后，获得虚拟标记文件；

步骤三：初步安装激光净空雷达

将步骤一中结构装在一保护外壳内，组装为激光净空雷达，将激光净空雷达放置在风机的机舱内或机舱外要求的位置，进行初步固定；

步骤四：投射虚拟标记文件并调整雷达姿态

将激光净空雷达摄像头连接标定辅助装置，装置显示摄像头俯视状态下风机附近地面图像，然后将虚拟标记叠加于地面图像上，同时在地面上进行测量找点并放置标记物、对激光净空雷达位置调整使虚拟标记与标记物重合，最后获得标准标定结果；

步骤五：固定安装雷达

固定激光净空雷达姿态，使得激光净空雷达的原点激光束均按照实际要求投射在地面标记物的对应位置，完成标定。

4.根据权利要求3所述激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：步骤一中，所述刚性基板，用于所有激光测距模块、摄像头的相对位置、相对姿态不发生变化；当激光净空雷达多于1组时，按照步骤一中与原点激光束的相对位置，进行调整。

5.根据权利要求3所述激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：步骤二，具体的方法为：

（1）首先在室内标定原点激光束与摄像头的相对位置，使摄像头及激光测距模块朝向一个较远距离的、与激光束垂直的平面上；

（2）将摄像头采集的数据通过接口连接显示屏，通过数据存储及处理平台对采集的图像进行，在特定像素上叠加标记处理、以及追踪亮斑中心点；

（3）将所有测距激光模块上电，使激光光源出光，光束打在平面上，此时数据存储及处理平台显示的摄像头拍摄的图像中，会出现激光测距模块发出的光束在其前方平面上打出的光斑，进行追踪光斑中心点，及计算出其坐标、加载虚拟标记；

（4）在数据存储及处理平台进行图像标定处理时，将虚拟标记的原点位置进行自动或人工对齐原点激光束对应的亮斑中心点，并自动补偿“摄像头/原点激光束中心距”以确保摄像头与原点激光束的完全平行；标定后，输出或导出“虚拟标记文件”。

6.根据权利要求5所述激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：步骤（3）中，标记处理时，标记符号为直角坐标系符号、圆圈、三角形、星形、矩形、箭头、曲线、直线中至少一种。

7.根据权利要求3-5任一所述激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：其中所述摄像头为红外摄像头，能够拍摄到激光光束。

8.根据权利要求3或5所述激光净空雷达监测风机净空距离时的标定方法，其特征在于：步骤四中，具体的方法为：

（1）获得地面上机舱俯视图像及叠加虚拟标记文件

激光净空雷达固定安装在风机的机舱上，获得将摄像头拍摄的俯视状态下风机一侧的地面机舱观测到的风机附近地面图像；

通过显示屏与摄像头数据接口连接，在数据存储及处理平台内显示步骤二获得的“虚拟标记文件”，与获得的地面图像，进行叠加虚拟标记文件；

（2）地面标定

通过对净空距离的计算及测量的方式，在地面上，获得原点激光束和/或其他激光束打在地面上的位置和/或指向，并在相应位置放置较大的标记物，标记物用于标记原点激光束在地面的落点位置及其他激光束连线的方向，或标记其他激光束落点位置；光线不好，采用物补光或放置LED灯方式标记；

（3）调整激光净空雷达姿态校正地面标定

通过调整激光净空雷达的指向、横滚角度、俯仰角度，进行调整摄像头视场位置，使虚拟标记对齐地面上对应的标记物位置，获得最终地面标定结果；

（4）完成雷达标定

雷达姿态完成调整，此时雷达的原点激光束按要求打在地面标记物的相应位置，其他激光束也打在相应位置。