CN113324548A - 一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法，是通过预先输入的风力发电机的地理坐标、风轮直径、风轮仰角、风轮中心高，生产包含风轮和机舱的测量航线，随后在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云，以特定的参数对生产的点云成果进行处理，通过分类过滤掉代表地面、塔筒、机舱的点并将风轮结构单独分离出来，利用旋转矩阵对风轮结构进行投影变换进而确定出每个单独的叶片的前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖、轮毂中心在三维空间中的位置信息，最后依据确定出的上述结构的位置信息进行移动变换后顺序相连后，进而得到风力发电机叶片的巡检航线。

Description

一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，具体涉及一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法。

背景技术

随着无人机设备越来越成熟，在风力发电的场景下，应用无人机对风力发电机的叶片、引流罩、机舱、塔筒等部件的外部显性缺陷的自主化巡检要求随之而来。比如风机叶片上承受相当大的压力，需定期检查叶片以尽早检测和修理各种缺陷，避免小缺陷发展为降低叶片寿命或发生危险；再比如在风雪、沙暴天气侵袭时，极有必要巡检探查叶片表面损坏情况，以制定维护方案。

针对风机叶片的巡检，在其他方案成本过高的背景下，目前唯一可行较高的方案即无人机巡检，而无人巡检需要制定巡检航线，本发明提供了一种利用无人机进行风力发电机叶片巡检路径的规划方法。

发明内容

针对上述背景技术中心存在的问题，本发明提供的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，可以直接应用于无人机对风力发电机叶片进行自主巡检。

一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法，包括如下步骤：

S1、预先输入的风力发电机的地理坐标、风轮仰角、风轮直径、风轮中心高，生产包含风轮和机舱的测量航线；

S2、在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云，对生产的点云成果进行处理，删除地面、塔筒、机舱结构并将风轮结构单独分离出来；

S3、利用旋转矩阵对风轮结构进行投影变换进而确定出每个单独的叶片的前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖、轮毂中心在三维空间中的位置信息；

S4、依据确定出的上述结构的位置信息进行移动变换后顺序相连后，进而得到风力发电机叶片的巡检航线。

进一步地，步骤S1中所述包含风轮和机舱的测量航线为在安全高度上以风力发电机的地理坐标为圆心点，参考风轮中心高和风轮直径的环绕式测量航线或者以风力发电机的地理坐标为中心点，范围覆盖风轮且高于风轮的往复式测量航线。

进一步地，步骤S2中，通过S1测量航线所采集到的影像，在机载端通过现有已知手段进行空中三角计算和生产加密点云成果，对点云成果进行抽稀、去噪的优化点云的方法后进行点云分类，分离出包括风轮、机舱、塔筒的风力发电机组结构点云。

进一步地，所述步骤S2中，除了在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云外，还可以使用机载激光雷达方式进行点云的采集和生产。

进一步地，所述步骤S2中，还具备根据点云成果进行风轮偏航角计算的步骤。

进一步地，所述步骤S3具体为，将风力发电机结构点云以风轮面作为参考面通过旋转矩阵变换到特定的位置，对压平的点云进行边缘凹壳处理后从东西两个端点分别沿北方向的端点进行查找，通过连续的线段偏航角指向正北方±30°范围作为判断条件查找到机舱与风轮连接部的位置，删除凹壳范围内该位置以北的点集，即可分离出独立的包括轮毂罩和叶片的风轮结构。

进一步地，所述旋转矩阵变换中，以风轮平面为参考平面，将分离出的独立风轮结构正面压平到参考平面，对结构点云进行凹壳外包，接着对外包成果进行平滑、简化、重采样操作。

进一步地，巡检状态风机叶片的攻角为零，其前缘垂直于风轮平面向外，根据叶片的结构可知得到的外包边缘线条为压力面和吸力面的巡检航线拟合线段，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对边缘线条上的的点进行赋值后对其进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，得到压力面和吸力面在真实三维空间中的拟合的中心线。

进一步地，对得到的外包边缘线条应用骨架算法求解其中心线，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对中心线的点进行赋值后对中心线进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，巡检状态风机叶片的攻角为零、前缘几乎为叶片投影的中心线的特性，将得到的中心线可视为前缘在真实三维空间中的拟合后的线段，同理将独立风轮结构点云应用旋转矩阵进行反向变换，即将分离出的独立风轮结构背面压平到参考平面后以同样的方法进行计算就可以得到后缘在真实三维空间中的拟合线段。

进一步地，压力面和吸力面的中线在空间中的拟合线段依据巡检要求的相对距离在风轮参考面上进行外扩得到压力面和吸力面的巡检航线。

进一步地，将每个叶片的前后缘分别依据巡检要求的相对距离沿偏航角方向和偏航角反方向进行平移变换得到前后缘的巡检航线。

进一步地，避免后缘的巡检航线与机舱冲突，依据预先输入的机舱的尺寸对后缘的巡检航线由3条航线交汇处起始删除与机舱冲突的航线。

进一步地，所述压力面、吸力面和前后缘的巡检航线按照以下的顺序进行连接，得到利用无人机进行风力发电机叶片的巡检路径的规划：

S11、巡检起始点在正对轮毂罩开始，即外缘的三条巡检航线聚合的中心点；

S12、定义任一机舱以上的叶片为A，面对正面风轮平面顺时针顺序排列为A、B、C叶片；

S13、中心点开始进行顺序连接：叶片C前缘、叶片C后缘、叶片C压力面、叶片C吸力面、叶片B吸力面、叶片B压力面、叶片B后缘、叶片B前缘、叶片A前缘、叶片A后缘、叶片A压力面、叶片A吸力面。

附图说明

图1为本发明环绕式测量航线示意图；

图2(a)为本发明点云成果示意图；

图2(b)为本发明分离出风力发电机组的点云成果示意图；

图3(a)为本发明通过旋转矩阵变换的风力发电机组点云示意图；

图3(b)为本发明通过判断条件查找到的机舱与风轮的分割线示意图；

图3(c)为本发明分离出的独立风轮点云的成果示意图；

图4为本发明独立风轮点结构中心线的成果示意图；

图5为风力发电机叶片巡检路径示意图。

本发明提供的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，可直接应用于无人机对风力发电机叶片进行自主巡检，本发明输入基础信息后通过点云处理的方式，使用三维空间、信息标定、结构分离进行投影变换，顺序相连最终得到巡检航线，对巡检过程把控精确、细致，在实际应用中效果极佳，适配风力发电机组维护标准，有利于结合图像直观性出具缺陷报告，避免产品损坏、延长使用寿命，避免了经济损失及危险事件的发生。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法，结合参阅附图1至5，对应步骤结合附图进行说明，一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法，包括如下步骤：

S1、通过预先输入的风力发电机的地理坐标、风轮仰角、风轮直径、风轮中心高，生产包含风轮和机舱的测量航线；

S2、在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云，以特定的参数对生产的点云成果进行处理，删除地面、塔筒、机舱等结构并将风轮结构单独分离出来；

S3、利用旋转矩阵对风轮结构进行投影变换进而确定出每个单独的叶片的前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖、轮毂中心在三维空间中的位置信息；

S4、依据确定出的上述结构的位置信息进行移动变换后顺序相连后，进而得到风力发电机叶片的巡检航线。

步骤S1中包含风轮和机舱的测量航线为在安全高度上以风力发电机的地理坐标为圆心点，参考风轮中心高和风轮直径的环绕式测量航线或者以风力发电机的地理坐标为中心点，范围覆盖风轮且高于风轮的往复式测量航线。参阅附图1，中心处为风力发电机叶片，外周环绕为航线示意，本发明将航线路径限定为环绕式圆周型。

步骤S2中，通过S1测量航线所采集到的影像，在机载端通过现有已知手段进行空中三角计算和生产加密点云成果，对点云成果进行抽稀、去噪的优化点云的方法后进行点云分类，分离出包括风轮、机舱、塔筒的风力发电机组结构点云。附图2(a)为本发明点云成果的示意图，附图2(b)是进一步对点云成果抽稀、去噪的优化后分离出风力发电机组的点云成果示意图。该步骤S2中，除了在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云外，还可以使用机载激光雷达方式进行点云的采集和生产。此外，针对该步骤S2中的风力发电机结构点云成果，进行风轮偏航角计算的步骤。

步骤S3具体为，将风力发电机结构点云以风轮面作为参考面通过旋转矩阵变换到特定的位置，对压平的点云进行边缘凹壳处理后从东西两个端点分别沿北方向的端点进行查找，通过连续的线段偏航角指向正北方±30°范围作为判断条件查找到机舱与风轮连接部的位置，删除凹壳范围内该位置以北的点集，即可分离出独立的包括轮毂罩和叶片的风轮结构。该步骤S3主要为分离步骤，先通过矩阵变换的方式，示意图参阅附图3(a)，然后通过判断条件查找到机舱与风轮分割线，示意图如图3(b)，最终得到附图3(c)的分离后的独立风轮点云成果。

在旋转矩阵变换中，以风轮平面为参考平面，将分离出的独立风轮结构正面压平到参考平面，对结构点云进行凹壳外包，接着对外包成果进行平滑、简化、重采样操作。

由于巡检状态风机叶片的攻角为零，可理解为其前缘垂直于风轮平面向外，根据叶片的结构可知得到的外包边缘线条为压力面和吸力面的巡检航线拟合线段，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对边缘线条上的的点进行赋值后对其进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，得到压力面和吸力面在真实三维空间中的拟合的中心线。随后，对得到的外包边缘线条应用骨架算法求解其中心线，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对中心线的点进行赋值后对中心线进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，巡检状态风机叶片的攻角为零、前缘几乎为叶片投影的中心线的特性，将得到的中心线可视为前缘在真实三维空间中的拟合后的线段，同理将独立风轮结构点云应用旋转矩阵进行反向变换，即将分离出的独立风轮结构背面压平到参考平面后以同样的方法进行计算就可以得到后缘在真实三维空间中的拟合线段。参阅附图4，图4为本发明独立风轮点结构中心线的成果示意图。

在寻找到中心线之后，进一步进行处理，压力面和吸力面的中线在空间中的拟合线段依据巡检要求的相对距离在风轮参考面上进行外扩得到压力面和吸力面的巡检航线。外扩后，将每个叶片的前后缘分别依据巡检要求的相对距离沿偏航角方向和偏航角反方向进行平移变换得到前后缘的巡检航线。该相对距离可以依据无人机设定，可实现的拍摄及巡检效果。进一步地，避免后缘的巡检航线与机舱冲突，依据预先输入的机舱的尺寸对后缘的巡检航线由3条航线交汇处起始删除与机舱冲突的航线。

最后，压力面、吸力面和前后缘的巡检航线按照以下的顺序进行连接，得到利用无人机进行风力发电机叶片的巡检路径的规划，具体步骤为：S11、巡检起始点在正对轮毂罩开始，即外缘的三条巡检航线聚合的中心点；S12、定义任一机舱以上的叶片为A，面对正面风轮平面顺时针顺序排列为A、B、C叶片；S13、中心点开始进行顺序连接：叶片C前缘、叶片C后缘、叶片C压力面、叶片C吸力面、叶片B吸力面、叶片B压力面、叶片B后缘、叶片B前缘、叶片A前缘、叶片A后缘、叶片A压力面、叶片A吸力面。最终，如附图5所示，为本发明的风力发电机叶片巡检路径示意图。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (13)

1.一种风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、预先输入的风力发电机的地理坐标、风轮仰角、风轮直径、风轮中心高，生产包含风轮和机舱的测量航线；

S2、在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云，对生产的点云成果进行处理，删除地面、塔筒、机舱结构并将风轮结构单独分离出来；

S3、利用旋转矩阵对风轮结构进行投影变换进而确定出每个单独的叶片的前缘、后缘、压力面、吸力面、叶尖、轮毂中心在三维空间中的位置信息；

S4、依据确定出的上述结构的位置信息进行移动变换后顺序相连后，进而得到风力发电机叶片的巡检航线。

2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，步骤S1中所述包含风轮和机舱的测量航线为在安全高度上以风力发电机的地理坐标为圆心点，参考风轮中心高和风轮直径的环绕式测量航线或者以风力发电机的地理坐标为中心点，范围覆盖风轮且高于风轮的往复式测量航线。

3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，步骤S2中，通过S1测量航线所采集到的影像，在机载端通过现有已知手段进行空中三角计算和生产加密点云成果，对点云成果进行抽稀、去噪的优化点云的方法后进行点云分类，分离出包括风轮、机舱、塔筒的风力发电机组结构点云。

4.根据权利要求3所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，所述步骤S2中，除了在地面端或机载端进行空中三角计算和生产加密点云外，还可以使用机载激光雷达方式进行点云的采集和生产。

5.根据权利要求4所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，所述步骤S2中，还具备根据点云成果进行风轮偏航角计算的步骤。

6.根据权利要求1所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，所述步骤S3具体为，将风力发电机结构点云以风轮面作为参考面通过旋转矩阵变换到特定的位置，对压平的点云进行边缘凹壳处理后从东西两个端点分别沿北方向的端点进行查找，通过连续的线段偏航角指向正北方±30°范围作为判断条件查找到机舱与风轮连接部的位置，删除凹壳范围内该位置以北的点集，即可分离出独立的包括轮毂罩和叶片的风轮结构。

7.根据权利要求6所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，所述旋转矩阵变换中，以风轮平面为参考平面，将分离出的独立风轮结构正面压平到参考平面，对结构点云进行凹壳外包，接着对外包成果进行平滑、简化、重采样操作。

8.根据权利要求7所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，巡检状态风机叶片的攻角为零，其前缘垂直于风轮平面向外，根据叶片的结构可知得到的外包边缘线条为压力面和吸力面的巡检航线拟合线段，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对边缘线条上的的点进行赋值后对其进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，得到压力面和吸力面在真实三维空间中的拟合的中心线。

9.根据权利要求7所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，对得到的外包边缘线条应用骨架算法求解其中心线，以经过旋转矩阵变换后垂直与参考平面向外的Z轴的点的数值对中心线的点进行赋值后对中心线进行平滑、简化、重采样操作后依照之前的旋转矩阵进行逆变换，巡检状态风机叶片的攻角为零、前缘几乎为叶片投影的中心线的特性，将得到的中心线可视为前缘在真实三维空间中的拟合后的线段，同理将独立风轮结构点云应用旋转矩阵进行反向变换，即将分离出的独立风轮结构背面压平到参考平面后以同样的方法进行计算就可以得到后缘在真实三维空间中的拟合线段。

10.根据权利要求8所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，压力面和吸力面的中线在空间中的拟合线段依据巡检要求的相对距离在风轮参考面上进行外扩得到压力面和吸力面的巡检航线。

11.根据权利要求9所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，将每个叶片的前后缘分别依据巡检要求的相对距离沿偏航角方向和偏航角反方向进行平移变换得到前后缘的巡检航线。

12.根据权利要求11所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，避免后缘的巡检航线与机舱冲突，依据预先输入的机舱的尺寸对后缘的巡检航线由3条航线交汇处起始删除与机舱冲突的航线。

13.根据权利要求10至12任一项所述的风力发电机叶片巡检路径的规划方法，其特征在于，所述压力面、吸力面和前后缘的巡检航线按照以下的顺序进行连接，得到利用无人机进行风力发电机叶片的巡检路径的规划：

S11、巡检起始点在正对轮毂罩开始，即外缘的三条巡检航线聚合的中心点；

S12、定义任一机舱以上的叶片为A，面对正面风轮平面顺时针顺序排列为A、B、C叶片；

S13、中心点开始进行顺序连接：叶片C前缘、叶片C后缘、叶片C压力面、叶片C吸力面、叶片B吸力面、叶片B压力面、叶片B后缘、叶片B前缘、叶片A前缘、叶片A后缘、叶片A压力面、叶片A吸力面。

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