CN113915076A - 一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，首先基于风机参数和毫米波雷达参数进行模拟仿真，确定毫米波雷达在风机机舱尾部吊装口的安装角度，接着根据毫米波雷达测量的雷达数据计算净空值，同时由PLC控制步进电机调整毫米波雷达的安装角度，最后PLC将净空值结果上传至主控单元；若净空值结果小于预警阈值时，则同时向主控上送告警信息与变桨请求信号。本发明提供的一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，通过仿真准确获得毫米波雷达安装角度、精确计算净空值、安装角度动态调整，实现与风机主控交互，保障风机安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，属于智能风电运维领域。
背景技术
风力发电机组塔架为柔性钢塔，叶片采用轻量化的设计和生产，风机停机时叶尖与塔筒间的垂直距离为理论净空值，当正常运行时叶片叶尖为以轮毂中心为圆心的圆周运动，受风能影响，该净空值为实时动态变化的，而当小于安全净空距离时会导致叶片扫塔的风险，导致更换叶片抑或倒塔事件发生，造成发电成本增加和发电量损失。因此实时监测风力发电机组运行过程中叶尖与塔筒之间垂直距离，将该距离做欸净空值实时上传主控，可提升风机运行的自动化和智能化水平，保证风机安全稳定运行。
目前实现风机净空预警主要有线扫激光雷达预警(分单束和三束)、视频图像净空预警、毫米波雷达预警三种方案，但毫米波雷达方案尚处于预研阶段。单束激光雷达以监测到叶片时进行预警的方案无法进行实时监视和净空变化趋势的分析；三束激光雷达打出三束线束分别叶片叶尖、远离塔筒的地面，近地面，根据相似三角形和塔筒高度近似计算实时净空值；而视频图像预警借助捕获的多帧数据图像，通过深度学习、图像识别等智能算法识别叶片叶尖坐标，依据小孔成像相机原理计算风机净空值，所述的净空值与风机主控系统进行交互实现及时预警以及对风机进行控制，保障风机正常运行。
现有的激光雷达预警受限于雨雪雾天等外部天气环境，天气恶劣工况下的可靠性一般较差，视频图像净空预警受限于夜间等光照不充足的工况下无法识别的问题，其次，图像识别算法的普适性有待进一步考察。
毫米波雷达基于快速斜坡的调频连续波(FMCW)，具备波束穿透雾、尘埃的能力强，具有全天候全天时工作的特点，可有效识别很小的目标和多目标跟踪的能力，但对毫米波雷达安装角度、距离转换方法以及验证方法目前处于预研阶段，尚存难点。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，通过仿真准确获得毫米波雷达安装角度、精确计算净空值、安装角度动态调整，实现与风机主控交互，保障风机安全稳定运行。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，包括以下步骤：
S1、基于风机参数和毫米波雷达参数进行模拟仿真，确定毫米波雷达在风机机舱尾部吊装口的安装角度；按确定好的安装角度将毫米波雷达、陀螺仪和步进电机通过万向调节支架吊装于风机机舱尾部；
S2、根据毫米波雷达测量的雷达数据计算净空值；
S3、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)将净空值结果上传至风机主控单元，若净空值结果小于预警阈值，则同时向主控上送告警信息与变桨请求信号；变桨过程中，PLC实时接收雷达数据、陀螺仪测量的陀螺仪数据以及风机主控单元的风机数据，重新计算毫米波雷达的安装角度，并通过步进电机调整至吻合。
步骤S1中，雷达安装角度通过以下过程确定：
S101、获取风机参数，所述的风机参数包括轮毂圆周运动圆心与塔筒中轴线间距离、雷达安装位置与塔筒中轴线距离、叶片长度、塔筒高度、机舱底部高度、风机停机时理论安全净空距离、风机正常运行时的最小安全距离、叶片最低点时塔筒直径；获取毫米波雷达参数，所述的毫米波雷达参数包括雷达波束工作范围、水平视野和垂直视野；
S102、根据风机参数和毫米波雷达参数，分别进行叶片运动圆周轨迹拟合和毫米波雷达波束锥投影拟合，获得叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型；
S103、叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面，通过以下约束进行模拟仿真，获得包括俯仰角、偏航角和滚转角在内的雷达安装角度：
(a)由毫米波雷达波束锥不被风机塔筒外轮廓模型阻挡原则，确定俯仰角；
(b)由雷达正面法线正对叶片叶尖原则，确定偏航角；
(c)由每只叶片在旋转过程中，在目标平面内被识别到的目标点均匀分布在毫米波雷达正面法线的两侧原则，确定滚转角。
步骤S3中PLC通过以下过程重新计算毫米波雷达的安装角度并调整：
S301、PLC实时获取毫米波雷达传感器采集到的目标点数目，从陀螺仪获取陀螺仪数据，从风机主控单元获取风机数据；
S302、当PLC获取到风机浆距角变化，监测目标点数目相比风机桨距角变化以前的减少量是否超出预设范围，若超出，则进入步骤S303；
S303、PLC读取毫米波雷达采集到的目标点的坐标，采集陀螺仪的俯仰角、偏航角和滚转角数据，从风机主控单元获取桨距角数据；
S304、PLC将步骤S303采集到的数据传输至上位机，上位机通过风机参数和桨距角重新建立叶片圆周运动模型，通过毫米波雷达参数和俯仰角、偏航角和滚转角重新建立毫米波雷达波束锥模型，叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面；
S305、通过以下约束重新仿真获取雷达安装角度：由目标平面面积大于20倍的反射截面积原则确定偏航角；
S306、PLC按照仿真结果驱动步进电机调整偏航角，然后继续驱动步进电机调整滚转角，使实时接收的检测目标点数目在预设范围内。
步骤S2中具体包括以下过程计算净空值：
S201、毫米波雷达在n个扫描周期内识别出n组叶片目标点，以其中在毫米波雷达坐标系中X轴投影最大的点作为叶尖；
S202、将叶尖在毫米波雷达坐标系的坐标平移到风机坐标系，得到叶尖在风机坐标系中的坐标(X，Y)，将X值减去毫米波雷达安装时与塔筒中轴线的垂直距离与塔筒锥角的影响值之和，得到近似净空值；其中塔筒锥角的影响值通过将塔筒锥角的正切值与Y值相乘近似计算得到；
S203、将Y值近似拟合为叶片长度，即近似叶片长度，基于相似三角形的原理，将净空值乘以叶片长度除以近似叶片长度得到净空值。
在步骤S2计算净空值的过程中，将净空值与预先根据风机模型仿真模拟得到的几何净空值之间的相对误差值进行K-S和S-W正态性检验，评估误差的随机性；同时计算以下数据的关联趋势：毫米波雷达漏检率、净空值相对误差、风机转速和叶尖坐标(X，Y)，然后评估叶片转速对误差的影响。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)本发明提供的一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法首先通过模拟仿真确定毫米波雷达的安装角度，通过建立叶片圆周运动模型、毫米波雷达波束锥模型、塔筒模型、叶片圆周运动在塔筒上的椭圆投影模型，计算叶片圆周运动平面与波束锥平面的相交平面以及面积，依据雷达监测物体反射截面积、波束锥避开塔筒为原则确定雷达安装角度，确保叶片有效出现在雷达视野内，当叶片在雷达视野内时根据风机转速和雷达扫描周期，最少可以监测到3次叶片，根据监测到叶片的目标点数进行直线拟合近似作为拟合叶片，而实际安装在风机机舱尾部的吊物口处一是减少直击雷和感应雷对雷达的影响，二是与叶片间相对距离拉长，减小安装角度误差的影响，三是更清晰的识别到叶片叶尖，减小因叶片叶尖向外突出而导致雷达识别不到叶尖的可能。
(2)本发明提供的一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法在毫米波雷达工作的同时，利用PLC作为毫米波雷达和主控单元之间的数据路由，从主控单元获取风机转速、叶片方位角、桨角信息，从毫米波雷达获取雷达坐标系中叶片横纵坐标信息，从陀螺仪获取信息，从而实现对毫米波雷达工作角度的实时监控，并进行自适应调整，使毫米波雷达始终处于最佳工作角度，确保对风机净空值的准确监测。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法所涉硬件通信示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明提供了一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，包括以下步骤：
S1、基于风机参数和毫米波雷达参数进行模拟仿真，确定毫米波雷达在风机机舱尾部吊装口的安装角度；将毫米波雷达、陀螺仪和步进电机固定于风机机舱。
选用倍福PLC设备，将其通过CANopen协议与风机主控单元通讯，通过标准CAN协议与毫米波雷达通讯。PLC组建包含CANopen主站、CANopen从站、485/422/232通讯等模块的组态。
PLC可用于进行毫米波雷达设置(包括设置毫米波雷达的发射功率、工作模式、过滤方式、感兴趣区域)、净空值计算、与其他硬件通信以及控制步进电机从而实现雷达旋转角度调整。其中工作模式设置为Cluster(团簇)点目标识别模式，即目标依据反射截面积返回的不仅仅是一个点云数据。
毫米波雷达选型，支持水平视场角为±9°，垂直视场角为±7°，雷达发射波束锥，仿真设计安装角度的原则为叶片在雷达视野内可有效识别并且避开塔筒遮挡。
雷达安装角度通过以下过程确定：
S101、获取风机参数，所述的风机参数包括轮毂圆周运动圆心与塔筒中轴线间距离、雷达安装位置与塔筒中轴线距离、叶片长度、塔筒高度、机舱底部高度、风机停机时理论安全净空距离、风机正常运行时的最小安全距离和叶片最低点时塔筒直径；获取毫米波雷达参数，所述的毫米波雷达参数包括雷达波束工作范围、水平视野和垂直视野；
S102、根据风机参数和毫米波雷达参数，分别进行叶片运动圆周轨迹拟合和毫米波雷达波束锥投影椭圆拟合，获得叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型；
S103、叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面，通过以下约束进行模拟仿真，获得包括俯仰角、偏航角和滚转角在内的雷达安装角度。具体包括以下过程：
(1)定义毫米波雷达坐标系以雷达正面几何中心为原点，以雷达正面法线为x轴，以雷达连接器为y轴，根据右手定则规定雷达z轴，但毫米波雷达不输出目标的高度/俯仰角信息，只输出目标在雷达水平方向的距离与方位角并转化为笛卡尔坐标系中x轴与y轴长度。绕x轴旋转的角度为横滚角，绕y轴旋转的角度为俯仰角，绕z轴旋转的角度为偏航角。
(2)俯仰角仿真确定：仿真时，设置雷达模型中的雷达X轴垂直地面，Y轴正对轮毂方向，为避免雷达波被近距塔筒遮挡，需以雷达面中心为原点偏离塔筒中轴线方向旋转一定的角度，针对雷达则为绕Y轴旋转，也即为旋转欧拉角中的俯仰角Pitch，以保证毫米波雷达波束锥不被风机塔筒外轮廓模型阻挡，该角度需要大于雷达的垂直视场角，也即大于7度。
(3)偏航角仿真确定：经过俯仰角调整后，并不能确保叶片有效出现在雷达视野内，尤其叶片长度较短时，且由于受雷达识别物体反射截面积(RCS)的影响，无法识别指定距离RCS过小的目标，需将雷达沿雷达面法线向塔筒中轴线方向旋转一定角度，确保雷达正面法线正对叶片叶尖，识别到的叶片目标在雷达坐标系中很接近雷达面法线，即雷达Y轴上的坐标越小越好，此时旋转的角度为旋转欧拉角中的偏航角Yaw。
(4)滚转角仿真确定：每只叶片在雷达视野(目标平面)内根据风机转速一般会被识别到四次以上，四次间隔间叶片的方位角都是不一致的，而经过雷达俯仰角和偏航角调整后，为确保叶片在雷达视野内的目标点均匀分布在雷达X轴附近，需对雷达绕雷达x轴进行一定角度的旋转，旋转的依据为雷达视野内四次识别到的叶片目标点均匀分布在雷达X轴两侧，旋转的角度为旋转欧拉角中的滚转角Roll。
现场安装时，风机停机在叶片夜间与塔筒中轴线夹角即叶片方位角在设计值附近，调整偏航角至设计值，俯仰角为步进电机驱动控制，只需PLC输出目标的横纵坐标时确保落在横纵附近即可。为防止直击雷和感应雷对系统设备的影响，在风机机舱尾部的下部吊装口附近安装支架，雷达与陀螺仪、步进电机一体化固定在安装支架上，支架固定在机舱上，通过人工调节支架上雷达角度实现大幅度角度调整，人工调节机舱上支架安装螺钉实现小幅度微调角度，直至PLC采集的陀螺仪数据与设计值吻合为止。
S2、根据毫米波雷达测量的雷达数据计算净空值，具体包括以下过程：
S201、叶片在雷达坐标系中以笛卡尔坐标系进行输出，在一个扫描周期内识别到的叶片，会返回10数个目标点，在视野内扫描到四次叶片时返回40余个目标点，以在雷达X轴投影中最大的点作为叶片的叶尖。因为雷达不测量高程信息，滚转角不参与计算，根据圆周运动在平面上椭圆投影的相关距离基本不变的原则，俯仰角也不参与计算，相对于风机坐标系仅进行了偏航角的旋转和坐标的平移。进行二维坐标系旋转偏航角Yaw，之后进行坐标平移到风机坐标系即可得到叶片在风机坐标系中的坐标，进而计算近似净空值；
S202、具体为雷达输出的笛卡尔坐标系进行二维坐标系旋转后，平移到风机坐标系后的坐标值为X，Y，X减去毫米波雷达安装时与塔筒中轴线的垂直距离，之后减去塔筒锥角的影响，该影响可以以塔筒锥角的正切值与Y值相乘近似计算；
S203、Y值近似为拟合的叶片长度，根据计算出来的净空值和近似叶片长度，基于相似三角形的原理，净空值乘以叶片长度除以近似叶片长度即为最终的净空值结果；
S204、为了进一步验证，可将PLC存储的数据文件拷贝后，进行离线计算风机的几何净空值：忽略叶片旋转过程中形变的影响，几何净空值为轮毂轴心距塔筒中轴线距离加上雷达测量的转换值减去塔筒锥角的影响，雷达测量的转换值为雷达测量的Y值加上雷达安装位置距轮毂轴心垂直距离与叶片仰角锥角的正切值的乘积，塔筒锥角的影响为雷达测得的Y值与塔筒锥角正切值的乘积。将几何净空值与过程S203计算得到的净空值进行对比分析，将净空值与预先根据风机模型仿真模拟得到的几何净空值之间的相对误差值进行K-S和S-W正态性检验，评估误差的随机性；同时计算以下数据的关联趋势：毫米波雷达漏检率、净空值相对误差、风机转速和叶尖坐标(X，Y)，然后评估叶片转速对误差的影响。
S3、PLC将净空值结果上传至风机主控单元，若净空值结果小于预警阈值，则同时向主控上送告警信息与变桨请求信号。
风机运行过程中当主控浆距角调整时，因目标反射截面积而发生变化，雷达识别到的叶片目标点也会相应变化，当识别到的目标点过少时会对净空值的计算造成很大的误差或者难以计算的情况，此时需在线进行雷达俯仰角的调整，调整的前提是避开塔筒的遮挡，调整的角度与浆距角的变化角度一致，采用步进电机控制雷达的旋转。PLC实时接收雷达数据、陀螺仪测量的陀螺仪数据以及风机主控单元的风机数据，重新计算毫米波雷达的安装角度，并通过步进电机调整至吻合，具体包括以下过程：
S301、PLC实时获取毫米波雷达传感器采集到的目标点数目，从陀螺仪获取陀螺仪数据，从风机主控单元获取风机数据；
S302、当PLC获取到风机浆距角变化，监测目标点数目相比风机桨距角变化以前的减少量是否超出预设范围，若超出，则进入步骤S303；
S303、PLC读取毫米波雷达采集到的目标点的坐标，采集陀螺仪的俯仰角、偏航角和滚转角数据，从风机主控单元获取桨距角数据；
S304、PLC将步骤S303采集到的数据传输至上位机，上位机通过风机参数和桨距角重新建立叶片圆周运动模型，通过毫米波雷达参数和俯仰角、偏航角和滚转角重新建立毫米波雷达波束锥模型，叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面；
S305、通过以下约束重新仿真获取雷达安装角度：由目标平面面积大于20倍的反射截面积原则确定偏航角；反射截面积取决于叶片材质，通常选用的毫米波雷达标准发射功率下，距离100米左右可有效识别3平方米的物体目标；
S306、PLC按照仿真结果驱动步进电机调整偏航角，然后继续驱动步进电机调整滚转角，使实时接收的检测目标点数目在预设范围内。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种基于毫米波雷达的风机净空预警方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、基于风机参数和毫米波雷达参数进行模拟仿真，确定毫米波雷达在风机机舱尾部吊装口的安装角度；按确定好的安装角度将毫米波雷达、陀螺仪和步进电机通过万向调节支架吊装于风机机舱尾部；
S2、根据毫米波雷达测量的雷达数据计算净空值；
S3、PLC将净空值结果上传至风机主控单元，若净空值结果小于预警阈值，则同时向主控上送告警信息与变桨请求信号；变桨过程中，PLC实时接收雷达数据、陀螺仪测量的陀螺仪数据以及风机主控单元的风机数据，重新计算毫米波雷达的安装角度，并通过步进电机调整至吻合。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机净空预警方法，其特征在于：步骤S1中，雷达安装角度通过以下过程确定：
S101、获取风机参数，所述的风机参数包括轮毂圆周运动圆心与塔筒中轴线间距离、雷达安装位置与塔筒中轴线距离、叶片长度、塔筒高度、机舱底部高度、风机停机时理论安全净空距离、风机正常运行时的最小安全距离、叶片最低点时塔筒直径；获取毫米波雷达参数，所述的毫米波雷达参数包括雷达波束工作范围、水平视野和垂直视野；
S102、根据风机参数和毫米波雷达参数，分别进行叶片运动圆周轨迹拟合和毫米波雷达波束锥投影拟合，获得叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型；
S103、叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面，通过以下约束进行模拟仿真，获得包括俯仰角、偏航角和滚转角在内的雷达安装角度：
(a)由毫米波雷达波束锥不被风机塔筒外轮廓模型阻挡原则，确定俯仰角；
(b)由雷达正面法线正对叶片叶尖原则，确定偏航角；
(c)由每只叶片在旋转过程中，在目标平面内被识别到的目标点均匀分布在毫米波雷达正面法线的两侧原则，确定滚转角。
3.根据权利要求2所述的基于毫米波雷达的风机净空预警方法，其特征在于：步骤S3中PLC通过以下过程重新计算毫米波雷达的安装角度并调整：
S301、PLC实时获取毫米波雷达传感器采集到的目标点数目，从陀螺仪获取陀螺仪数据，从风机主控单元获取风机数据；
S302、当PLC获取到风机浆距角变化，监测目标点数目相比风机桨距角变化以前的减少量是否超出预设范围，若超出，则进入步骤S303；
S303、PLC读取毫米波雷达采集到的目标点的坐标，采集陀螺仪的俯仰角、偏航角和滚转角数据，从风机主控单元获取桨距角数据；
S304、PLC将步骤S303采集到的数据传输至上位机，上位机通过风机参数和桨距角重新建立叶片圆周运动模型，通过毫米波雷达参数和俯仰角、偏航角和滚转角重新建立毫米波雷达波束锥模型，叶片运动模型和毫米波雷达波束锥模型的相交平面作为目标平面；
S305、通过以下约束重新仿真获取雷达安装角度：由目标平面面积大于20倍的反射截面积原则确定偏航角；
S306、PLC按照仿真结果驱动步进电机调整偏航角，然后继续驱动步进电机调整滚转角，使实时接收的检测目标点数目在预设范围内。
4.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机净空预警方法，其特征在于：步骤S2中具体包括以下过程计算净空值：
S201、毫米波雷达在n个扫描周期内识别出n组叶片目标点，以其中在毫米波雷达坐标系中X轴投影最大的点作为叶尖；
S202、将叶尖在毫米波雷达坐标系的坐标平移到风机坐标系，得到叶尖在风机坐标系中的坐标(X，Y)，将X值减去毫米波雷达安装时与塔筒中轴线的垂直距离与塔筒锥角的影响值之和，得到近似净空值；其中塔筒锥角的影响值通过将塔筒锥角的正切值与Y值相乘近似计算得到；
S203、将Y值近似拟合为叶片长度，即近似叶片长度，基于相似三角形的原理，将净空值乘以叶片长度除以近似叶片长度得到净空值。
5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达的风机净空预警方法，其特征在于：在步骤S2计算净空值的过程中，将净空值与离线根据风机模型仿真模拟得到的几何净空值之间的相对误差值进行K-S和S-W正态性检验，评估误差的随机性；同时计算以下数据的关联趋势：毫米波雷达漏检率、净空值相对误差、风机转速和叶尖坐标(X，Y)，然后评估叶片转速对误差的影响。
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