CN114320775A - 一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，包括无人机和无人船，无人船上设有协助无人机监测任务的船体监测模块；无人机的机体为圆柱形框架结构，能够方便在无人机在风机塔筒内部穿行，机体上设有无人机检测模块，无人机检测模块包括图像采集装置、声像采集装置、振动采集装置，能有效对风电机组的塔筒内部的各项数据进行采集。本发明的机艇耦合式巡检机器人，通过采用无人船和无人机联合作业的方式，来实现对海上风电机组的各方面状态监测和故障诊断，能及时掌握风电机组运行状态，及早发现潜在故障征兆，降低故障率，保证风电机组安全高效发电运行，同时也改变了以往的人工巡检的方式，大大节省了运维成本，保证了人员安全。

Description

一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人

技术领域

本发明属于海上风电运维技术领域，具体涉及一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人。

背景技术

当今社会，生产力发展十分迅速，能源问题日益严峻，近年来，风能在世界能源结构中地位越来越突出，风电将逐步成为火电、水电之后的第三大常规能源。随着我国大型海上风电建设规划相继启动和现运行的大部分风电机组质保期逐渐超出或邻近超出，高故障发生率和高运维成本的现状越来越引起风电运营商、制造商和第三方运维公司等机构的关注。

海上风电机组尤其是远离海岸的漂浮式风电机组，由于运行条件恶劣，故障率较高，容易导致机组常常会非计划停运或减负荷运行，影响正常生产，所以加强对风机的维护和保养，特别是要迅速判断出风机运行中故障产生的原因，采取相应的必要措施就显得十分重要。但是而且现有的巡检方式主要还是通过派遣技术人员乘坐运维船只人工进行巡检，当需要对风机上部进行巡检时，还需要技术人员攀爬到指定位置，进行各方面内容繁多的检查，海上的天气瞬息万变，每出海一次对海上风电机组进行巡检，不仅成本相当高昂，而且还存在一定的安全隐患。

无人船一种是借助精确卫星定位和自身传感，可按照预设任务在水面上进行自动巡航的水面机器人，具有负载能力强，连续作业续航能力长等优点，但由于距离海平面较近，视野小；而无人机具有机动性能好、运动反应迅速，视野大等优点，但负载能力较小，连续作业续航时间短。因此，将无人船和无人机联合作业可以实现二者的功能互补，在保证良好的海上巡航能力的同时还具有良好的视野和机动性。在海上风电运维技术领域，现有技术中有一个公开号为CN211844830U的一种多功能海上风电巡检船，采用了将无人船和无人机相互结合的方法，来对海上风电机组进行联合巡检，但该无人机采用的是常规无人机，只能单一的对风机的外表面的通过图像采集装置进行视觉检查，无法对风机塔筒内的其他各类情况进行更加详尽的检查，事后任然需要人工对海上风电机组进行更加全面的故障诊断工作。因此，针对海上风电机组的环境和工作特点，开发一套可实时远程监控并能综合全面的进行故障诊断的监测设备对促进海上风电的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有的用于海上风电机组的巡检机器人巡检功能单一的问题，提供了一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，能够进入风机塔筒内部并紧贴风机塔筒内壁，综合全面的对海上风电机组进行状态监测和故障诊断。

本发明是这样实现的：

本发明提供了一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：包括用于承担主要监测任务无人机和用于搭载所述无人机的无人船，所述无人船上设有协助无人机监测任务的船体监测模块；

所述无人机包括机体和设置在所述机体上的动力模块，控制箱以及无人机检测模块，所述机体为圆柱形框架结构，方便在无人机在风机塔筒内穿行，所述动力模块用于给所述无人机的飞行提供动力，所述控制箱内包含控制模块、通讯模块、GPS定位模块以及电源，通过所述控制箱能够对所述无人机的飞行姿态进行控制，所述无人机检测模块包括图像采集装置，通过所述图像采集装置能够对海上风电机组的运行状态进行监测。

优选的，所述动力模块包括四组动力单元，每组动力单元均包括一个马达和一个设置在所述马达输出轴上的螺旋桨，四组动力单元的马达均匀设置在所述圆柱形框架结构顶部四周，并通过马达盖进行固定。

优选的，所述无人船的船体采用三船体结构，包括一个主船体和对称设置在所述主船体两侧的副船体，所述无人船的船体上还设有一个用于容纳无人机的船舱，所述船舱顶部设有能够开合的上盖。

优选的，所述无人机检测模块还包括用于对海上风电机组工作时发出的异常声波信息进行收集的声像采集装置。

优选的，所述无人机检测模块还包括用于对海上风电机组工作时的异常振动信号进行采集的振动采集装置，所述振动采集装置设置在所述机体侧部，所述振动采集装置旁设有电磁铁，通过所述电磁铁能使所述振动采集装置紧贴风机塔筒的内壁进行数据采集。

优选的，所述机体侧部还设有一个用于给无人机提供水平推力的水平推进装置，所述水平推进装置包括设置在所述振动采集装置对面的一个马达和设置在所述马达的输出轴上的螺旋桨。

优选的，所述图像采集装置包括用于采集图像信息的摄像头和用于采集温度信息的红外热成像仪。

优选的，所述船体监测模块包括设于无人船上用于对无人机的起飞环境进行判断的风力监测装置。

优选的，所述船体监测模块还包括设于无人船上的防水摄像装置。

优选的，所述船体监测模块还包括设于无人船上的超声避障装置。

本发明有益效果是：

本发明提供了一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，通过采用无人船和无人机联合作业的方式，来实现对海上风电机组的各方面状态监测和故障诊断，能及时掌握风电机组运行状态，及早发现潜在故障征兆，降低故障率，保证风电机组安全高效发电运行，同时也改变了以往的人工巡检的方式，大大节省了运维成本，保证了人员安全。

附图说明

图1为本发明实施例提供的机艇耦合式巡检机器人上盖打开时的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的机艇耦合式巡检机器人上盖合上时的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的机艇耦合式巡检机器人中无人机的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的机艇耦合式巡检机器人中无人机的俯视图。

图中：10-机体，101-控制箱，102-安装支架，103-马达盖，104-螺旋桨外框，105-高清摄像头，106-红外热成像仪，107-传声器阵列，108-振动传感器，109-环形电磁铁，110-推进马达，111-推进螺旋桨，112-一号动力单元，113-二号动力单元，114-三号动力单元，115-四号动力单元，20-主船体，21-副船体，22-连接杆，201-船舱，202-上盖，203-主控模块，204-信号收发装置，205-风速传感器，206-主摄像头，207-防水探照灯，208-广角摄像头，209-超声波传感器，210-储能装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明提供了一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，包括用于承担主要监测任务的无人机和用于搭载所述无人机的无人船。具体的：

如图1至图4所示，所述无人机为一种框架型无人机，包括机体10和设置在所述机体10上的动力模块、控制箱101和无人机检测模块；所述机体10为采用空心管材搭接而成的圆柱形框架结构，一方面能够给设置在所述机体10上的各个模块提供保护，保证所述无人机进入到风机塔筒内能顺利完成相关数据收集任务，另一方面也能够方便无人机进入风机塔筒后与其内壁贴合；所述动力模块包括四组动力单元，每组动力单元均包括一个马达和一个设置在所述马达输出轴上的螺旋桨，四组动力单元的马达均匀设置在所述机体10上部边缘的螺旋桨外框104中，并通过马达盖103进行固定，通过所述马达盖103能减少马达及其内部电路受海洋盐雾环境的影响，所述螺旋桨外框104能在一定程度上起到抵御外部风场并保护所述螺旋桨的作用。

上述的四组动力单元依次分别为一号动力单元112、二号动力单元113、三号动力单元114和四号动力单元115，其中所述三号动力单元114设置在所述一号动力单元112对面，所述二号动力单元113设置在所述四号动力单元115对面。当其中的一号动力单元112中和三号动力单元114中的螺旋桨顺时针旋转，而二号动力单元113中和四号动力单元115中的螺旋桨逆时针旋转，并且所述螺旋桨的转速均相同时，所述无人机能水平悬停于空中；此时若二号动力单元113和四号动力单元115中的马达的转速不变，一号动力单元112和三号动力单元114中的马达的转速减小，则无人机顺时针转向；若一号动力单元112和三号动力单元114中的马达的转速不变，二号动力单元113和四号动力单元115中的马达的转速减小，则无人机逆时针转向；若一号动力单元112、二号动力单元113、三号动力单元114和四号动力单元115中的马达的转速同时变小，则无人机竖直下降；若一号动力单元112、二号动力单元113、三号动力单元114和四号动力单元115中的马达的转速同时变大，无人机则竖直上升；若一号动力单元112和四号动力单元115中的马达的转速不变，二号动力单元113和三号动力单元114中的马达的转速变小，则无人机的机身会向二号动力单元113和三号动力单元114的夹角方向倾斜，并且产生的合力能使所述无人机水平向该方向飞行；若二号动力单元113和三号动力单元114中的马达的转速不变，一号动力单元112和四号动力单元115中的马达的转速变小，则无人机的机身会向一号动力单元112和四号动力单元115的夹角方向倾斜，并且产生的合力能使所述无人机水平向该方向飞行。

所述控制箱101通过安装支架102固定在所述无人机的机体10中部，所述控制箱101内部包含控制模块、通讯模块、GPS定位模块以及电源，所述控制箱101通过电线与上述动力模块和无人机检测模块相连，通过所述控制箱101能够控制所述无人机的飞行姿态，实现定点自主完成相关数据的收集工作，同时也能通过技术人员手动控制所述无人机，针对性的对指定区域进行故障诊断。

如图3和图4所示，根据海上风电机组所主要面对的故障情况，所述无人机检测模块包括图像采集装置、声像采集装置、振动采集装置，所述无人机检测模块中的各个检测装置分别设置在所述机体10的四周侧部上。其中所述图像采集装置包括高清摄像头105和红外热成像仪106，所述高清摄像头105设置在所述机体10的一侧，所述高清摄像头105既能用于采集海上风电机组的图像信息，同时还能够在飞行时给所述无人机起到视觉导航的作用，所述红外热成像仪106设置在所述高清摄像头105旁，通过所述红外热成像仪106能对海上风电机的齿轮箱、发电机、轴承和功率变换器的温度信息进行收集。所述声像采集装置为传声器阵列107，所述传声器阵列107设置在所述图像采集装置对面，通过所述传声器阵列107可以同时捕获来自多个不同点的声音信号，并进行空间音频滤波，生成声波的方向，从而能对海上风电机的叶片、齿轮箱和轴承材料遭受压力或应力时发射的声波信息进行收集。所述振动采集装置包括振动传感器108和环形电磁铁109，所述振动传感器108设置在所述环形电磁铁109中间，通过所述环形电磁铁109能够将所述振动传感器108紧紧贴合到风电机上，当所述风电机故障时，会引发相应系统的异常振动，通过所述振动传感器108就能实现对风机齿轮箱、发电机、主轴、叶片、塔架等振动信号的收集。值得一提的是，所述无人机检测模块包括但不限于上述传感器，根据实际需要，所述机体10上还可以搭载其他传感器以适应其他类型的检测任务。

进一步的，为了提高所述无人机在风机塔筒内的机动性，所述机体10侧部还设有一个用于给无人机提供水平推力的水平推进装置，所述水平推进装置包括设置在所述振动采集装置对面的推进马达110和设置在所述推进马达110的输出轴上的推进螺旋桨111，通过所述水平推进装置能使所述无人机更加灵活的在风机塔筒内完成对风电机的各项监测任务。

当在塔筒内部对风机的振动信号和声音信号进行采集时，先通过螺旋桨产生推力使悬停中的无人机与塔筒内壁相互贴合，然后给所述环形电磁铁109通电，将所述无人机牢牢吸附固定在风电机塔筒的内壁上，此时关闭动力模块中的螺旋桨能减小无人机自身的振动和噪音对检测结果产生的干扰，再通过所述振动传感器108和所述传声器阵列107就能有效对风电机的振动信号和声音信号进行采集。

如图1和图2所示，所述无人船包括船体和设置在所述船体上的主控模块203、船体监测模块、储能装置210和信号收发装置204。其中所述船体采用三船体结构，包括主船体20和设于所述主船体20两侧的两个副船体21，所述副船体21通过弧形的连接杆22与船舱201相连并与所述主船体20平行，这种三体船结构设计，能大大增加所述无人船的船身宽度，使无人船不容易倾覆，提高无人船在风浪中航行的稳定性和安全性。所述主船体20的船尾设有一个与上述无人机框架形状相对应的圆柱形的船舱201，所述船舱201用于容纳无人机，所述船舱201顶部还设有两个半圆形的能够开合的上盖202，当所述上盖202合上时，能够对无人机起到保护和防水的作用，当需要释放船舱201中无人机时，所述上盖202会对外展开，使船舱201中的框架式无人机升空作业。

所述船体监测模块用于协助所述机艇耦合式巡检机器人顺利完成海上风机巡检任务，所述船体监测模块包括风力监测装置、防水摄像装置和超声避障装置。所述风力监测装置为风速传感器205，所述风速传感器205设置在所述主船体20甲板上，通过所述风力监测装置能够对环境的风力大小进行检测，以判断是否符合无人机的起飞条件；所述防水摄像装置包括对称设置在所述主船体20前方的两个主摄像头206和对称设置在两个副船体21上的广角摄像头208，通过所述防水摄像装置能对海上风电机组的水面基座或浮式基础的机械破坏与腐蚀情况进行状态监测，所述主摄像头206四周还设有防水探照灯207，以进一步提高所述防水摄像装置的图像采集效果；所述超声波避障装置为超声波传感器209，所述超声波传感器209设置在所述无人船的最高点(即所述船舱201的上盖202顶部)，使得所述超声波避障装置在航行时能尽量远的向周围发出超声波来感知周围障碍物，从而及时避开海上风电机的浮式基础或海洋中的大型漂浮垃圾，保障无人船的巡航安全。

所述无人船的主控模块203设置在主船体20的甲板上，通过所述主控模块203能够对所述无人船的巡航路径进行规划、导航和控制；所述无人船的储能装置210设置在主船体20侧部，用于给整个无人船供能；所述无人船的信号收发装置204设置在副船体21尾部，通过所述信号收发装置204一方面能引导所述无人机进行降落，另一方面还能与指挥中心进行通信并将所述无人船采集到的数据信息实时发送给技术人员进行分析处理。

本发明具体使用方法如下：

在对海上风电机组尤其是远离海岸的漂浮式海上风电机组进行巡检前，需提前根据实际巡检任务或故障诊断需求设定好机艇耦合式巡检机器人的巡检轨迹，然后所述无人船会按预设的轨迹自主进行巡航，到达指定地点后所述无人船会对漂浮式海上风电机组的浮式基础的锈蚀情况进行采集，无人船完成图像采集任务后会停靠到预设位置通过预设的充电接口或者能源接口进行能源补充，当需要无人机检测时，打开船舱201上盖202，释放无人机升空对海上风电机组外部进行视频数据收集，再进入塔柱内紧贴风电机内壁收集振动、温度、声发射、润滑油液量等数据，并实时发送给技术人员，从而完成对海上风电机组的监测任务，检测任务完成后，无人机返航，回到船舱201内，具体返航技术可以采用现有无人机控制的轨迹返航就技术，当然可以配备额外摄像头进行人工远程操作完成最终返航入仓定位。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：包括用于承担主要监测任务的无人机和用于搭载所述无人机的无人船，所述无人船上设有协助无人机监测任务的船体监测模块；

所述无人机包括机体和设置在所述机体上的动力模块，控制箱以及无人机检测模块，所述机体为圆柱形框架结构，方便在无人机在风机塔筒内穿行，所述动力模块用于给所述无人机的飞行提供动力，所述控制箱内包含控制模块、通讯模块、GPS定位模块以及电源，通过所述控制箱能够对所述无人机的飞行姿态进行控制，所述无人机检测模块包括图像采集装置，通过所述图像采集装置能够对海上风电机组的运行状态进行监测。

2.如权利要求1所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述无人船的船体采用三船体结构，包括一个主船体和对称设置在所述主船体两侧的副船体，所述无人船的船体上还设有一个用于容纳无人机的船舱。

3.如权利要求2所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述船舱顶部设有能够开合的上盖。

4.如权利要求1所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述无人机检测模块还包括用于对海上风电机组工作时发出的异常声波信息进行收集的声像采集装置。

5.如权利要求1所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述无人机检测模块还包括用于对海上风电机组工作时的异常振动信号进行采集的振动采集装置，所述振动采集装置设置在所述机体侧部，所述振动采集装置旁设有电磁铁，通过所述电磁铁能使所述振动采集装置紧贴风机塔筒的内壁进行数据采集。

6.如权利要求5所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述机体侧部还设有一个用于给无人机提供水平推力的水平推进装置，所述水平推进装置包括设置在所述振动采集装置对面的一个马达和设置在所述马达的输出轴上的螺旋桨。

7.如权利要求1所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述图像采集装置包括用于采集图像信息的摄像头和用于采集温度信息的红外热成像仪。

8.如权利要求1或2所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述船体监测模块包括设于无人船上用于对无人机的起飞环境进行判断的风力监测装置。

9.如权利要求8所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述船体监测模块还包括设于无人船上的防水摄像装置。

10.如权利要求9所述的一种用于海上风电机组的机艇耦合式巡检机器人，其特征在于：所述船体监测模块还包括设于无人船上的超声避障装置。

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