CN114941608A - 一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，通过毫米波雷达发射的无线电波来测量叶片与塔柱的净空距离，可以解决雨雾干扰问题，稳定性更高；并且将雷达安装在叶尖与塔柱重合所对应高度位置，相比于安装在机舱顶部或塔柱底部来说，安装塔柱外壁上的雷达进行距离探测时离风机叶片更近，减小了天线波束的宽度，提高了数据精度，并且本方法监测时，雷达之间采用错频的方式监测，避免由于叶片较宽，使得雷达的多径效应导致测量的距离错误。本发明还公开一种防撞监测装置和系统，本发明的防撞监测装置能够降低安装难度，且不破坏风机塔柱本身的结构；本发明的防撞监测系统能避免扫塔事故的发生。

Description

一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及风机监测领域，具体涉及一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置、系统及方法。
背景技术
风机叶片是将风能转化为电能的重要设备，但在运行过程中叶片会因承受不同载荷的风力而产生一定的形变和位移，塔柱是风机的主要承重机构，对于大型风机而言，通常高度都会达到百米以上，目前，风机叶片在旋转过程中和塔柱发生碰撞而导致风机损毁已是屡见不鲜，净空距离是指叶片尖端(即叶尖)扫过塔柱表面时叶尖部位距离塔柱的最小几何距离，为了避免出现叶尖扫塔的现象，当净空距离小于安全值时须立即产生预警并进行叶片调整和降速等操作，从而有效地保证了风机的运行安全。
现有风机叶片防撞监测存在的问题是：1、监测部件安装在塔柱机舱尾部，机舱会在外部风荷载的作用下任意摆动，安装在机舱尾部的监测部件也会随机舱摆动，继而导致测量叶片相对于塔柱壁的净空距离时缺乏准确可靠的原始基准点，所建立的测量坐标系并不准确，其次监测部件安装相对叶片探测区域较远，发射的天线波束的宽度较大，精度较低，缺陷较大；2、现有技术中采用摄像机视频监测的方法，这种方法的不足点在于所拍摄的图像质量极其容易受大雾、雨、雪、沙尘等因素影，导致测量误差较大，实用性大打折扣；3、基于激光测距的测量方法，这种方法的不足点在于激光发射装置需要安装在风机叶片腔体内，在风机叶片制作时就得将反光装置安装进去，设备一旦损坏难以维修，其次叶片变形过大的时候反光装置容易超过激光反射点，只能预估叶尖变形值，具有较高的应用局限性；4、基于叶尖安装的红外线发射装置的测量方法，这种方法的不足点在于风机叶片叶尖处红外线发射装置容易引起雷电，造成设备损坏，安全性较低。
综上所述，急需一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置、系统及方法以解决现有技术中监测不便和监测精度低的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置、系统及方法，以解决现有技术中监测不便和监测精度低的问题，具体技术方案如下：
一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：将多个雷达沿周向安装在塔柱的外周壁上；
步骤S2：利用雷达获取雷达与叶片之间的相对距离；
步骤S3：外部主控制系统根据相对距离的最小值判断是否调整叶片位置；
所述步骤S1中，雷达所在的高度与叶片的叶尖旋转至最靠近地面时所在的高度一致，且周向相邻的两个雷达之间的信号频段不同。
以上技术方案优选的，所述步骤S2中，利用三角波测距原理和式1)得出相对距离R，式1)如下：
Figure BDA0003632063250000021
其中，R为雷达与叶片之间的相对距离；N是三角波进行快速傅里叶变换后的频点数；Nu为雷达输出的上三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；Nd为雷达输出的下三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；c为光速；T为三角波的上三角时间；B为雷达带宽。
以上技术方案优选的，所述塔柱的外周壁上等间距安装有八个雷达。
一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置，用于实现所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，包括雷达、抱箍以及安装支架；所述安装支架设置在抱箍上，且安装支架与雷达一一对应设置；所述抱箍抱紧在塔柱外周壁上。
以上技术方案优选的，还包括磁吸件；所述磁吸件设置在抱箍上，且磁吸件用于与塔柱相吸附。
以上技术方案优选的，所述安装支架以及雷达上均设有安装孔；螺纹件螺纹连接在安装孔内，螺纹件用于雷达的安装。
一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测系统，用于实现所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，包括雷达、风机工控机、路由器、控制系统以及数据中心；所述雷达与风机工控机连接；风机工控机内置解算模块，解算模块用于解算雷达获取的数据；所述风机工控机、控制系统以及数据中心均与路由器连接；控制系统与风机连接。
应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：
(1)本发明的方法通过毫米波雷达发射的无线电波来测量叶片与塔柱的净空距离，可以解决雨雾干扰问题，稳定性更高；并且将雷达安装在叶尖与塔柱重合所对应高度位置，相比于安装在机舱顶部或塔柱底部来说，安装塔柱外壁上的雷达进行距离探测时离风机叶片更近，减小了天线波束的宽度，提高了数据精度，并且本方法监测时，雷达之间采用错频的方式监测，避免由于叶片较宽，使得雷达的多径效应导致测量的距离错误。
(2)本发明的装置能够降低安装难度，且不破坏风机塔柱本身的结构。
(3)本发明监测系统中的风机工控机内置解算模块，通过解算模块解算雷达获取的数据，并得到叶尖与雷达之间的相对距离，风机工控机通过路由器将解算后的相关数据分别传输至控制系统和数据中心，控制系统能根据传输过来的数据判断是否控制机舱调整叶片的风攻角姿态和速度，避免扫塔事故的发生，数据中心便于储存和查看相关的数据。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1是本实施例的防撞监测方法的雷达探测示意图(P示意的是雷达的探测区域)；
图2是本实施例的防撞监测装置的结构示意图；
图3是本实施例的防撞监测系统的连接示意图；
其中，1、雷达；2、叶片；2.1、叶尖；3、塔柱；4、抱箍；5、安装支架；6、螺纹件。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例：
一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，如图1至图3所示，包括以下步骤：
步骤S1：如图1至图2所示，将多个雷达1沿周向安装在塔柱3的外周壁上，本实施例的多个毫米波雷达沿塔柱外周壁的周向等间距设置，且雷达所在的高度与叶片2的叶尖2.1旋转至最靠近地面时(即与塔柱重合时)所在的高度一致；一般情况下，叶片转一圈会有3个雷达检测到，为了避免盲区的出现，本实施例优选设置8个毫米波雷达，周向相邻的两个雷达之间的信号频段不同，具体频段根据实际情况设定；
步骤S2：利用雷达获取雷达与叶片之间的相对距离，具体如下：
本实施例利用24GHz毫米波雷达，采用FMCW(调频连续波)波形，对叶片经过雷达探测的范围区域整体进行探测进而获得叶片(叶尖)经过该区域时的空间位置，结合经典的三角波测距原理，进而得出雷达与叶片(叶尖)之间的相对距离(相对距离的最小值为叶尖至塔柱的净空距离)，相对距离R的计算如式1)所示，式1)如下：
Figure BDA0003632063250000041
其中，R为雷达与叶片之间的相对距离；N是三角波进行快速傅里叶变换(FFT)后的频点数；Nu为雷达输出的上三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；Nd为雷达输出的下三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；c为光速；T为三角波的上三角时间；B为雷达带宽。
步骤S3：外部控制系统根据相对距离R的最小值判断是否调整叶片位置；
外部控制系统设置预警值，当叶尖2与塔柱3之间的净空距离(即雷达与叶尖相对距离的最小值)小于设定的预警值时，外部控制系统发出调整信号，风机收到信号后调整叶片风攻角和速度，避免叶片扫塔事故的发生。
本实施例还公开了一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置，用于实现上述的毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，如图1至图2所示，具体是：监测装置包括雷达1、抱箍4、安装支架5以及磁吸件；
本实施例的抱箍抱紧在塔柱的外周壁上；所述安装支架与雷达一一对应，雷达以及安装支架上均设置有安装孔，螺纹件6(如螺栓)穿过安装孔设置，从而实现雷达稳定在安装支架上；雷达以及安装支架所在的高度与叶片的叶尖在旋转至与塔柱重合时所在的高度一致；
本实施例的多组安装支架沿塔柱的周向等间距设置在抱箍上；磁吸件(如磁铁)设置在抱箍上，磁吸件能吸附在塔柱外周壁上，磁吸件用于抱箍的稳固。
本实施例监测装置的安装方式如下：安装工人先在地面上将八个毫米波雷达分别安装到安装支架上，再将安装支架安装在抱箍上，将组装好的监测装置带到塔柱上对应的安装位置，用磁吸件将抱箍先吸在塔柱壁上，再将抱箍首尾相接后用打包机将抱箍拉紧并卡死，最终依靠塔柱与抱箍间的摩擦阻力来实现整个装置的固定，此安装方式不会对塔柱本身造成破坏。
本实施例还公开了一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测系统，用于实现所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，如图3所示，监测系统包括雷达、风机工控机、路由器、数据中心以及控制系统；
本实施例的雷达与风机工控机之间通过CAN转以太网模块(参考现有模板)连接，雷达将获取的数据传输至风机工控机，风机工控机内置解算模块(参考现有模块)，解算模块用于解算雷达获取的数据，并得到雷达与叶片(叶尖2.1)的相对距离；
风机工控机解算出的风机叶片与塔柱的相对距离发送至数据中心和控制系统；控制系统设置有预警值(根据实际情况设定，例如1m-2m)，当控制系统接收的相对距离(具体是净空距离)小于预警值时，控制系统发出调整信号，从而调整风机叶片(桨叶)的风攻角姿态和速度，降低叶片表面所受到的风荷载，进而减小风机叶片变形，避免叶片扫塔；数据中心用于储存相关数据，同时便于工作人员实时查看到雷达与叶片(叶尖)的相对距离。优选控制系统和路由器之间设置有网闸。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：将多个雷达(1)沿周向安装在塔柱(3)的外周壁上；
步骤S2：利用雷达获取雷达与叶片(2)之间的相对距离；
步骤S3：外部主控制系统根据相对距离的最小值判断是否调整叶片位置；
所述步骤S1中，雷达所在的高度与叶片的叶尖旋转至最靠近地面时所在的高度一致，且周向相邻的两个雷达之间的信号频段不同。
2.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，利用三角波测距原理和式1)得出相对距离R，式1)如下：
Figure FDA0003632063240000011
其中，R为雷达与叶片之间的相对距离；N是三角波进行快速傅里叶变换后的频点数；Nu为雷达输出的上三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；Nd为雷达输出的下三角波进行快速傅里叶变换后的峰值频点位置；c为光速；T为三角波的上三角时间；B为雷达带宽。
3.根据权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，其特征在于，所述塔柱的外周壁上等间距安装有八个雷达。
4.一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置，用于实现权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，其特征在于，包括雷达(1)、抱箍(4)以及安装支架(5)；
所述安装支架设置在抱箍上，且安装支架与雷达一一对应设置；所述抱箍抱紧在塔柱外周壁上。
5.根据权利要求4所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置，其特征在于，还包括磁吸件；所述磁吸件设置在抱箍上，且磁吸件用于与塔柱相吸附。
6.根据权利要求4或5所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测装置，其特征在于，所述安装支架以及雷达上均设有安装孔；螺纹件(6)螺纹连接在安装孔内，螺纹件用于雷达的安装。
7.一种基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测系统，用于实现权利要求1所述的基于毫米波雷达的风机叶片防撞监测方法，其特征在于，包括雷达、风机工控机、路由器、控制系统以及数据中心；
所述雷达与风机工控机连接；风机工控机内置解算模块，解算模块用于解算雷达获取的数据；所述风机工控机、控制系统以及数据中心均与路由器连接；控制系统与风机连接。
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CN115616567A (zh) * 2022-12-19 2023-01-17 湖南联智监测科技有限公司 一种雷达测距误差修正方法

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Applicant before: Hunan Lianzhi Technology Co.,Ltd.

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