CN115145314A - 基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本申请属于风电技术领域，具体涉及一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，包括：对模板风机进行标定，并将模板风机的基本参数带入计算，得到模板风机的巡检路径，无人机飞到每一个规划航路点时可对位姿进行调整，以拍摄更为准确的画面，然后保存为巡检路径模板；通过无人机对待巡检风机进行标定；将标定结果带入所述巡检路径模板中计算，得到所述待巡检风机的巡检路径。本申请的巡检路径规划方法，仅仅通过输入风机参数和标定风机坐标，预先录制巡检路径模板的方式来记录路径规划的信息，通过标定待巡检风机并带入巡检路径模板进行计算即可生成待巡检风机的巡检路径，可以快速应用在相同型号不同位置的风机上，提高了无人机的巡检效率。
Description
技术领域
本申请属于风电技术领域，具体涉及一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法。
背景技术
风力发电机组（简称风机）的叶片设计寿命一般都是20年，叶片运行一旦进入中期，在反复的疲劳载荷作用下，叶片制作时残留的制造缺陷就会展现出来，很多叶片开始出现局部开裂、分层等的问题，部分严重的就会发生断裂，每一次叶片断裂都将对风电场造成比较大的损失。叶片断裂的原因大多数都是由于缺陷没能及时发现并修复，在疲劳运转下裂纹不断扩展，最后才出现叶片失稳断裂。
目前无人机巡检成为给能源企业提供安全、高效的检查和数据收集的有效手段，无人机为风力发电机叶片检查开辟了新的可能，提高了检测质量和效率，大大的提高了风电场运营管理的智能化水平。在现有的无人机巡检方法中，每台风机巡检都需要重新计算规划巡检路径，影响了巡检效率。
发明内容
本申请提供一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，该方法可以很好的解决现有无人机巡检效率低的问题。
本申请实施例提供了一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，包括：
对模板风机进行标定并将所述模板风机的基本参数带入计算，得到所述模板风机的巡检路径，保存为巡检路径模板；
通过无人机对待巡检风机进行标定；
将标定结果带入所述巡检路径模板中计算，得到所述待巡检风机的巡检路径。
上述巡检路径规划方法，仅仅通过输入风机参数和标定风机坐标，预先录制巡检路径模板的方式来记录路径规划的信息，通过标定待巡检风机并带入巡检路径模板进行计算即可生成待巡检风机的巡检路径，可以快速应用在相同型号不同位置的风机上，提高了无人机的巡检效率。
在一实施例的技术方案中，所述对模板风机进行标定并将所述模板风机的基本参数带入计算，得到所述模板风机的巡检路径，保存为巡检路径模板包括：
通过无人机飞到所述模板风机的标定点，对所述标定点进行标定，获取所述标定点在大地坐标系中的GPS坐标；
建立所述模板风机的模型坐标系，确定所述模型坐标系与大地坐标系之间的转换关系；
根据所述转换关系将所述标定点的GPS坐标转换到所述模型坐标系下，获得所述标定点在所述模型坐标系中的模型坐标；
通过模板风机的基本参数确定各航路点的模型坐标，根据所述航路点与所述标定点在所述模型坐标系中的相对位姿关系，将所述航路点的模型坐标转换成GPS坐标；
根据所有所述航路点的GPS坐标规划出所述模板风机的巡检路径，并保存为巡检路径模板。
在一实施例的技术方案中，所述无人机搭载有定位模块和测距模块，当所述无人机飞到所述模板风机的标定点处时，所述定位模块定位此时所述无人机的GPS坐标，所述测距模块测量所述无人机到所述标定点的物距，通过所述测距模块测量的物距计算出标定点的GPS坐标。
在一实施例的技术方案中，通过无人机按照所述模板风机的巡检路径进行飞行，在需要进行位姿调整的所述航路点进行无人机的位姿调整，并将调整后的位姿信息保持到所述巡检路径模板中。
在一实施例的技术方案中，所述通过无人机对待巡检风机进行标定包括：通过无人机飞到所述待巡检风机的标定点，对所述标定点进行标定，获取所述标定点在大地坐标系中的GPS坐标，并且建立所述待巡检风机的模型坐标系。
在一实施例的技术方案中，在标定前，先将所述模板风机的叶片调整成“倒Y”字型，并锁定。
在一实施例的技术方案中，所述标定点包括风机的轮毂中心点和至少三支叶片的叶尖前缘点；所述模型坐标的原点为所述轮毂中心点，Y轴方向为所有所述叶尖前缘点所确定面的法向量的水平分量，Z轴方向为大地高度方向。
在一实施例的技术方案中，所述航路点的确定包括：在每支叶片四个检测面的叶根和叶尖处规划对应的航路点。
在一实施例的技术方案中，在规划所述叶根和叶尖处的航路点时，同一检测面上，所述叶根处航路点与所述叶片的距离要大于所述叶尖处航路点与所述叶片的距离。
在一实施例的技术方案中，所述叶片的四个检测面包括压力面、吸力面、前缘面和后缘面；
或者，所述叶片的四个检测面包括前缘迎风面、前缘背风面、后缘背风面和后缘迎风面。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
本申请中附图是用于示出优选实施方式，便于本领域普通技术人员对各种其他的优点和益处清楚明了的认识，并不能认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件：
图1为本申请一实施例中基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法的流程示意图；
图2为本申请一实施例中录制巡检路径模板的流程示意图；
图3为本申请一实施例中建立模型坐标系的示意图；
图4为本申请一实施例中风机停机时叶片的预弯角度展示图；
图5为本申请一实施例中叶根处航路点到叶尖处航路点构成的路径示意图；
图6为本申请一实施例中无人机正视拍摄叶片的四个检测面的巡检路径示意图；
图7为本申请一实施例中无人机侧视拍摄叶片的四个检测面的巡检路径示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
目前无人机巡检成为给能源企业提供安全、高效的检查和数据收集的有效手段，无人机为风力发电机叶片检查开辟了新的可能，提高了检测质量和效率，大大的提高了风电场运营管理的智能化水平。但是在现有的无人机巡检方法中，每台风机巡检都需要重新计算规划巡检路径，影响了巡检效率。
本申请施例提供了一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，仅仅通过输入风机参数和标定风机坐标，预先录制巡检路径模板的方式来记录路径规划的信息，通过标定待巡检风机并带入巡检路径模板进行计算即可生成待巡检风机的巡检路径，可以快速应用在相同型号不同位置的风机上，提高了无人机的巡检效率。
图1是本实施例提供的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法的流程示意图，参见图1，基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法包括如下过程：
S100、通过模板风机录制巡检路径模板，参见图2。
需要说明的是，用于巡检的无人机一般是配备有拍摄模块（可以理解为相机等）、通信模块、RTK（Real - time kinematic，RTK定位是基于载波相位观测值的实时动态定位技术）高精度定位模块和激光测距仪。无人机还有配套的移动端，即地面的控制器（可以理解为遥控器、平板电脑、笔记本电脑等移动智能设备），移动端的配置有飞控软件。
S110、通过无人机飞到所述模板风机的标定点，对标定点进行标定，获取标定点在大地坐标系中的GPS坐标。其中标定点包括风机的轮毂中心点和三支叶片的叶尖前缘点。
S111、先把风机叶轮角度调整成“倒Y”字型锁定，方便后续的计算和模板的录制。
S112、无人机飞到轮毂高度处时，无人机面对风机，激光测距仪的激光点打在轮毂
中心点处，记下当前点无人机的方位角（无人机当前朝向与正北方向之间的夹角）
和轮
毂中心点（激光点）的GPS坐标
，记为点
。
例如，当所述无人机飞到模板风机的轮毂中心点处时，RTK高精度定位模块定位此
时无人机的GPS坐标，激光测距仪测量无人机到轮毂中心点的物距，通过激光测距仪测量的
物距计算出轮毂中心点的GPS坐标
。
S113、无人机在叶轮面前方面对风机时，此时风机竖直向上的叶片记为叶片A，左
下方叶片记为叶片B，右下方叶片记为叶片C。无人机分别飞到三支叶片的叶尖位置，无人机
面对风机，激光测距仪的激光点打在叶尖前缘点，计算出叶片A、B、C叶尖前缘点的GPS坐标，
分别记为点
、点
、点
。
S120、建立模板风机的模型坐标系，参见图3，确定模型坐标系与大地坐标系之间的转换关系。
具体地，通过O、A、B、C四个点的标定，以标定点O为原点，A、B、C三个点所确定面的法向量的水平分量N即为Y轴方向（也是风机的方位角），大地高度方向为Z轴方向，以此建立风机的模型坐标系。该模型坐标系配置的方向与大地坐标系匹配，方便确定模型坐标系与大地坐标系之间的转换关系。
S130、根据转换关系将标定点的GPS坐标转换到模型坐标系下，获得标定点在模型坐标系中的模型坐标。
S140、通过模板风机的基本参数确定各航路点的模型坐标，根据航路点与标定点在所述模型坐标系中的相对位姿关系，将所述航路点的模型坐标转换成GPS坐标。
需要说明的是，在移动端飞控软件中输入参数可以包括：风机的塔筒高度H、叶轮直径D、叶根至轮毂中心点距离RootDis、停机时叶片B和叶片C的预弯角度Prebend（参见图5）等风机的基本参数。
需要说明的是，在规划航路点时，在大地坐标系下，已知一个航路点的GPS坐标
、无人机方位角
，与另一个航路点之间的夹角
、水平距离hdis、垂直距离
vdis，地球平均半径ARC，可求另一个航路点的GPS坐标
，则有
。
其中夹角
、水平距离hdis、垂直距离vdis都可以在模型坐标系下获得。
根据上述方法从模型坐标系下获得不同航路点参数，并带入
中，即可求出所
有航路点的GPS坐标。
可选地，无人机可以采取正视拍摄三支叶片，此时无人机正视拍摄三支叶片的四个检测面分别为压力面（PS）、吸力面（SS）、前缘（LE）、后缘（TE），参见图6，则可以在每个检测面的叶根和叶尖处规划航路点，并求得GPS坐标。正视拍摄的优势在于，无人机正对着风机叶片的4个面（压力面PS、吸力面SS、前缘LE、后缘TE）以得到更加清晰直观的拍摄照片，也更利于后续叶片缺陷在叶片上位置和尺寸的估算。
可选地，无人机可以采取侧视拍摄三支叶片，此时无人机侧视拍摄三支叶片的四个检测面分别为前缘迎风面（LE-PS）、前缘背风面（LE-SS）、后缘背风面（TE-SS）、后缘迎风面（TE-PS），参见图7，则可以在每个检测面的叶根和叶尖处规划航路点，并求得GPS坐标。侧视拍摄的优势在于无人机不进入叶轮扫风面，飞行时无人机更加安全，且侧视拍摄叶片的画幅更大，避免拍摄前缘或后缘的叶尖部分时，叶片太细而无法对焦清晰的问题；而且无人机在拍摄时可以同时看到叶片的两个面，视角内容更丰富。
进一步地，由于风机叶片比较大，无人机在拍摄叶根部位时，需要相机变焦（或者较远的距离）才能拍到叶片合适的画幅大小，而叶尖部位又比较细，也需要相机变焦（或者较近的距离）才能拍到叶片合适的画幅大小。因此，在规划叶根和叶尖处的航路点时，同一检测面上，叶根处航路点与所述叶片的距离要大于所述叶尖处航路点与所述叶片的距离，大出的这段距离可以记为RootTipDis。如图4所示，这样无人机在飞行拍摄一个检测面时，从叶根到叶尖是逐渐靠近风机叶片的，因此相机不需要变焦镜头，定焦即可。
S150、根据所有航路点的GPS坐标规划出所述模板风机的巡检路径，然后保存结果为巡检路径模板。
进一步地，巡检路径模板中还可以包括无人机的位姿信息。通过无人机按照模板风机的巡检路径进行飞行，在需要进行位姿调整的所述航路点进行无人机的位姿调整（不需要调整的航路点可以不必调整），并将调整后的位姿信息保持到巡检路径模板中，使得巡检路径模板包括了无人机的位姿信息。
具体地，每一个航路点都可以对无人机的位置和姿态
进行调
整，以适应当前的风机和叶片型号，拍摄到清晰合适的画面。其中无人机在该航路点的偏航
角为yaw，俯仰角为pitch，横滚角为roll。在模型坐标系中，任意一个航路点和原点O之间的
相对位姿即为巡检路径模板中的位姿信息
。模板中位姿信
息的计算如下，已知原点O的GPS坐标
和任意一个航路点
， 可求两点之间的相对参数
。
通过在录制模板的过程中对每个航路点进行精细化调整，引入无人机的位姿信息，使得模板具有较强的通用性和精准性。
S200、在录制模板完成后，可以在风场对所有风机开始巡检，先要通过无人机对待巡检风机进行标定。
可理解的是，对待巡检的风机进行重新标定，带入待巡检风机的模型坐标系，即新
的原点坐标
和Y轴方位角
。这里的标定过程和待巡检风机的模型坐标系建立过程，
都需要遵循上述模板录制过程中的过程。
S300、将步骤S200中获得的标定结果、模型坐标等带入巡检路径模板中，可快速计算出待巡检风机全局路径的GPS坐标，规划出巡检路径，无人机按照该巡检路径执行飞行任务即可完成该风机的巡检。
需要说明的是，这里的模板风机可以是风机的模型，也可以是风场的任一一个风机，可以定义为第一个巡检。
在一些实施例中，基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，还包括以下过程：
S400、使用移动端的飞控软件进行全流程引导，录制模板时无需人工手动操控遥控器飞行，无人机在飞到每一个航路点时，只需手动微调无人机的位姿，在移动端飞控软件上确认后，无人机会自动进行拍照并飞往下一个航路点，同时记录相关的信息到数据存储设备，比如GPS坐标、俯仰角、偏航角、方位角、激光测距仪的信息、镜头参数等等。飞行完毕之后，把照片上传至叶片缺陷识别系统，对无人机巡检的照片进行项目管理，并可以基于Mask-RCNN进行图像识别，准确识别出照片上的缺陷并计算缺陷在叶片上的位置，最后生成自动化报告。
进一步地，基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，还包括以下过程：
S500、当无人机在飞行过程中电池余量不充足需要中断飞行任务更换电池时，移动端飞控软件可以记录断开的位置，在更换电池后无人机可通过预设的安全点位返回断开的位置，继续未完成的任务。
该方法包括但不限于有如下有益效果：
（1）通过输入风机参数和标定风机坐标，预先录制巡检路径模板的方式来记录路径规划的信息，通过标定待巡检风机并带入巡检路径模板进行计算即可生成待巡检风机的巡检路径，可以快速应用在相同型号不同位置的风机上，提高了无人机的巡检效率；
（2）该方法中的无人机可以不搭载机载计算机和激光雷达，也可以高效率的实现风电机组的叶片巡检，降低了无人机的载重、功耗和成本，让无人机拥有更强的续航能力。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在矛盾冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，包括：
对模板风机进行标定并将所述模板风机的基本参数带入计算，得到所述模板风机的巡检路径，保存为巡检路径模板；
通过无人机对待巡检风机进行标定；
将标定结果带入所述巡检路径模板中计算，得到所述待巡检风机的巡检路径。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述对模板风机进行标定并将所述模板风机的基本参数带入计算，得到所述模板风机的巡检路径，保存为巡检路径模板包括：
通过无人机飞到所述模板风机的标定点，对所述标定点进行标定，获取所述标定点在大地坐标系中的GPS坐标；
建立所述模板风机的模型坐标系，确定所述模型坐标系与大地坐标系之间的转换关系；
根据所述转换关系将所述标定点的GPS坐标转换到所述模型坐标系下，获得所述标定点在所述模型坐标系中的模型坐标；
通过模板风机的基本参数确定各航路点的模型坐标，根据所述航路点与所述标定点在所述模型坐标系中的相对位姿关系，将所述航路点的模型坐标转换成GPS坐标；
根据所有所述航路点的GPS坐标规划出所述模板风机的巡检路径，并保存为巡检路径模板。
3.根据权利要求2所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述无人机搭载有定位模块和测距模块，当所述无人机飞到所述模板风机的标定点处时，所述定位模块定位此时所述无人机的GPS坐标，所述测距模块测量所述无人机到所述标定点的物距，通过所述测距模块测量的物距计算出标定点的GPS坐标。
4.根据权利要求2所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，通过无人机按照所述模板风机的巡检路径进行飞行，在需要进行位姿调整的所述航路点进行无人机的位姿调整，并将调整后的位姿信息保持到所述巡检路径模板中。
5.根据权利要求2所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述通过无人机对待巡检风机进行标定包括：通过无人机飞到所述待巡检风机的标定点，对所述标定点进行标定，获取所述标定点在大地坐标系中的GPS坐标，并且建立所述待巡检风机的模型坐标系。
6.根据权利要求1或2所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，在标定前，先将所述模板风机的叶片调整成“倒Y”字型，并锁定。
7.根据权利要求2或5所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述标定点包括风机的轮毂中心点和三支叶片的叶尖前缘点；所述模型坐标的原点为所述轮毂中心点，Y轴方向为所有所述叶尖前缘点所确定面的法向量的水平分量，Z轴方向为大地高度方向。
8.根据权利要求2所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述航路点的确定包括：在每支叶片四个检测面的叶根和叶尖处规划对应的航路点。
9.根据权利要求8所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，在规划所述叶根和叶尖处的航路点时，同一检测面上，所述叶根处航路点与所述叶片的距离要大于所述叶尖处航路点与所述叶片的距离。
10.根据权利要求8所述的基于无人机的风机叶片巡检路径规划方法，其特征在于，所述叶片的四个检测面包括压力面、吸力面、前缘面和后缘面；
或者，所述叶片的四个检测面包括前缘迎风面、前缘背风面、后缘背风面和后缘迎风面。
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