CN115773209A - 一种风机叶片净空检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风机叶片净空检测装置及检测方法。所述装置安装在风机的风机舱预设位置，所述装置包括L型支架(1)和净空检测箱体(2)；所述L型支架(1)的竖直段连接风机的风机舱(3)，水平段安装净空检测箱体(2)，所述净空检测箱体(2)内设置IMU传感器(6)、激光雷达(7)和工业相机(8)；其中，IMU传感器(6)采集风机叶片(4)的姿态数据，激光雷达(7)采集风机叶片(4)的点云数据，工业相机(8)采集风机叶片(4)的图像数据；所述姿态数据、点云数据和图像数据均输入上位机，当上位机检测到风机叶片(4)进入非安全净空区域，则停止风机工作。

Description

一种风机叶片净空检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及风机安全监测领域，尤其涉及一种风机叶片净空检测装置及检测方法。

背景技术

风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械，它是一种从动的流体机械。主要用于发电，风力带动发电机电枢旋转时，由于发电机的磁极铁芯存在剩磁，所以电枢线圈便在磁场中切割磁力线，根据电磁感应原理，由磁感应产生电流并经炭刷输出电流。

叶尖塔筒净空是指风力发电机轮毂转动时叶片扫过塔筒时，叶尖部位距离塔筒的最小几何距离。叶片迎风受力旋转所形成的旋转曲面形状往往会随风力载荷的变化而变化，为了避免叶片与塔筒间的运动干涉，在设计时需要通过仿真计算出各种工况下的叶尖塔筒净空距离，确保风机的运行安全。

当前市场上的产品主要是通过高速摄影和图像后处理分析来计算叶片塔筒净空，主要存在以下缺陷需要复杂的数据后处理分析，无法实时计算出净空测量值净空距离通过图像处理得到，测量不确定度受拍摄机位跟被测风机的相对角度影响很大风机运行过程中，需要根据不同的偏航位置不断的调整拍摄位置，难以保证数据一致性恶劣天气和夜间无法测量数据跟风机数据同步困难，叶尖塔筒净空测量无法实时地直接测量计算出各种风况下的叶尖塔筒净空，除了难以达到数据同步。还有在对复杂山地地形下的净空距离检测，传统方法很难达到预期效果，实施起来也相对复杂。

目前现有技术有一种基于多激光头的风机叶片净空自动监测方法，在地面距离风机的塔筒外壁安全净空值处定一个点，接着在风机的机舱上安装一个激光测距仪，该激光测距仪设计有多个激光头，一个激光头的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，其余激光头的光束打在叶片下叶尖附近区域，激光测距仪测得的距离是其与叶片下叶尖之间的距离，风机的控制系统监测到上述变化，会做出判断，报警停机，叶片停止旋转，以保证风机运行安全，需要在多个激光头的作用下，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报。现有技术的缺点就是需要在地面上测量，并且需要多个激光头。每次测量一个风机，都需要通过计算确定净空检测的装置距离风机的方位，还会受到地表情况复杂的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种风机叶片净空检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种风机叶片净空检测装置，安装在风机的风机舱预设位置，所述装置包括L型支架和净空检测箱体；所述L型支架的竖直段连接风机的风机舱，水平段安装净空检测箱体，所述净空检测箱体内设置IMU传感器、激光雷达和工业相机；其中，IMU传感器采集风机叶片的姿态数据，激光雷达采集风机叶片的点云数据，工业相机采集风机叶片的图像数据；所述姿态数据、点云数据和图像数据均输入上位机，当上位机检测到风机叶片进入非安全净空区域，则停止风机工作。

作为上述装置的一种改进，所述L型支架的水平段为伸缩杆，与净空检测箱体连接处设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体的视角，视角范围为0-180度。

作为上述装置的一种改进，所述L型支架的竖直段和水平段之间设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体的高度。

作为上述装置的一种改进，所述激光雷达为广角雷达，雷达内设置两个不同角度的棱镜使得雷达的视场角同时覆盖风机叶片和风机塔筒。

作为上述装置的一种改进，所述净空检测箱体还包括IMU接口、LAN1接口、LAN2接口和电源接口，其中，

姿态数据通过IMU接口，点云数据和图像数据通过LAN1接口上传至上位机，所述装置通过LAN2接口与上位机通信；通过电源接口获取装置工作的电力。

一种风机叶片净空检测方法，基于上述装置实现，所述方法包括：

获取风机叶片净空检测装置采集的姿态数据、点云数据和图像数据；

基于点云数据和图像数据进行三维重建；

通过语义分析，识别风机叶片；

结合姿态数据计算得到风机叶片距离风机塔筒的净空距离；

当净空距离小于设定阈值时，判定风机叶片进入非安全净空区域，则发出控制命令，停止风机工作。

作为上述方法的一种改进，所述基于点云数据和图像数据进行三维重建；具体包括：

对采集的点云数据进行数据滤波，得到有效点云数据；

基于形态学的特征点提取算法对有效点云数据进行特征提取；

对姿态数据进行惯导解算，得到风机叶片的位移、姿态和速度；

基于提取的特征，结合图像数据进行三维重建，得到三维模型。

作为上述方法的一种改进，所述数据滤波具体包括：

通过半径滤波去除少量降水、扬尘带来的噪点；

在有效区域范围内，去除风机塔和地面点云噪点；

提取云、雨、雾特征值，过滤对应点云，得到去噪后的有效点云数据。

作为上述方法的一种改进，所述结合姿态数据计算得到风机叶片距离风机塔筒的净空距离；具体包括：

基于三维重建得到风机叶片的三维点坐标，结合姿态数据计算风机叶片不同的位置点到风机塔筒外壁的垂直距离；

通过寻找地平面信息参考，得到垂直方向，将风机叶片数据校正到垂直方向，沿着风机叶片方向每隔一定距离获取参考位置点，得到风机叶片的整体弯曲形状，进而得出风机叶片的形变数据，从而得到风机叶片每个参考位置点的净空距离。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明的风机叶片净空检测装置安装在风机舱，克服了传统风机叶片检测装置由于放置在地面会受到地表形态和环境的影响；

2、本发明的风机叶片净空检测装置扫描点云数量达24w，数据采集范围广，采集频率高，采集位置精准，不会因叶片变形而降低准确性；

3、本发明的检测方法通过数据分析得到整个叶片的实时变形曲线，再计算得到风机叶片距离风机塔筒的净空距离，从而判断风机是否处于安全运行状态，具有实时性好，自动化程度高的优点。

附图说明

图1是本发明的风机叶片净空检测装置安装示意图；

图2是本发明的风机叶片净空检测装置主视图；

图3是本发明的风机叶片净空检测装置后视图；

图4是采用本发明的方法计算净空值示意图；

图5是采用本发明的方法得到的风机叶片形变曲线示意；

图6是采用本发明的方法得到的风机叶片不同位置的净空值曲线示意。

附图标记

1、L型支架 2、净空检测箱体

3、风机舱 4、风机叶片

5、风机塔筒 6、IMU传感器

7、激光雷达 8、工业相机

9、IMU接口 10、LAN2接口

11、LAN1接口 12、电源接口

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，为风机叶片净空检测装置的安装示意图。风机叶片净空检测装置安装在风机舱预设位置。

如图2所示，风机叶片净空检测装置安装在风机舱预设位置，包括L型支架1和净空检测箱体2；L型支架1的竖直段连接风机的风机舱3，水平段安装净空检测箱体2，安装时尽量保持水平，净空检测箱体2内设置IMU传感器6、激光雷达7和工业相机8；其中，IMU传感器6采集风机叶片4的姿态数据通过IMU接口9，激光雷达7采集风机叶片4的点云数据以及工业相机8采集风机叶片4的图像数据通过LAN1接口11，输入上位机的净空检测模块，当净空检测模块检测识别风机叶片4进入非安全净空区域，则通知风机停止工作。

L型支架1的水平段为伸缩杆，与净空检测箱体2连接处设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体2的视角，视角范围为0-180度；L型支架1的竖直段和水平段之间设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体2的高度。

激光雷达7为定制的广角雷达，实现大角度扫描覆盖。雷达采用了独特的棱镜扫描方式，使用两个棱镜，让光线从不同的方向发射雷达，使得雷达的视场角同时覆盖风机叶片4和风机塔筒5。

如图3所示，净空检测箱体2包括IMU接口9、LAN1接口11、LAN2接口10和电源接口12，其中，

姿态数据通过IMU接口9，点云数据和图像数据通过LAN1接口11上传至上位机，所述装置通过LAN2接口10与上位机通信；通过电源接口12获取装置工作的电力。

本装置安装在风机舱上，安装位置是确定的，不需要像现有技术那样的多次重复计算安装位置。能应对复杂地形，实时采集，当风机叶片进入非安全净空区域，停止风机工作，保证风机运行的安全。

实施例2

本发明的实施例2提出了一种风机叶片净空检测方法，基于实施例1的检测装置实现。

具体原理是：激光雷达的光束打在叶片下叶尖触发安全净空的临界位置，通过探头端的转轴调整视角，使角度调整范围达到0-180度，在进行叶片净空自动监测，风机在运行过程中，如果叶片在安全净空区域运行时，则激光测距仪测得的距离是其与地面激光所打在位置之间的距离，如果叶片由于受大风作用而进入非安全净空区域，则激光将打到叶片上，激光测距仪测得的距离会发生变化，此时激光测距仪测得的距离是其与叶片下叶尖之间的距离，风机的控制系统监测到上述变化，会做出判断，报警停机，叶片停止旋转，以保证风机运行安全。通过激光扫描获得三维建模数据，使得叶片进入非安全净空区域就能监测到下叶尖附近区域的多个点，该多个点形成一个面，即叶片扫过监测位置时能够监测到一个面，通过监测到的该个面能够避免由非叶片行为引起的净空误报，从而提高净空报警的准确性。

净空检测方法的具体步骤如下：

(1)仿真计算

通过仿真实验建立数学模型，进行系统仿真，得到设置安全净空区域的仿真值，即叶片处于安全净空区域的阈值。

(2)数据采集

风力发电机固定在作为竖直支架的塔筒顶端，风力发电机前端为三个旋转叶片，在风机舱设定距离安装本检测装置。根据视角需求，调整伸缩杆行程，探头可伸出机舱外，还可以通过探头端的转轴调整视角，使角度调整范围达到0-180度。调整好视角后，IMU传感器、激光雷达和工业相机扫描目标物体，通过IMU接口将IMU传感器采集的风机叶片姿态数据上传至上位机；通过LAN1接口将激光雷达采集的风机叶片点云数据和工业相机采集的图像数据上传至上位机。姿态数据：利用风机净空检测装置IMU，并通过IMU接口将数据传输给电脑端。

(3)三维重建

1)数据滤波

对采集的点云数据进行数据滤波，具体包括：半径滤波，去除少量降水、扬尘带来的噪点；有效区域范围内，去除风机塔和地面点云噪点；提取云、雨、雾特征值，过滤对应点云；去噪后得到有效点云。其中，特征主要包括特征点、特征线和区域。以特征点为匹配基元，特征点以何种形式提取与用何种匹配策略紧密联系。选用基于形态学的特征点提取算法并且改善配准算法，提高针对复杂场景的重建还原程度。

2)惯导解算

根据IMU传感器通过加速度计测得的载体加速度和陀螺仪测得的载体相对于导航坐标系的角速度，来对载体的位置、姿态及速度进行惯导解算。

3)模型重建

通过完成摄像机标定、三维物体立体图像对预处和匹配并得到空间点三维坐标后，就可以恢复出三维场景信息。由于三维重建精度受匹配精度，摄像机的内外参数误差等因素的影响，因此首先需要做好前面几个步骤的工作，使得各个环节的精度高，误差小，这样才能设计出一个比较精确的立体视觉系统。

融合激光点云三维场景稠密点云的自动重建有利于场景结构的获取。图像的特征提取和匹配算法，利用算法对图像特征点进行跟踪，提取密集、鲁棒的特征点。本方法其利用激光扫描设备投射光信息至目标场景或物体，通过对接收到的返回信息进行计算与处理，进而获取目标距离并重建物体的三维模型。

(4)风机叶片识别

通过算法的自动实时分析数据，实现实时数据的采集并自动解析、核心对象语义分析和风机叶片数据的自动提取。通过开发基于Linux的实时算法解析程序，可以实时解析激光雷达的数据，并且可以实现基本的对象语义分析，主要包括塔筒、叶片、地面的语义判断。基于雷达扫描的三维重建，实时还原叶片扫过塔筒时的位置关系。

(5)计算净空值

通过三维建模得到风机叶片的三维点坐标，加上IMU惯性导航得到风机叶片净空自动监测装置移动的相对位移，通过相对位移将不同角度扫描的点云数据整合形成完整的立体风叶以及风机的直立的支柱柱子的三维模型。计算整个叶片各个位置点到柱子的垂直距离。利用获取叶片数据，再通过寻找地平面等信息参考，得到垂直方向，将数据校正到垂直方向，对叶片数据进行分析，沿着叶片方向每隔一定距离获取叶片部分的参考位置点(采用平均位置)，通过获取平均位置来得到整体的叶片的弯曲形状，进而得出叶片的形变数据，从而推测出叶片的净空距离，从而及时做出预警，通过抽取叶片下半部分关键点，计算净空值，得到叶片形变曲线。

通过语义分析检测出风机叶片对应点云数据，并且根据地面进行校正，然后得到风力机叶片距离底面的高度等信息，选取距离太阳能风机安装地表高度为h0米和h1米处(包括整个风机叶片)。如图4所示，在h0和h1之间每隔5m选取参考点，在叶片的参考点位置对叶片进行截面计算，在两个参考点之间提取一个截面，输出截面到感知设备竖直线的距离值d1，d2，....，dn。如图5所示，为风机叶片形变曲线示意；如图6所示，为风机叶片不同位置的净空值曲线示意。

6)数据分析及预警

通过对风机叶片数据的实时分析，通过仿真实验数据和风机叶片的位置趋势来判断风机的形变程度。当叶片参考点位置到风机柱子的间距平均值小于设定值(即d1<L1，d2<L2，.....dn<Ln，其中L1，L2，....，Ln是通过仿真计算得到，代表净空安全距离，即阈值)，则判断为净空安全距离失效，进行系统报警，在系统界面会有红色警灯不断闪烁，并通知检测装置停止风机工作。倘若距离大于设定值H，则认为净空安全距离有效，风机的叶片运行在符合净空安全距离要求，系统界面会有绿色的灯保持明亮，表示风机运行正常。

风力发电是是一种很潜力的新能源，符合政府倡导和人类发展要求，无污染的能源将是未来发展的主要趋势。本专利发明的是实时检测风机叶片净空检测装置，可以很好的监测风机叶片是否运行正常，实时的，自动化，智能化的检测装置可以帮助人类更好的管理大量的风机。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。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，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种风机叶片净空检测装置，安装在风机的风机舱预设位置，其特征在于，所述装置包括L型支架(1)和净空检测箱体(2)；所述L型支架(1)的竖直段连接风机的风机舱(3)，水平段安装净空检测箱体(2)，所述净空检测箱体(2)内设置IMU传感器(6)、激光雷达(7)和工业相机(8)；其中，IMU传感器(6)采集风机叶片(4)的姿态数据，激光雷达(7)采集风机叶片(4)的点云数据，工业相机(8)采集风机叶片(4)的图像数据；所述姿态数据、点云数据和图像数据均输入上位机，当上位机检测到风机叶片(4)进入非安全净空区域，则停止风机工作。

2.根据权利要求1所述的风机叶片净空检测装置，其特征在于，所述L型支架(1)的水平段为伸缩杆，与净空检测箱体(2)连接处设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体(2)的视角，视角范围为0-180度。

3.根据权利要求1所述的风机叶片净空检测装置，其特征在于，所述L型支架(1)的竖直段和水平段之间设置转轴，通过调节转轴调节净空检测箱体(2)的高度。

4.根据权利要求1所述的风机叶片净空检测装置，其特征在于，所述激光雷达(7)为广角雷达，雷达内设置两个不同角度的棱镜使得雷达的视场角同时覆盖风机叶片(4)和风机塔筒(5)。

5.根据权利要求1所述的风机叶片净空检测装置，其特征在于，所述净空检测箱体(2)还包括IMU接口(9)、LAN1接口(11)、LAN2接口(10)和电源接口(12)，其中，

姿态数据通过IMU接口(9)，点云数据和图像数据通过LAN1接口(11)上传至上位机，所述装置通过LAN2接口(10)与上位机通信；通过电源接口(12)获取装置工作的电力。

6.一种风机叶片净空检测方法，基于权利要求1-5之一的装置实现，所述方法包括：

获取风机叶片净空检测装置采集的姿态数据、点云数据和图像数据；

基于点云数据和图像数据进行三维重建；

通过语义分析，识别风机叶片；

结合姿态数据计算得到风机叶片距离风机塔筒的净空距离；

当净空距离小于设定阈值时，判定风机叶片进入非安全净空区域，则发出控制命令，停止风机工作。

7.根据权利要求6所述的风机叶片净空检测方法，其特征在于，所述基于点云数据和图像数据进行三维重建；具体包括：

对采集的点云数据进行数据滤波，得到有效点云数据；

基于形态学的特征点提取算法对有效点云数据进行特征提取；

对姿态数据进行惯导解算，得到风机叶片的位移、姿态和速度；

基于提取的特征，结合图像数据进行三维重建，得到三维模型。

8.根据权利要求7所述的风机叶片净空检测方法，其特征在于，所述数据滤波具体包括：

通过半径滤波去除少量降水、扬尘带来的噪点；

在有效区域范围内，去除风机塔和地面点云噪点；

提取云、雨、雾特征值，过滤对应点云，得到去噪后的有效点云数据。

9.根据权利要求6所述的风机叶片净空检测方法，其特征在于，所述结合姿态数据计算得到风机叶片距离风机塔筒的净空距离；具体包括：

基于三维重建得到风机叶片的三维点坐标，结合姿态数据计算风机叶片不同的位置点到风机塔筒外壁的垂直距离；

通过寻找地平面信息参考，得到垂直方向，将风机叶片数据校正到垂直方向，沿着风机叶片方向每隔一定距离获取参考位置点，得到风机叶片的整体弯曲形状，进而得出风机叶片的形变数据，从而得到风机叶片每个参考位置点的净空距离。

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