CN117184481A - 一种用于陆上风电机组停放无人机的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及风电无人机巡检设备领域，尤其涉及一种用于陆上风电机组停放无人机的装置，包括平台板、支撑架、夹持装置、电源箱和起降辅助装置，平台板通过支撑架设置于任一风机基础上，电源箱设置于平台板的侧面；夹持装置包括固定支架和至少一个夹持臂，夹持臂的驱动控制由自动控制系统进行控制；起降辅助装置包括滑道和控制系统，控制系统用于调整滑道的倾斜角度。本发明可以为无人机提供精确、稳定和安全的降落引导，并通过实时数据分析和算法计算，调整无人机的降落路径、姿态和速度，并通过无线通信传输引导信号。
Description
技术领域
本发明涉及风电无人机巡检设备领域，具体为一种用于陆上风电机组停放无人机的装置。
背景技术
无人驾驶飞机简称“无人机”(“UAV”)，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞行器(包括旋翼无人机、伞翼无人机、扑翼无人机、固定翼无人机等)。
目前在役的陆上风力发电机组没有设计可以停放无人机的装置，陆上风电场在利用无人机巡检方面存在弊端，受无人机电池待机时间的影响，无人机不能实现远距离，长时间的巡航检查，使得无人机巡检技术不能得到广泛应用，未能发挥出利用无人机巡检应带来的安全、便利、节约、环保等方面的好处，致使无人机使用频次少，工作效率低。
发明内容
针对现有技术中存在巡检时无人机不便续航的问题，本发明提供一种用于陆上风电机组停放无人机的装置。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种用于陆上风电机组停放无人机的装置，包括平台板、支撑架、夹持装置、电源箱和起降辅助装置，平台板通过支撑架设置于任一风机基础上，电源箱设置于平台板的侧面；
电源箱内配置有无人机充电装置和风机检修电源插座，无人机的充电接口与无人机充电装置连接；
夹持装置包括固定支架和至少一个夹持臂，固定支架与平台板固定连接，夹持臂的一端与固定支架转动连接，设置呈爪状结构的抓手，用于抓紧无人机；夹持臂的驱动控制由自动控制系统进行控制；
起降辅助装置包括滑道和控制系统，滑道上配置引导线和激光测距仪，引导线沿滑槽的长度设置；激光测距仪安装于滑道的顶部，用于测量无人机与滑道之间的距离；控制系统用于调整滑道的倾斜角度。
优选的，自动控制系统中预先设定不同无人机型号的参数和风压信号对应的加持力度映射表，根据无人机型号的参数与预先设定的映射表进行自动匹配，获得夹持力度；之后系统会根据当前风速和实际情况动态调整夹持装置的加持力度。
优选的，加持力度映射表的来源：根据实验数据，将收集到的无人机参数和风压信号与对应的加持力度值进行记录，建立无人机参数和风压信号与加持力度之间的映射关系。
优选的，按照1至10级大风产生的风压设置夹持臂加持力度，公式为：wp＝v2/1600[kN/m2]，wp为加持力度，v为风速。但最终设置夹持力按10级风的风压设定。
优选的，控制系统根据无人机的降落信息和传感器数据采用引导算法调整滑道的倾角，其中，无人机的降落信息包括降落路径和降落姿态。
优选的，降落路径采用路径规划算法获得，即基于传感器数据，使用滤波和状态估计算法来估计无人机的当前状态，包括位置、速度和姿态，计算最佳的降落路径。
优选的，降落姿态采用姿态控制算法获得，即根据无人机的位置和速度计算飞行器的飞行姿态并传输给无人机，以保证其保持稳定并适应其降落路径。
优选的，控制系统中配置校准机制和反馈机制，配合将滑道的倾角调整至符合无人机降落的倾角：反馈机制用于向控制系统中反馈当前滑道的倾角，校准机制使用控制算法PID，基于期望倾角和反馈倾角的偏差控制小型电动执行机构，调整滑道的倾角到达期望倾角，实现校准。
优选的，无人机的充电接口与无人机充电装置采用无线充电方式进行连接。
优选的，平台板的边缘处设有挡板，挡板的内壁上设有缓冲结构，挡板的中心部分及边缘部分均设有加固板，加固板采用碳纤维材料制作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种用于陆上风电机组停放无人机的装置在风机基础上安装无人机平台，在基础任一位置，安装平台板，平台采用支撑架及加强筋固定，供停放无人机用。平台侧面安装防雨电源箱，箱内安装电源插座及无人机自动充电装置及系统，供无人机在线充电及检修电源用。无人机平台与风机基础采用支撑架焊接方式固定，此无人机平台以后根据技术发展情况亦可改造为小型载人飞行器的平台使用。
在风机停运或停机检查、检修时可利用此平台停放无人机或充电，也可利用此无人机平台作为某一区域基站对周围1-2公里范围内的其它风机进行巡检，根据工作需要，陆上风电场可选择使用手持式的遥控器控制无人机；风机较多，距离较远的陆上风电场可选择配备自动驾驶的无人机，预先设定航线，指定停放无人机充电的风机位置、对每台风机的巡查方式、内容及时间等、无人机可按照设定好的航线自动飞行、充电、巡检，不需要操作人员手动控制，仅需要在地面控制下达指令即可。
平台设置有专门无人机夹持装置，用于将无人机安全固定在停机台上。夹持臂用于夹持无人机的不同部位，例如机身、起落架及其他固定部件。
滑道上的测距仪通常是用于辅助无人机降落过程的设备，它可以通过探测无人机与滑道之间的距离和位置，帮助无人机精确地着陆在滑道上。降落辅助系统利用滑道、激光测距仪、引导信号和算法控制等技术，为无人机提供精确、稳定和安全的降落引导。该系统通过实时数据分析和算法计算，调整无人机的降落路径、姿态和速度，并通过无线通信传输引导信号。同时，自动校准和校正功能确保传感器准确性，数据记录和分析有助于后续改进系统性能。
进一步的，防滑结构用以增加摩擦力并提供更可靠的固定效果。
进一步的，路径规划算法和姿态控制算法相互结合，使得无人机能够在降落过程中根据传感器数据估计自身状态，并进行路径规划，然后通过姿态控制算法调整飞行姿态，从而实现准确导航及落地。
进一步的，挡板用于于提供防护和防撞功能：挡板的安装位置可选择固定在地面上或安装在支架上，以确保稳定性和牢固性。
进一步的，挡板上的缓冲结构可以吸收撞击能量，并减少对无人机的冲击力传递，从而降低对无人机的损害。强化结构可以提高挡板的刚性和稳定性，以抵抗更大的冲击力和外力。
附图说明
图1为本发明一种用于陆上风电机组停放无人机的装置的示意图；
图2为本发明中夹持装置的示意图。
图中，1、风机基础；2、塔筒；3、机舱；4、风速仪；5、无人机平台；6、电源盒；7、叶片；8、无人机底座；9、抓手；10、夹持臂；11、旋转座。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
无人机可根据需要携带安装高清夜视摄像头装置、扫描装置、热成像装置、声发射装置、三维成像装置、存储设备及各类所需分析仪等，无人机搭载高分辨率相机可完成对风机叶片7的巡检，能够快速地进行故障检查和故障信息确认，实现叶片7表面损伤初筛的目的，叶片7结冰结露情况巡检等，也可对风机进行机舱3巡检、塔筒2巡查等工作，螺栓断裂、脱落等异常工况的检查，风向风速仪4的检查，避免了人工检查带来的安全风险，可大大提高工作效率，减少运维成本，降低事故发生。
雷达作为无人机上的一个附加装置或传感器来使用，可以安装在无人机的机身、机翼或底部，无人机据雷达数据作出相应的避障和安全降落决策。
本发明公开了一种用于陆上风电机组停放无人机的装置，参照图1，包括平台板、支撑架、夹持装置、电源箱和起降辅助装置，平台板通过支撑架设置于任一风机基础1上，电源箱设置于平台板的侧面。本实施例中平台板由不锈钢材料制成，尺寸为1.2m×1.2m，钢板厚度4-6mm，平台板高度20-100cm。无人机平台5与风机基础1采用支撑架焊接方式固定，此无人机平台5以后根据技术发展情况亦可改造为小型载人飞行器的平台使用。
电源箱内配置有无人机充电装置和风机检修电源插座，无人机的充电接口与无人机充电装置连接；无人机的充电接口与无人机充电装置采用无线充电方式进行连接。本实施例中，防雨电源箱，箱内安装220V、380V电源插座及无人机自动充电装置及系统，供无人机在线充电及检修电源用。
参照图2，夹持装置包括固定支架和至少一个夹持臂10，固定支架与平台板固定连接，夹持臂10的一端与固定支架通过旋转座11转动连接，另一端设置呈爪状结构的抓手9，用于抓紧无人机；夹持臂10的驱动控制由自动控制系统进行控制；
起降辅助装置包括滑道和控制系统，滑道上配置引导线和激光测距仪，引导线沿滑槽的长度设置；激光测距仪安装于滑道的顶部，用于测量无人机与滑道之间的距离；控制系统用于调整滑道的倾斜角度。
平台板的边缘处设有挡板。挡板的内壁上设有缓冲结构，挡板的中心部分及边缘部分均设有加固板，加固板采用碳纤维材料制作。本实施例中，缓冲结构可选用泡沫填充物、弹性垫或气囊进行填充，以吸收撞击能量。另外，挡板上还安装有红外碰撞传感器，用于实时监测无人机与挡板的距离和接触情况，当无人机接近挡板时触发警报或自动反应，避免碰撞发生。
自动控制系统中预先设定不同无人机型号的参数和风压信号对应的加持力度映射表，根据无人机型号的参数与预先设定的映射表进行自动匹配，获得夹持力度；之后系统会根据当前风速和实际情况动态调整夹持装置的加持力度。
其中，加持力度映射表的来源：根据实验数据，将收集到的无人机参数和风压信号与对应的加持力度值进行记录，建立无人机参数和风压信号与加持力度之间的映射关系。
按照1至10级大风产生的风压设置夹持臂10加持力度，公式为：wp＝v2/1600[kN/m2]，wp为加持力度，v为风速。本实施例中夹持力按10级风的风压进行设定。
控制系统根据无人机的降落信息和传感器数据采用引导算法调整滑道的倾角，其中，无人机的降落信息包括降落路径和降落姿态。
降落路径采用路径规划算法获得，即基于传感器数据，使用滤波和状态估计算法来估计无人机的当前状态，包括位置、速度和姿态，计算最佳的降落路径；
降落姿态采用姿态控制算法获得，即根据无人机的位置和速度计算飞行器的飞行姿态并传输给无人机，以保证其保持稳定并适应其降落路径。
根据无人机的降落信息和传感器数据计算滑道的倾斜角度，公式如下：
θ＝arctan((h-h0)/d)
其中，θ是滑道倾斜角度；h是无人机当前的飞行高度；h0是目标降落点的高度；d是无人机与目标降落点之间的水平距离。
控制系统中配置校准机制和反馈机制，配合将滑道的倾角调整至符合无人机降落的倾角：反馈机制用于向控制系统中反馈当前滑道的倾角，校准机制使用控制算法PID，基于期望倾角和反馈倾角的偏差控制小型电动执行机构，调整滑道的倾角到达期望倾角，实现校准。
校准的PID算法如下：CO(t)＝Kp*[E(t)+∫E(τ)dτ/Ti+Td*dE(t)/dt]，
其中，CO(t)是在时间t处的控制器输出值；Kp是比例系数，是一个正的常数，用于调整比例控制器的响应强度；∫E(τ)dτ表示从初始时间到当前时间的误差累积，即积分误差；Ti是积分时间常数，是一个正的常数，用于调整积分控制器的响应速度；dE(t)/dt表示误差随时间的变化率，即微分误差；Td是微分时间常数，是一个正的常数，用于调整微分控制器的响应速度。
倾角的调整如下：
E(t)＝θ偏差＝θ期望倾角-θ反馈倾角。当θ偏差处于10％以内时，倾角调整完成。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，包括平台板、支撑架、夹持装置、电源箱和起降辅助装置，平台板通过支撑架设置于任一风机基础(1)上，电源箱设置于平台板的侧面；
电源箱内配置有无人机充电装置和风机检修电源插座，无人机的充电接口与无人机充电装置连接；
夹持装置包括固定支架和至少一个夹持臂(10)，固定支架与平台板固定连接，夹持臂(10)的一端与固定支架转动连接，另一端设置呈爪状结构的抓手(9)，用于抓紧无人机；夹持臂(10)的驱动控制由自动控制系统进行控制；
起降辅助装置包括滑道和控制系统，滑道上配置引导线和激光测距仪，引导线沿滑槽的长度设置；激光测距仪安装于滑道的顶部，用于测量无人机与滑道之间的距离；控制系统用于调整滑道的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，自动控制系统中预先设定不同无人机型号的参数和风压信号对应的加持力度映射表，操作时，根据无人机型号的参数与预先设定的映射表进行自动匹配，获得夹持力度；之后系统会根据当前风速和实际情况动态调整夹持装置的加持力度。
3.根据权利要求2所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，加持力度映射表的来源：根据实验数据，将收集到的无人机参数和风压信号与对应的加持力度值进行记录，建立无人机参数和风压信号与加持力度之间的映射关系。
4.根据权利要求3所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，按照1至10级大风产生的风压设置夹持臂(10)的加持力度，公式为：wp＝v2/1600[kN/m2]，wp为加持力度，v为风速。
5.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，控制系统根据无人机的降落信息和传感器数据采用引导算法调整滑道的倾角，其中，无人机的降落信息包括降落路径和降落姿态。
6.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，降落路径采用路径规划算法获得，即基于传感器数据，使用滤波和状态估计算法来估计无人机的当前状态，包括位置、速度和姿态，计算最佳的降落路径。
7.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，降落姿态采用姿态控制算法获得，即根据无人机的位置和速度计算飞行器的飞行姿态并传输给无人机，以保证其保持稳定并适应其降落路径。
8.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，控制系统中配置校准机制和反馈机制，配合将滑道的倾角调整至符合无人机降落的倾角：反馈机制用于向控制系统中反馈当前滑道的倾角，校准机制使用控制算法PID，基于期望倾角和反馈倾角的偏差控制小型电动执行机构，调整滑道的倾角到达期望倾角，实现校准。
9.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，无人机的充电接口与无人机充电装置采用无线充电方式进行连接。
10.根据权利要求1所述的用于陆上风电机组停放无人机的装置，其特征在于，平台板的边缘处设有挡板，挡板的内壁上设有缓冲结构，挡板的中心部分及边缘部分均设有加固板，加固板采用碳纤维材料制作。
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