CN117780576A - 一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法，其通过多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，利用磁吸除冰机器人对所述目标叶片的表面进行除冰；通过上位机控制模块通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。相比于现有技术，本发明无需人工进行作业除冰，并且实现了机器人强磁吸附与自动控制技术的有机融合，解决了多个机器人无法协同工作的问题，提高了除冰效率。最重要的是，本发明无需对风机叶片进行加热，而是通过磁吸除冰机器人直接作用于叶片表面的方式进行除冰，因此能够在极端条件下进行除冰，具备很好的实用性。

Description

一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法

技术领域

本发明涉及风机叶片除冰技术领域，尤其涉及一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法。

背景技术

风机叶片运行环境极为恶劣，尤其是南方的山区冬季需要在0℃以及0℃以下的低温条件下运行，加上空气潮湿、雨水、冰雪特别是遇到过冷却水滴时，风机叶片表面会出现覆冰现象。叶片大量覆冰会造成风力机功率损失、机械故障、坠冰引发的安全隐患等问题，具体包括：改变叶片的气动性能，造成叶轮气动、质量不平衡；升力系数下降和风能利用率降低，造成发电量的损失；阻力系数增加，导致传动链轴向载荷过大；叶片质量增加，轮毂转矩增大，影响叶根处疲劳寿命；叶片旋转过程中容易出现冰块脱落，发生坠落伤害等事故。风机叶片结冰问题已然成为冬季风力发电的最大阻力之一，为保障风电机组正常运行，运维单位必须即时去除风机叶片积冰，并防止叶片产生结冰。

目前针对风机叶片除冰通常为人工作业除冰，涂抹防冰剂需要人工高空操作，存在较大的安全隐患；现有主动除冰技术主要通过加热的方法来除去叶片上的冰，其原理是当叶片结冰发生时，通过加热使积冰层和风力机叶片表面形成一层水膜，利用形成的水膜使积冰的粘附力降低，在风力机运转时，离心力将积冰抛出。加热的方式有电加热和热气流加热。由于风力机叶片材质的原因，加热叶片的温度不能太高，在一些极端的结冰情况下，除冰的效果有限。因此，人们需要一种其他的特殊场景下有效的进行主动除冰的方式。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法，用以解决现有的主动除冰技术无法在极端情况下除冰的问题。

为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，包括：

多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，用于对所述目标叶片的表面进行除冰；

上位机控制模块，通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，用于基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。

进一步的，所述上位机控制模块，包括数据获取模块、模糊控制模块和信号发送模块，其中：

所述数据获取模块用于获取目标磁吸除冰机器人的位置数据，所述目标磁吸除冰机器人为当前待分析的一个磁吸除冰机器人；

所述模糊控制模块用于将所述位置数据输入至所述预设模糊控制系统，得到所述预设模糊控制系统输出的运动数据；

所述信号发送模块用于根据所述运动数据，控制所述目标磁吸除冰机器人运动。

进一步的，所述位置数据包括所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离，以及所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角，其中，所述参考磁吸除冰机器人为另一个当前待分析的磁吸除冰机器人；所述运动数据包括所述目标磁吸除冰机器人的运行速度，以及所述目标磁吸除冰机器人的转向角。

进一步的，所述预设模糊控制系统中，所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离对应有五个第一模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角对应有五个第二模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的运行速度对应有三个第三模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的转向角对应有五个第四模糊子集。

进一步的，所述预设模糊控制系统中的模糊规则包括：

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成反比；

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成反比。

进一步的，所述磁吸除冰机器人包括磁场控制模块，所述磁场控制模块包括：

感测单元，用于感测磁吸除冰机器人和所述目标叶片之间的磁场强度；

磁力控制器单元，用于基于磁场强度，根据电流调整磁吸除冰机器人和目标叶片之间的磁吸力。

进一步的，所述磁吸除冰机器人包括：

图像获取模块，用于获取目标叶片表面的图像数据；

人工智能分析模块，用于分析处理所述图像数据得到分析结果，并将分析结果和数据库中的预设异常类型进行匹配，根据匹配结果得到异常判断结果。

进一步的，所述磁吸除冰机器人包括除冰刀，所述除冰刀用于破碎并切割冰块。

进一步的，所述磁吸除冰机器人还包括除冰刀长度控制模块，连接于所述除冰刀，用于调整所述除冰刀的长度。

第二方面，本发明还提供了一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰方法，包括：

基于多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，对所述目标叶片的表面进行除冰；

基于上位机控制模块，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。

本发明提供一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法，其通过多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，利用磁吸除冰机器人对所述目标叶片的表面进行除冰；通过上位机控制模块通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。相比于现有技术，本发明无需人工进行作业除冰，具备很好的安全性，并且实现了机器人强磁吸附与自动控制技术的有机融合，基于上位机控制模块的预设模糊控制系统，解决了多个机器人无法协同工作的问题，提高了除冰效率。最重要的是，本发明无需对风机叶片进行加热，而是通过磁吸除冰机器人直接作用于叶片表面的方式进行除冰，因此能够在极端条件下进行除冰，具备很好的实用性。

附图说明

图1为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例的系统架构图；

图2为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中磁吸除冰机器人的结构示意图；

图3为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中上位机控制模块的结构示意图；

图4为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中距离的隶属度函数示意图；

图5为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中偏角的隶属度函数示意图；

图6为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中运行速度的隶属度函数示意图；

图7为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中转向角的隶属度函数示意图；

图8为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中运行速度的输出曲面结果；

图9为本发明提供的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统一实施例中预设模糊控制系统中转向角的输出曲面结果。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

可以理解的是，后文中出现的技术名词、英文缩写等均为现有技术，本领域技术人员能够根据上下文理解其意义，本文中因篇幅原因不做过多说明。

在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

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发明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。

本发明提供了一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法，以下分别进行说明。

结合图1所示，本发明的一个具体实施例，公开了一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，包括：

多个磁吸除冰机器人100，磁吸于目标叶片表面，用于对所述目标叶片的表面进行除冰；

上位机控制模块200，通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，用于基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。

相比于现有技术，本发明无需人工进行作业除冰，具备很好的安全性，并且实现了机器人强磁吸附与自动控制技术的有机融合，基于上位机控制模块的预设模糊控制系统，解决了多个机器人无法协同工作的问题，提高了除冰效率。最重要的是，本发明无需对风机叶片进行加热，而是通过磁吸除冰机器人直接作用于叶片表面的方式进行除冰，因此能够在极端条件下进行除冰，具备很好的实用性。

结合图2所示，进一步的，在一个优选的实施例中，所述磁吸除冰机器人包括磁场控制模块110，所述磁场控制模块包括：

感测单元111，用于感测磁吸除冰机器人和所述目标叶片之间的磁场强度；

磁力控制器单元112，用于基于磁场强度，根据电流调整磁吸除冰机器人和目标叶片之间的磁吸力。

其中，磁力控制器单元，其根据叶片内外对立吸附的预紧力判断当前吸附强度是否需要自动加强。具体地，根据以下公式进行调整：

F为衔铁上的电磁吸力；为磁通密度(高斯)；/>为磁吸的截面积(平方厘米)。通过加强磁场，作用在被磁化的衔铁上的电磁吸力，其大小与磁力线穿过磁极的总面积及磁通密度平方成正比。

优选地，当感测单元感测叶片内外面机器人磁场较小时，能通过磁力控制器单元自动增加电流进而加强磁通密度，以增加吸附力；当感测单元感测到叶片内外面机器人磁场较强时，机器人行走的阻力较大，能通过磁力控制器单元自动减少电流进而减少磁通密度，以减小吸附力。

可以理解的是，磁吸除冰机器人中还包括机身、衔铁、控制器等其他结构模块，这些均为现有技术，因此本文不做过多说明。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述磁吸除冰机器人还包括：

图像获取模块120，用于获取目标叶片表面的图像数据；

人工智能分析模块130，用于分析处理所述图像数据得到分析结果，并将分析结果和数据库中的预设异常类型进行匹配，根据匹配结果得到异常判断结果。

其中，图像识别模块接收由机器人上的摄像头等设备获取的图像数据并传递给人工智能分析模块识别除冰状态。人工智能分析模块，对图像数据进行分析处理得到除冰状态等分析结果，并从数据库调取对应类型的预设异常类型进行匹配，根据匹配结果调用故障类型的设备手册并进行引导和上传报警。本实施例中的图像获取模块和人工智能分析模块能够实现图像自动识别和异常除冰效果的自动判断，提高机器人的除冰效率，同时可将采集的视频或图片上传给监控端，提高巡检效率。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述磁吸除冰机器人还包括除冰刀140，所述除冰刀用于破碎并切割冰块。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述磁吸除冰机器人还包括除冰刀长度控制模块150，连接于所述除冰刀，用于调整所述除冰刀的长度。其能够根据叶片覆冰厚度调整除冰刀长度，在对叶片无伤害的情况下除冰。

进一步的，结合图3所示，在一个优选的实施例中，所述上位机控制模块，包括数据获取模块210、模糊控制模块220和信号发送模块230，其中：

所述数据获取模块用于获取目标磁吸除冰机器人的位置数据，所述目标磁吸除冰机器人为当前待分析的一个磁吸除冰机器人；

所述模糊控制模块用于将所述位置数据输入至所述预设模糊控制系统，得到所述预设模糊控制系统输出的运动数据；

所述信号发送模块用于根据所述运动数据，控制所述目标磁吸除冰机器人运动。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，用于处理复杂、不确定或模糊的系统。它通过模糊化输入和输出变量，并使用一组模糊规则进行推理，从而生成控制信号。相比于传统的精确控制方法，模糊控制能够处理系统中的不确定性和模糊性，即使在存在噪声、不完全可靠的传感器数据或模糊输入条件下，仍能提供稳定的控制效果。传统的控制方法对系统的准确建模要求较高，而模糊控制可以通过一组模糊规则来描述系统的行为，从而简化模型的建立。这使得模糊控制在系统较为复杂或模型难以建立的情况下具有应用优势。模糊控制具有灵活的推理和规则定义方式，可以根据具体问题和专家知识进行调整和优化。此外，模糊控制的输出结果也可以通过解模糊化映射到具体的控制信号，使得控制结果易于解释和理解。模糊控制方法能够有效应对非线性系统，因为它不需要在系统中进行精确的线性化操作，而是通过模糊推理来处理非线性关系，适应了更加复杂和多变的系统特性。在本实施例中，采用模糊控制能够更加准确地调度多个磁吸除冰机器人。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述位置数据包括所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离，以及所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角，其中，所述参考磁吸除冰机器人为另一个当前待分析的磁吸除冰机器人；所述运动数据包括所述目标磁吸除冰机器人的运行速度，以及所述目标磁吸除冰机器人的转向角。本实施例中采用距离和偏角来控制运行速度和转向角，方便且准确。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述预设模糊控制系统中，所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离对应有五个第一模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角对应有五个第二模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的运行速度对应有三个第三模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的转向角对应有五个第四模糊子集。因除冰过程中对速度要求不好，但是对其除冰过程中的精确度有要求，因此本实施例中将除运行速度外的其他变量均设置为五个模糊子集，以提高准确性，将运行速度设置为三个模糊子集确保运行速度。

进一步的，在一个优选的实施例中，所述预设模糊控制系统中的模糊规则包括：

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成反比；

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成反比。

本发明还提供一更加详细的实施例，用以更加清楚地说明上述模糊控制的过程：

具体地，本实施例中预设模糊控制系统的输入变量及其基本论域为：

D：磁吸除冰机器人A(即目标磁吸除冰机器人)与磁吸除冰机器人B(即参考磁吸除冰机器人)距离：0～1m；

I：除冰机器人A与除冰机器人B的偏角：-70°～70°；

本实施例中预设模糊控制系统的输出变量及其基本论域为：

V：除冰机器人A的运行速度：0～0.5m/s；

O：除冰机器人的转向角：-45°～45°。

上述变量对应的模糊子集如下：

D：{VL，L，M，H，VH}；

I：{VL，L，M，H，VH}；

V：{L，M，H}；

O：{VL，L，M，H，VH}。

其中，字母代表的语言值为：VL为很小，L为小，M为中，H为大，VH为很大。

距离的隶属度函数如图4所示；

偏角的隶属度函数如图5所示；

运行速度的隶属度函数如图6所示；

转向角的隶属度函数如图7所示。

模糊规则如下表：

本实施例采用重心法实现解模糊的过程，预设模糊控制系统的输出变量曲面结果如图8和图9所示。

具体地，可以看出，当机器人B偏角I不变时，机器人A与机器人B距离D越大，则机器人A速度V越大。当机器人A与机器人B距离D不变时，机器人B偏角I越大，则机器人A速度V越大；当机器人B偏角I不变时，机器人A与机器人B距离D越大，则机器人A转向角O越小。当机器人A与机器人B距离D不变时，机器人B偏角I越大，则机器人A转向角O越小。

为了更好实施本发明实施例中的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，在基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统基础之上，对应的，本发明还提供一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰方法，包括：

基于多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，对所述目标叶片的表面进行除冰；

基于上位机控制模块，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。

这里需要说明的是：上述实施例提供的对应的方法可实现上述各方法实施例中描述的技术方案，上述各模块或单元具体实现的原理可参见上述方法实施例中的相应内容，此处不再赘述。

本发明提供一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统及方法，其通过多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，利用磁吸除冰机器人对所述目标叶片的表面进行除冰；通过上位机控制模块通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。相比于现有技术，本发明无需人工进行作业除冰，具备很好的安全性，并且实现了机器人强磁吸附与自动控制技术的有机融合，基于上位机控制模块的预设模糊控制系统，解决了多个机器人无法协同工作的问题，提高了除冰效率。最重要的是，本发明无需对风机叶片进行加热，而是通过磁吸除冰机器人直接作用于叶片表面的方式进行除冰，因此能够在极端条件下进行除冰，具备很好的实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，包括：

多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，用于对所述目标叶片的表面进行除冰；

上位机控制模块，通信连接于多个所述磁吸除冰机器人，用于基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。

2.根据权利要求1所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述上位机控制模块，包括数据获取模块、模糊控制模块和信号发送模块，其中：

所述数据获取模块用于获取目标磁吸除冰机器人的位置数据，所述目标磁吸除冰机器人为当前待分析的一个磁吸除冰机器人；

所述模糊控制模块用于将所述位置数据输入至所述预设模糊控制系统，得到所述预设模糊控制系统输出的运动数据；

所述信号发送模块用于根据所述运动数据，控制所述目标磁吸除冰机器人运动。

3.根据权利要求2所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述位置数据包括所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离，以及所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角，其中，所述参考磁吸除冰机器人为另一个当前待分析的磁吸除冰机器人；所述运动数据包括所述目标磁吸除冰机器人的运行速度，以及所述目标磁吸除冰机器人的转向角。

4.根据权利要求3所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述预设模糊控制系统中，所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离对应有五个第一模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角对应有五个第二模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的运行速度对应有三个第三模糊子集；所述目标磁吸除冰机器人的转向角对应有五个第四模糊子集。

5.根据权利要求4所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述预设模糊控制系统中的模糊规则包括：

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离成反比；

当所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的距离不变时，所述目标磁吸除冰机器人的运行速度与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成正比，所述目标磁吸除冰机器人的转向角与所述目标磁吸除冰机器人相对于参考磁吸除冰机器人的偏角成反比。

6.根据权利要求1所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述磁吸除冰机器人包括磁场控制模块，所述磁场控制模块包括：

感测单元，用于感测磁吸除冰机器人和所述目标叶片之间的磁场强度；

磁力控制器单元，用于基于磁场强度，根据电流调整磁吸除冰机器人和目标叶片之间的磁吸力。

7.根据权利要求1所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述磁吸除冰机器人包括：

图像获取模块，用于获取目标叶片表面的图像数据；

人工智能分析模块，用于分析处理所述图像数据得到分析结果，并将分析结果和数据库中的预设异常类型进行匹配，根据匹配结果得到异常判断结果。

8.根据权利要求1所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述磁吸除冰机器人包括除冰刀，所述除冰刀用于破碎并切割冰块。

9.根据权利要求8所述的基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰系统，其特征在于，所述磁吸除冰机器人还包括除冰刀长度控制模块，连接于所述除冰刀，用于调整所述除冰刀的长度。

10.一种基于磁吸除冰机器人的风机叶片除冰方法，其特征在于，包括：

基于多个磁吸除冰机器人，磁吸于目标叶片表面，对所述目标叶片的表面进行除冰；

基于上位机控制模块，基于预设模糊控制系统控制多个所述磁吸除冰机器人在所述目标叶片表面的协同除冰运动。