基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片自主巡檢系統(tǒng)*

□ 王馥華 □ 顧沈驊 □ 姚 凱 □ 陸 軼

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200072

1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般設(shè)置在偏遠(yuǎn)地區(qū)。長(zhǎng)期運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片,會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷。若在早期進(jìn)行及時(shí)修復(fù),可延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片使用壽命,提高發(fā)電效率。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些細(xì)微損傷,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片斷裂,給整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成威脅。由此可見(jiàn),對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片裂紋損傷進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)維護(hù)是非常重要的。筆者基于無(wú)人機(jī)技術(shù),提出風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片自主巡檢系統(tǒng)。

2 拓?fù)潢P(guān)系

自主巡檢系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系如圖1所示,由無(wú)人機(jī)系統(tǒng)和地面信息管理系統(tǒng)兩部分組成。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)是按照規(guī)劃好的巡檢航跡自主飛行和采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片數(shù)據(jù),地面信息管理系統(tǒng)用于負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和巡檢航跡的規(guī)劃。

2.1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)由機(jī)身模塊、飛控模塊、云臺(tái)模塊三部分組成,每個(gè)模塊之間互相協(xié)調(diào)。機(jī)身模塊為飛控模塊和云臺(tái)模塊提供載體,提供穩(wěn)定的飛行能力和持續(xù)的續(xù)航能力。飛控模塊中包含定位系統(tǒng)和測(cè)向系統(tǒng),可以為無(wú)人機(jī)提供地理位置信息,實(shí)時(shí)提供機(jī)體的姿態(tài)信息,還可以設(shè)定飛行路線。在云臺(tái)模塊中,云臺(tái)載體與攝像機(jī)集成在一起。云臺(tái)載體的作用是使攝像機(jī)穩(wěn)定工作。云臺(tái)載體是一個(gè)三軸穩(wěn)定系統(tǒng),可以在俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航運(yùn)動(dòng)中調(diào)整偏移量。俯仰角的可變范圍在-90°～30°之間,偏航角的可變范圍在-45°～45°之間,角度抖動(dòng)誤差可控制在0.02°以內(nèi)。

▲圖1 自主巡檢系統(tǒng)拓?fù)潢P(guān)系

無(wú)人機(jī)應(yīng)滿足下列要求:抗風(fēng)能力大于10 m/s,續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)于20 min,飛行高度大于300 m,導(dǎo)航定位誤差不大于3 cm。圖2所示大疆精靈第四代無(wú)人機(jī)具有體積小、速度快、控制靈活、使用方便的特點(diǎn),能夠滿足以上要求。攝像機(jī)分辨率不低于1 000萬(wàn)像素。

▲圖2 大疆精靈第四代無(wú)人機(jī)

2.2 地面信息管理系統(tǒng)

地面信息管理系統(tǒng)主要由預(yù)處理模塊、視覺(jué)測(cè)量算法模塊、巡檢航跡規(guī)劃模塊組成。預(yù)處理模塊主要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的關(guān)鍵信息進(jìn)行收集匯總,方便后續(xù)處理。視覺(jué)測(cè)量算法模塊根據(jù)相機(jī)成像原理和優(yōu)化方法,計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)的位置信息。巡檢航跡規(guī)劃模塊利用計(jì)算得到的巡航點(diǎn)位置信息,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn),根據(jù)檢測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)巡航點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)行巡檢航跡規(guī)劃。

3 信號(hào)傳輸覆蓋

無(wú)人機(jī)自主巡檢的重要條件是要保證較高的空間定位精度。傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)依靠全球定位系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行定位,在偏遠(yuǎn)環(huán)境中,全球定位系統(tǒng)信號(hào)的傳播會(huì)受到外界因素影響,無(wú)法滿足無(wú)人機(jī)自主巡檢較高定位精度的要求。筆者采用的是基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分定位的無(wú)人機(jī)定位技術(shù),在差分全球定位系統(tǒng)定位的基礎(chǔ)上增加參考站數(shù)量,在一個(gè)區(qū)域內(nèi)建立多個(gè)參考站,形成網(wǎng)狀覆蓋,相互參考和進(jìn)行誤差比較,糾正系統(tǒng)誤差,以獲得更穩(wěn)定的地理位置信息。由此,即使區(qū)域內(nèi)某個(gè)參考站丟失了信號(hào),仍然可以使用區(qū)域內(nèi)其它有信號(hào)的參考站,保證定位信號(hào)不會(huì)丟失。

4 巡檢航跡規(guī)劃

將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的三個(gè)葉尖和輪轂中心看作空間的四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),按照?qǐng)D3所示風(fēng)力發(fā)電機(jī)拍照取樣方式對(duì)四個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)取樣拍照,Pc1、Pc2、Pc3表示無(wú)人機(jī)的三次拍照點(diǎn),每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)都有三條空間向量。

▲圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)拍照取樣方式

(1)

加上其它兩次拍照點(diǎn)Pc2、Pc3到輪轂中心O的距離,即空間向量模長(zhǎng),可以列出三個(gè)方程式,解出輪轂中心坐標(biāo)。同理,再分別計(jì)算出三個(gè)葉尖點(diǎn)坐標(biāo)。

將三個(gè)葉尖與輪轂中心分別連線,再對(duì)每一條連線進(jìn)行等分分割,進(jìn)而得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片上其它巡檢點(diǎn)的坐標(biāo),即需要無(wú)人機(jī)進(jìn)行拍攝的點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)巡檢點(diǎn)規(guī)劃出對(duì)應(yīng)的巡航點(diǎn),確定用于無(wú)人機(jī)懸停拍照的位置。

將計(jì)算得出的巡航點(diǎn)坐標(biāo)信息分別傳送至飛控中心,設(shè)定無(wú)人機(jī)的飛行軌跡,即風(fēng)力發(fā)電機(jī)的巡檢航跡,如圖4所示。

▲圖4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)巡檢航跡

5 檢測(cè)內(nèi)容

檢測(cè)前,在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的葉根處分別涂上便于辨識(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的不同顏色,如黃色、綠色、紅色等。涂色應(yīng)為不小于400 mm的環(huán)形帶寬,便于無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)后續(xù)處理。無(wú)人機(jī)首先拍攝、保存被巡檢風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)組編號(hào)信息,然后對(duì)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片迎風(fēng)面、背風(fēng)面、前緣、后緣拍照,最后對(duì)獲得的高清數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。為了提高無(wú)人機(jī)巡檢的精度,每張照片重疊率不應(yīng)低于20%,保證能完整覆蓋風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片常見(jiàn)的損傷類型有三種。

(1)邊緣開(kāi)裂。受風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片粘合處縫隙含膠量不均或固化不完全等因素的影響,風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)料合縫處會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂,尤其是迎風(fēng)面的中部區(qū)域和葉尖,這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片最易受損、開(kāi)裂的部位。如果沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的開(kāi)裂損傷,將會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備失效,造成停機(jī)事故。

(2)局部脫落。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片迎風(fēng)面、前緣、后緣等位置,外層用于保護(hù)內(nèi)部復(fù)合材料和纖維布的膠衣容易損壞,使內(nèi)部纖維布露出,出現(xiàn)裂縫、磨損、表面脫落等缺陷。

(3)雷擊損傷。雷電擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片時(shí),釋放的能量使風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度急劇升高,造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面復(fù)合材料灼燒,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片表面出現(xiàn)不同程度的損傷。

6 應(yīng)用

位于湖北省武穴市的武穴潤(rùn)享50 MW風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目,采用所提出的自主巡檢系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題:前緣開(kāi)放性開(kāi)裂,纖維層表面破損,前緣砂眼、風(fēng)損,表面面漆脫落,殼體表面縱向裂紋,前緣玻璃纖維層腐蝕等,如圖5所示。針對(duì)這些問(wèn)題,由自主檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行周期檢查、修復(fù),取得了滿意的效果。

▲圖5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片缺陷

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片自主巡檢系統(tǒng),對(duì)其中的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了整體方案設(shè)計(jì),進(jìn)行了巡檢航跡規(guī)劃,同時(shí)確認(rèn)了檢測(cè)的主要內(nèi)容。

這一自主巡檢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高效率、低成本檢測(cè),保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性。