三維激光技術在風力發電機塔筒垂直度檢測中的應用

趙飛飛，張顯云

（1.貴州大學 礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省測繪資料檔案館，貴州 貴陽 550004；3.貴州省自然資源衛星應用中心，貴州 貴陽 550004）

0 引 言

隨著“碳達峰、碳中和”戰略的提出，可再生能源必然會在我國經濟發展中扮演著越來越重要的角色。風能作為一種清潔、無公害的可再生能源，早已被各國所青睞。但由于長期運作和外力影響，風力發電機塔筒極可能發生彎曲、傾斜，甚至倒塌。垂直度檢測作為風力發電機日常運維的一項重要指標，決定著機器的正常運行。如果能精確、快速地檢測出風電塔垂直度，便能高效監控其安全性，大大減少損失[1-2]。

三維激光掃描技術作為一種無接觸式的測量技術，不僅具有高精度、高效率等特點，還能自動獲取海量點云，生成高精度三維模型[3]。這為風機塔筒垂直度檢測提供了很好的技術支撐。目前，三維激光技術廣泛應用于構筑物監測等領域。史陽軍、牛虎林[1-2]等人均采用三維激光技術檢測風電塔垂直度，并將結果與全站儀測量結果做對比，驗證了該方法能滿足工作需求。聞亞[4]提出采用三維激光技術將古亭進行分層，分別提取古亭的底部、中部和頂部的中心點，采用最小二乘法擬合中心點，分析古亭的垂直度和偏移量。王巍[5]利用三維激光掃描技術分別對電力鐵塔垂直度進行了分析。以上學者的研究均證明了三維激光掃描技術在測量中的可靠性。本文針對風力發電機塔筒，利用三維激光掃描技術對其進行垂直度檢測研究。

1 測區與儀器

本文研究對象是位于貴州大學西校區的風力發電機。該風力發電機西面靠山，周圍樹木茂密，東面為校內交通要道，來往車輛行人偏多，測量干擾源較多，不適合激光掃描儀的架設。其南北方向較為空曠，無大型遮擋物，干擾較少，適合架設儀器。現場具體情況如圖1 所示。

圖1 風力發電機現場情況

2 點云數據采集

2.1 點云數據的獲取

本次實驗采用的儀器是Riegl VZ-1000 地面三維激光掃面儀。該激光掃描儀具有掃描速度快、拼接時間短、產品質量好、配套軟件多等特點。其掃描精度為5 mm，掃描速度為每秒30 萬點，視角范圍0°～360°。進行數據掃描前，需實地查看，進行儀器校驗、選取測站點位、確定掃描方式和分辨率精度、選取控制點等操作。本次實驗數據處理將采用點云拼接方式，所以需根據風電發電機周圍環境，滿足兩站之間具有高重復率數據，最終設置4 個測站。每站掃描時間約為6 ～9 min，確保掃描數據的完整性。

2.2 點云數據處理

本次實驗數據采用RiScan PRO 軟件進行點云數據的處理。處理步驟包括點云拼接、點云去噪及點云切片等。

2.2.1 點云拼接

將多站掃描數據導入RiScan PRO 軟件，建立新的拼接站點，選擇重疊部分明顯的特征點，如房屋角點、窗子的邊線交點等，進行點云匹配。每個測站至少選擇3 至4 個同名點進行拼接。在拼接過程中，通過尋找多站之間風機周圍各種特征較為明顯、清楚的同名點，多次拼接，最終采用拼接效果最佳的結果進行后續操作。

2.2.2 點云去噪

獲取點云數據時，由于受到各種因素，如行人、車輛、建筑物及植物等的影響，采集的點云數據會存在大量噪聲。對于較為明顯的噪聲，直接采用手動刪除的方式進行處理。對于靠近風機塔筒的散亂點云，可采用軟件自帶的函數進行去除。圖2 為去噪后的風機塔筒圖。

圖2 去噪后的風機塔筒

2.2.3 點云切片

平面截面法是將選取的基準面作為截面，以相同高度間隔截取橫斷面，將橫斷面的中心點作為計算物體垂直度的特征點。為獲取風力發電機塔筒垂直度的情況，本次實驗每間隔2 m 做一次切片，依次獲取各個截面的點云數據，并導出各截面上各個點坐標。圖3 為風機塔筒切片結果。

圖3 風機塔筒切片結果

通過1 mm 平面切片每間隔2 m 截取一個平面，實驗共截取了16 個平面數據，獲得的點云數據個數范圍為28 ～464。如表1 所示，該風力發電機塔筒外形為椎體，所以由底部到頂部點云個數呈遞減趨勢。

表1 各截面點云個數統計

3 垂直度計算原理

3.1 切片圓心

詹慶明[6]指出，最小二乘法比較適用于圓形物體的特征提取。設圓周圍上有個點，任意兩個點坐標為(xi,yi)，(xj,yj)，0

通過變換可得到二元一次方程：

可列出n-1 個方程，由此組成一個方程組，該方程的誤差方程為：

式中：A為序數矩陣，l為真實值與測量值之差。按照最小二乘原理，各個觀測點到擬合曲線距離的平方和最小，即值最小。將式（3）代入其中，并對x求導使其等于0，得到，即ATA=0，得到：

3.2 垂直度

截取的部分立柱分段圖如圖4 所示。點A為頂部截面的中心點即擬合圓心點，點B為底面截面的中心點即底面擬合圓心點，點C為點A在底面的垂直投影。當點B與點C不重合，說明這個截面段是傾斜的，此時就會出現水平偏移量。點B與點C的橫坐標之差稱為?X，點B與點C的縱坐標之差稱為?Y。計算偏移量為

圖4 垂直度計算示意圖

對應的傾斜度為

式中：h為頂部截面與底部截面的高差值。

4 數據分析

4.1 數據分析

在垂直度計算中，傾斜度和偏移量是衡量構筑物安全性的重要指標。按照上述原理，利用Matlab軟件編程擬合各截面圓心，并以2 m 為底，計算其與其他高度截面圓心坐標的偏移量和傾斜度。各截面擬合圓心及相關參數如表2 所示。

表2 各截面圓心坐標和偏移量

為更直觀地觀察風力發電機塔架垂直度情況，以截面高度為橫軸，以偏移量和傾斜度為縱軸，分別繪制柱狀圖，如圖5 所示。

圖5 不同截面高度的偏移量和傾斜度

從表2 和圖5（a）可看出，隨著截面高度上升，風力發電機塔筒偏移量整體呈上升趨勢。當截面高度到達34 m 時，偏移量到達最大值6.29 mm。但截面高度為20 m 和22 m 時，偏移量反而減小，未隨截面高度的增加而增加。從圖5（b）可看出，塔筒傾斜度與偏移量變化基本一致，整體趨勢為，隨著截面高度上升，傾斜度逐漸增大，其值在2.18′處上下浮動。同樣地，當截面高度為34 m 時，傾斜度到達最大值2.83′。當截面高度為8 m 和22 m 時，塔筒傾斜度結果與其他相差較大。對此，可能有以下幾點原因：

（1）風力發電機塔筒本身有變形，在數據處理時未修復；

（2）掃描過程中，隨著高度的增加，掃描精度變弱，且受環境限制，掃描結果會受影響；

（3）拼接過程中，采用特征點手動拼接，拼接成果可能存在偏差；

（4）去噪過程中，在某些高度上會有其他噪聲點未被刪除，以至于影響最終結果；

（5）切片過程中，由于切平面是有一定厚度的，所謂的“切片”，實際上是“切圓柱”，一定程度上也會影響圓心坐標擬合。

4.2 結果討論

針對以上原因，在之后的研究中，可從以下幾方面進行完善。

（1）設計數據采集方案時，可考慮利用標靶球作為標志點，提高拼接成果精度。本次實驗采用RiScan PRO 軟件進行拼接，軟件中的算法在某些方面還不夠精密，可根據情況設計拼接算法。

（2）可分別針對風機塔筒形變、去噪分別設計算法，修復風機塔筒，去除噪聲。

（3）嘗試采用穩健估計等多種算法進行圓心坐標的擬合。

5 結 語

本文針對風力發電機塔筒，基于三維激光掃描技術對風力發電機塔筒進行建模，采用最小二乘法擬合各截面圓心坐標，計算其偏移量、傾斜度，實現對垂直度的檢測。本文驗證了三維激光掃描技術方法在垂直度檢測工作中具有可行性，滿足工程需要，對三維激光技術在其他領域的應用有一定參考意義。