□ 王馥華 □ 顧沈驊 □ 姚 凱 □ 陸 軼

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

1 研究背景

風(fēng)力發(fā)電機一般設(shè)置在偏遠地區(qū)。長期運行的風(fēng)力發(fā)電機葉片,會出現(xiàn)不同程度的損傷。若在早期進行及時修復(fù),可延長風(fēng)力發(fā)電機葉片使用壽命,提高發(fā)電效率。若不及時發(fā)現(xiàn)這些細微損傷,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機葉片斷裂,給整個風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行造成威脅。由此可見,對風(fēng)力發(fā)電機葉片裂紋損傷進行檢測并及時維護是非常重要的。筆者基于無人機技術(shù),提出風(fēng)力發(fā)電機葉片自主巡檢系統(tǒng)。

2 拓撲關(guān)系

自主巡檢系統(tǒng)拓撲關(guān)系如圖1所示,由無人機系統(tǒng)和地面信息管理系統(tǒng)兩部分組成。無人機系統(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)電機葉片數(shù)據(jù),地面信息管理系統(tǒng)用于負責(zé)數(shù)據(jù)的處理和巡檢航跡的規(guī)劃。

2.1 無人機系統(tǒng)

無人機系統(tǒng)由機身模塊、飛控模塊、云臺模塊三部分組成,每個模塊之間互相協(xié)調(diào)。機身模塊為飛控模塊和云臺模塊提供載體,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)和測向系統(tǒng),可以為無人機提供地理位置信息,實時提供機體的姿態(tài)信息,還可以設(shè)定飛行路線。在云臺模塊中,云臺載體與攝像機集成在一起。云臺載體的作用是使攝像機穩(wěn)定工作。云臺載體是一個三軸穩(wěn)定系統(tǒng),可以在俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航運動中調(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,角度抖動誤差可控制在0.02°以內(nèi)。

▲圖1 自主巡檢系統(tǒng)拓撲關(guān)系

無人機應(yīng)滿足下列要求:抗風(fēng)能力大于10 m/s,續(xù)航時間長于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人機具有體積小、速度快、控制靈活、使用方便的特點,能夠滿足以上要求。攝像機分辨率不低于1 000萬像素。

▲圖2 大疆精靈第四代無人機

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、視覺測量算法模塊、巡檢航跡規(guī)劃模塊組成。預(yù)處理模塊主要對風(fēng)力發(fā)電機葉片的關(guān)鍵信息進行收集匯總,方便后續(xù)處理。視覺測量算法模塊根據(jù)相機成像原理和優(yōu)化方法,計算目標(biāo)點的位置信息。巡檢航跡規(guī)劃模塊利用計算得到的巡航點位置信息,計算出對應(yīng)的檢測點,根據(jù)檢測點設(shè)計巡航點坐標(biāo),進行巡檢航跡規(guī)劃。

3 信號傳輸覆蓋

無人機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)無人機依靠全球定位系統(tǒng)信號進行定位,在偏遠環(huán)境中,全球定位系統(tǒng)信號的傳播會受到外界因素影響,無法滿足無人機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)實時動態(tài)差分定位的無人機定位技術(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,在一個區(qū)域內(nèi)建立多個參考站,形成網(wǎng)狀覆蓋,相互參考和進行誤差比較,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)某個參考站丟失了信號,仍然可以使用區(qū)域內(nèi)其它有信號的參考站,保證定位信號不會丟失。

4 巡檢航跡規(guī)劃

將風(fēng)力發(fā)電機的三個葉尖和輪轂中心看作空間的四個關(guān)鍵點,按照圖3所示風(fēng)力發(fā)電機拍照取樣方式對四個關(guān)鍵點取樣拍照,Pc1、Pc2、Pc3表示無人機的三次拍照點,每個關(guān)鍵點都有三條空間向量。

▲圖3 風(fēng)力發(fā)電機拍照取樣方式

(1)

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

將三個葉尖與輪轂中心分別連線,再對每一條連線進行等分分割,進而得到風(fēng)力發(fā)電機葉片上其它巡檢點的坐標(biāo),即需要無人機進行拍攝的點的坐標(biāo)。根據(jù)巡檢點規(guī)劃出對應(yīng)的巡航點,確定用于無人機懸停拍照的位置。

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

▲圖4 風(fēng)力發(fā)電機巡檢航跡

5 檢測內(nèi)容

檢測前,在風(fēng)力發(fā)電機葉片的葉根處分別涂上便于辨識風(fēng)力發(fā)電機葉片的不同顏色,如黃色、綠色、紅色等。涂色應(yīng)為不小于400 mm的環(huán)形帶寬,便于無人機數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)后續(xù)處理。無人機首先拍攝、保存被巡檢風(fēng)力發(fā)電機的機組編號信息,然后對該風(fēng)力發(fā)電機葉片迎風(fēng)面、背風(fēng)面、前緣、后緣拍照,最后對獲得的高清數(shù)據(jù)進行對比分析。為了提高無人機巡檢的精度,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)電機葉片表面。風(fēng)力發(fā)電機葉片常見的損傷類型有三種。

(1)邊緣開裂。受風(fēng)力發(fā)電機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)電機葉片在運轉(zhuǎn)過程中內(nèi)料合縫處會出現(xiàn)開裂,尤其是迎風(fēng)面的中部區(qū)域和葉尖,這是風(fēng)力發(fā)電機葉片最易受損、開裂的部位。如果沒有及時發(fā)現(xiàn)并處理風(fēng)力發(fā)電機葉片的開裂損傷,將會導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備失效,造成停機事故。

(2)局部脫落。在風(fēng)力發(fā)電機葉片迎風(fēng)面、前緣、后緣等位置,外層用于保護內(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)電機葉片時,釋放的能量使風(fēng)力發(fā)電機葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的溫度急劇升高,造成風(fēng)力發(fā)電機葉片表面復(fù)合材料灼燒,導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機葉片表面出現(xiàn)不同程度的損傷。

6 應(yīng)用

位于湖北省武穴市的武穴潤享50 MW風(fēng)力發(fā)電項目,采用所提出的自主巡檢系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機葉片進行檢測,發(fā)現(xiàn)以下問題:前緣開放性開裂,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。針對這些問題,由自主檢測系統(tǒng)進行周期檢查、修復(fù),取得了滿意的效果。

▲圖5 風(fēng)力發(fā)電機葉片缺陷

7 結(jié)束語

筆者提出了一種基于無人機技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機葉片自主巡檢系統(tǒng),對其中的無人機系統(tǒng)進行了整體方案設(shè)計,進行了巡檢航跡規(guī)劃,同時確認了檢測的主要內(nèi)容。

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