大型風(fēng)電機(jī)組安裝塔筒法蘭對(duì)中系統(tǒng)分析

文 | 樂(lè)韻斐，范昌龍，王慶洋

海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝是通過(guò)起重船鋼絲繩吊架系統(tǒng)吊起整個(gè)風(fēng)電機(jī)組，然后由對(duì)中系統(tǒng)控制風(fēng)電機(jī)組塔筒根部法蘭和安裝平臺(tái)塔筒法蘭對(duì)中，風(fēng)電機(jī)組隨著起重船吊鉤位置下降而安放在海上安裝平臺(tái)上，最后用螺栓緊固，解開(kāi)并拆除上部吊架系統(tǒng)，完成安裝，如圖1所示。在海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝中，風(fēng)電機(jī)組塔筒根部法蘭與安裝平臺(tái)塔筒法蘭的準(zhǔn)確、高效對(duì)中直接影響到風(fēng)電機(jī)組安裝效率，因此，開(kāi)發(fā)出一套精確高效的塔筒法蘭對(duì)中控制系統(tǒng)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

圖像識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)像的技術(shù)，具有自動(dòng)化、客觀(guān)、非接觸和高精度等特點(diǎn)。近年來(lái)圖像識(shí)別技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在工程領(lǐng)域，在海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算圓心和半徑的圖像處理對(duì)中控制系統(tǒng)，但是這種方法計(jì)算量大，對(duì)周邊環(huán)境噪聲敏感。本文在NIVisionAssistant機(jī)器視覺(jué)模塊的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套基于圖像識(shí)別圓質(zhì)心提取的對(duì)中控制系統(tǒng)，提高對(duì)中效率。

塔筒法蘭對(duì)中系統(tǒng)原理

海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝塔筒法蘭對(duì)中系統(tǒng)主要由對(duì)中液壓執(zhí)行系統(tǒng)、對(duì)中圖像采集系統(tǒng)和上位機(jī)LabVIEW控制界面三部分構(gòu)成。

對(duì)中液壓執(zhí)行系統(tǒng)如圖2所示，安裝平臺(tái)的左右相應(yīng)位置各設(shè)置兩個(gè)液壓缸，液壓缸的一端鉸接在一起，鉸接點(diǎn)為銷(xiāo)孔座。另一端各自鉸接在安裝平臺(tái)上。銷(xiāo)孔座在兩個(gè)液壓缸的作用下可以在徑向和切向運(yùn)動(dòng)并到達(dá)指定的區(qū)域。風(fēng)電機(jī)組根部法蘭在起重設(shè)備的適當(dāng)操作下，銷(xiāo)軸能夠插進(jìn)銷(xiāo)孔座實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組和安裝平臺(tái)的初步定位，然后由上位機(jī)控制對(duì)中液壓缸帶動(dòng)銷(xiāo)孔座進(jìn)行精確對(duì)中，完成風(fēng)電機(jī)組對(duì)中安裝。

對(duì)中圖像采集系統(tǒng)采用兩個(gè)高清免驅(qū)自動(dòng)調(diào)焦攝像頭作為圖像采集器，把攝像頭USB輸出口直接和路由器端口相連便可以直接在上位機(jī)通過(guò)LabVIEW編程讀取相應(yīng)攝像頭圖像，兩個(gè)對(duì)中攝像頭布置在塔筒法蘭相隔一定距離的法蘭孔中，風(fēng)電機(jī)組塔筒根部法蘭與塔筒法蘭對(duì)中需要兩個(gè)法蘭平面平行并且至少兩個(gè)法蘭孔對(duì)中。對(duì)中圖像采集系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。在安裝平臺(tái)塔筒法蘭孔內(nèi)設(shè)置攝像頭筒套，攝像頭安置在套筒內(nèi)，在風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔內(nèi)設(shè)置燈盒套筒，照明燈安裝在燈盒套筒頂部，調(diào)節(jié)照明燈亮度可以得到最佳對(duì)中法蘭孔成像。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝

圖2 對(duì)中液壓執(zhí)行系統(tǒng)

海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝對(duì)中過(guò)程中，上位機(jī)發(fā)送指令控制對(duì)中液壓缸動(dòng)作，同時(shí)安裝在塔筒法蘭孔內(nèi)的圖像采集攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔的運(yùn)動(dòng)情況，并且同時(shí)將采集到的圖像反饋給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)調(diào)用NIVisionAssistant視覺(jué)助手處理，識(shí)別并提取出風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心，通過(guò)判斷法蘭對(duì)中與否，再次發(fā)送指令控制對(duì)中液壓缸動(dòng)作。這樣通過(guò)風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔圖像信息反饋，不斷控制對(duì)中液壓缸來(lái)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組根部法蘭位置，使之不斷向安裝平臺(tái)塔筒法蘭對(duì)中，對(duì)中控制流程如圖4所示。

使用NIVision Assistant對(duì)對(duì)中圖像的識(shí)別處理

取對(duì)中過(guò)程中經(jīng)一路攝像頭采集回來(lái)的一幅原始圖像分析，如圖5（a）所示，使用NIVisionAssistant視覺(jué)助手對(duì)這幅圖像進(jìn)行識(shí)別處理。從攝像頭獲取的原始圖像是一副彩色圖像，圖像處理之前需要進(jìn)行顏色模型轉(zhuǎn)換，HSL亮度平面模型是常用的圖像處理顏色模型，可以把原始的彩色圖像轉(zhuǎn)換為亮度圖像，以便后續(xù)處理，顏色模型轉(zhuǎn)換后的圖像如圖5（b）所示。由于對(duì)中過(guò)程圖像較暗導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔與其他部分區(qū)分不明顯，可以使用查找表功能函數(shù)處理，在降低了圖像的亮度、減少了暗區(qū)的對(duì)比度的同時(shí)增加了亮區(qū)的對(duì)比度，從而突出風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔以便后續(xù)處理，處理后的對(duì)中圖像如圖5（c）所示。在對(duì)圖像特征做統(tǒng)計(jì)分析之前必須對(duì)圖像分割，把圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域，提取出感興趣目標(biāo)。通過(guò)圖像分割可以提取出風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔，處理后的對(duì)中圖像如圖5（d）所示。為了消除對(duì)中圖像噪聲粒子之間的小間隙，擴(kuò)展目標(biāo)點(diǎn)的輪廓，需要進(jìn)行圖像基本形態(tài)處理，處理后的對(duì)中圖像如圖5（e）所示。由上述處理后，對(duì)中圖像視野中僅剩下較大的風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔和由于照明原因所形成的外圍一圈亮斑圓環(huán)，可以使用高級(jí)形態(tài)處理消除外圍亮斑，處理后的對(duì)中圖像如圖5（f）所示。最后對(duì)圖像處理做出統(tǒng)計(jì)，得到所識(shí)別的風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔個(gè)數(shù)以及質(zhì)心坐標(biāo)。

圖3 對(duì)中圖像采集系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

圖4 對(duì)中控制流程圖

圖5 NIVision Assistant圖像處理演示圖

使用NIVisionAssistant對(duì)對(duì)中圖像處理的程序流程如圖6所示。

對(duì)中結(jié)果分析

海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝對(duì)中過(guò)程中，上位機(jī)程序不斷記錄對(duì)中攝像頭視野中風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心坐標(biāo)，取其中一路攝像頭圖像數(shù)據(jù)做對(duì)中全過(guò)程分析，質(zhì)心坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示，進(jìn)而可以得到風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7所示。

經(jīng)過(guò)處理后的對(duì)中圖像在計(jì)算機(jī)中其實(shí)是個(gè)一維矩陣，這里的質(zhì)心坐標(biāo)代表風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心在攝像頭圖像矩陣中的坐標(biāo)位置。在對(duì)中安裝之前，必須提前進(jìn)行標(biāo)定，把安裝平臺(tái)上固定不動(dòng)的塔筒法蘭孔坐標(biāo)標(biāo)定出來(lái)，以便對(duì)中過(guò)程做控制參考。把風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心坐標(biāo)和標(biāo)定的塔筒法蘭孔坐標(biāo)比較，就可以實(shí)時(shí)清晰地觀(guān)察對(duì)中過(guò)程中待對(duì)中法蘭孔與標(biāo)定法蘭孔的實(shí)時(shí)位置，如圖8所示。

圖6 NIVision Assistant圖像處理流程

表1 對(duì)中全過(guò)程風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心坐標(biāo)

圖7 待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡

圖8 待對(duì)中法蘭孔與標(biāo)定法蘭孔實(shí)時(shí)位置

從對(duì)中結(jié)果中可以看到，運(yùn)用圖像識(shí)別提取風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心，可以很清晰的掌握與控制風(fēng)電機(jī)組整體安裝對(duì)中過(guò)程，可以更精確高效指導(dǎo)風(fēng)電機(jī)組安裝，提高安裝效率。

結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電的迅猛發(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安裝提出更高要求，本文闡述的圖像識(shí)別提取風(fēng)電機(jī)組根部待對(duì)中法蘭孔質(zhì)心的對(duì)中方法，是圖像處理在工程領(lǐng)域的新應(yīng)用，清晰、精確、高效率的指導(dǎo)和控制海上風(fēng)電機(jī)組整體安裝，為大型風(fēng)電機(jī)組整體安裝提供了新方案。