無(wú)人機(jī)近距離巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片應(yīng)用研究

文 | 韓斌，趙勇，鄧巍，房剛利

無(wú)人機(jī)近距離巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片應(yīng)用研究

文 | 韓斌，趙勇，鄧巍，房剛利

隨著國(guó)內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)量的持續(xù)攀升，風(fēng)電機(jī)組的絕對(duì)數(shù)量也隨之逐年遞增，葉片作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，每年都需要定期巡檢。目前常用的葉片巡檢方式主要有望遠(yuǎn)鏡觀察、高空平臺(tái)（吊籃）垂降人工巡檢等，其中望遠(yuǎn)鏡觀察存在觀測(cè)精度低的缺點(diǎn)，高空平臺(tái)（吊籃）垂降人工巡檢方式工作效率較低、成本高、工作過(guò)程中危險(xiǎn)性高、工作強(qiáng)度大。

近年來(lái)隨著民用無(wú)人機(jī)性能的不斷提高，無(wú)人機(jī)正逐步代替人開(kāi)展部分空中偵查、監(jiān)控、通信、勘測(cè)、電力巡線等任務(wù)。目前，應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行檢測(cè)的工作在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展起來(lái)，2015年凱普斯基礎(chǔ)設(shè)施公司與ING Robotic航空公司聯(lián)手，利用無(wú)人機(jī)在加拿大的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行葉片檢測(cè)工作。工作組發(fā)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)可以更快、更安全地收集數(shù)據(jù)。德國(guó)多家公司都開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的無(wú)人機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行葉片巡檢，尚處于一個(gè)研究試驗(yàn)階段。中能公司在麒麟山風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)電機(jī)組葉片無(wú)人機(jī)檢測(cè)試點(diǎn)應(yīng)用，成功實(shí)現(xiàn)了6臺(tái)機(jī)組葉片檢測(cè)，取得良好成效。2015年國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力利用無(wú)人機(jī)順利完成了麻黃山現(xiàn)場(chǎng)MG17#風(fēng)電機(jī)組葉片的巡檢工作。龍?jiān)措娏σ查_(kāi)始進(jìn)行相關(guān)可行性試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，無(wú)人機(jī)巡檢葉片比傳統(tǒng)的高空平臺(tái)（吊籃）垂降人工巡檢至少快3倍，成本節(jié)約近50%，減少發(fā)電機(jī)三分之二的停機(jī)時(shí)間。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)的調(diào)研及比較，給出了近距離（<2.5m）巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片用無(wú)人機(jī)的選型原則，并從影響無(wú)人機(jī)巡檢葉片效果的因素、人員配備等方面研究了無(wú)人機(jī)巡檢葉片的可行性，最后總結(jié)了影響無(wú)人機(jī)近距離巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片效果的不利因素，并對(duì)無(wú)人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用于葉片微觀巡檢時(shí)需要改進(jìn)的方向提出了建議。

無(wú)人機(jī)選型

目前常見(jiàn)無(wú)人機(jī)有固定翼、直升機(jī)和多旋翼無(wú)人機(jī)。固定翼和直升機(jī)因有活動(dòng)的機(jī)械連接部件，飛行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致其可靠性下降。相比而言，多旋翼無(wú)人機(jī)操控簡(jiǎn)單，可靠性也較強(qiáng)，而且能夠懸停，飛行范圍受控，相對(duì)固定翼無(wú)人機(jī)更安全。

無(wú)人機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用可分為風(fēng)電場(chǎng)宏觀巡檢和風(fēng)電機(jī)組微觀巡檢兩類。風(fēng)電場(chǎng)宏觀巡檢主要檢查風(fēng)電場(chǎng)是否有風(fēng)電機(jī)組倒塔、葉片斷裂、輪轂罩掉落等較大故障或事故的發(fā)生。風(fēng)電機(jī)組微觀（近距離）巡檢主要檢查風(fēng)電機(jī)組葉片、機(jī)艙、塔筒表面狀況、風(fēng)速風(fēng)向儀（機(jī)械式）是否工作等。

本文結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組的容量、塔筒高度、風(fēng)輪直徑等因素，提出了無(wú)人機(jī)微觀巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片的選型原則及要求，具體包括：

（1）無(wú)人機(jī)能穩(wěn)定懸停。

（2）無(wú)人機(jī)自帶成像系統(tǒng)、具備高速成像及防抖功能，成像設(shè)備具有變焦功能。

（3）較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，至少抗5級(jí)風(fēng)速。

（4）飛行高度>150m。

（5）操控簡(jiǎn)單、可靠性高。

（6）價(jià)格適中、維護(hù)方便。

通過(guò)比較各類無(wú)人機(jī)，如表1所示，可見(jiàn)多旋翼無(wú)人機(jī)由于具備能穩(wěn)定懸停、操控簡(jiǎn)單、可靠性高、維修方便等特點(diǎn)，適合作為葉片巡檢的工具。

本文從抗風(fēng)能力、起飛重量、續(xù)航時(shí)間、成本、成像穩(wěn)定性、操作難易等因素綜合考慮，選用大疆Inspire 1 pro多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片無(wú)人機(jī)微觀巡檢應(yīng)用研究。

影響巡檢效果的因素

在無(wú)人機(jī)巡檢葉片過(guò)程中，風(fēng)速、湍流的突然改變會(huì)影響無(wú)人機(jī)的飛行安全，太陽(yáng)光線與無(wú)人機(jī)所帶成像設(shè)備間的角度會(huì)影響成像效果，環(huán)境溫度會(huì)影響無(wú)人機(jī)電池性能，進(jìn)而影響到無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，葉片在空間的位置將直接影響巡檢過(guò)程。為了防止風(fēng)速、湍流的突然改變?cè)斐蔁o(wú)人機(jī)與葉片碰撞事故的發(fā)生，并確保成像設(shè)備的成像效果不受太陽(yáng)光線影響，本文給出了通過(guò)調(diào)整機(jī)艙位置來(lái)確保無(wú)人機(jī)、葉片待巡測(cè)面處于最佳區(qū)域的方法。

一、考慮風(fēng)向、風(fēng)速、湍流時(shí)無(wú)人機(jī)所處安全區(qū)域確定方法

風(fēng)向、風(fēng)速、湍流大小的突然改變?cè)陲L(fēng)電場(chǎng)中是無(wú)法避免的，為此須確保無(wú)人機(jī)相對(duì)葉片所處的位置在風(fēng)速、湍流突然增大時(shí)也不發(fā)生碰撞事故，因此無(wú)人機(jī)相對(duì)所巡檢葉片的待觀測(cè)面：迎風(fēng)面（S-S面）、背風(fēng)面（P-S面）、前后緣，應(yīng)處于其“下風(fēng)”位置。例如當(dāng)用無(wú)人機(jī)觀測(cè)圖1中葉片A前緣、機(jī)艙頭部(出現(xiàn)在圖1所示的180°角范圍內(nèi))時(shí)，無(wú)人機(jī)處于風(fēng)電機(jī)組下風(fēng)的位置，如果風(fēng)速、湍流突然增大，無(wú)人機(jī)將被吹離葉片A的前緣，可有效避免與葉片相互碰撞；而當(dāng)機(jī)艙頭部出現(xiàn)在其他區(qū)域時(shí)，則可能導(dǎo)致無(wú)人機(jī)與葉片碰撞事故的發(fā)生。巡檢A葉片的S-S面、P-S面、后緣時(shí)可用類似方法確定出機(jī)艙頭部應(yīng)調(diào)節(jié)的區(qū)域范圍。

二、考慮光線對(duì)成像效果影響時(shí)葉片待巡檢面所處區(qū)域確定方法

為了能充分獲得葉片表面信息，尤其是S-S面的信息，利用無(wú)人機(jī)所帶的成像設(shè)備對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)，尤其是晴天時(shí)（陰天時(shí)可參考），應(yīng)充分考慮光線對(duì)成像效果的影響。當(dāng)有太陽(yáng)光線時(shí)，為了獲得清晰的圖像信息，成像設(shè)備的鏡頭光軸與光線之間的夾角最好在0至±60之間 ，此區(qū)域?qū)儆陧樄猓?至±30）和前測(cè)光（±30至±60）范圍，此外，鏡頭光軸應(yīng)垂直于葉片待巡檢面，由此可以確定考慮光線因素時(shí)葉片待巡檢面所處的最佳區(qū)域。例如要巡檢圖2中A葉片的前緣時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整機(jī)艙頭部到圖2所示的±60角范圍內(nèi)以確保葉片待觀測(cè)面處于最佳區(qū)域。

圖3中無(wú)人機(jī)所帶鏡頭光軸與光線之間成90夾角觀測(cè)葉片前緣時(shí)，存在陰影區(qū)域，成像效果較差。圖4中無(wú)人機(jī)所帶鏡頭光軸與光線之間成0夾角觀測(cè)葉片S-S面時(shí)，成像效果較好。巡檢A葉片的S-S面、P-S面、后緣時(shí)可用類似方法確定出機(jī)艙頭部應(yīng)調(diào)節(jié)的區(qū)域范圍。

圖1 考慮風(fēng)向時(shí)機(jī)艙頭部可調(diào)整范圍

圖2 考慮光線時(shí)機(jī)艙頭部可調(diào)節(jié)范圍

圖3 葉片前緣

圖4 葉片S-S面

三、考慮風(fēng)向、風(fēng)速、湍流、光線時(shí)機(jī)艙所處最佳區(qū)域確定方法

當(dāng)綜合考慮風(fēng)向、風(fēng)速、湍流、光線對(duì)成像效果的影響時(shí)，根據(jù)上述方法，取機(jī)艙頭部所出現(xiàn)的公共區(qū)域范圍，即可確定出機(jī)艙頭部應(yīng)調(diào)整的最佳區(qū)域范圍。以巡檢某葉片前緣以及風(fēng)向與光線相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組成90°夾角時(shí)為例，當(dāng)機(jī)艙頭部調(diào)整到圖5所示陰影區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，可同時(shí)消除風(fēng)向、風(fēng)速、湍流、光線等因素對(duì)巡檢效果的不利影響。巡檢A葉片的S-S面、P-S面、后緣時(shí)可用類似方法確定出機(jī)艙頭部應(yīng)調(diào)節(jié)的區(qū)域范圍。

根據(jù)上文一、二確定的方法，當(dāng)風(fēng)向與太陽(yáng)光相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組成0－±30夾角時(shí)，如圖6所示，要巡檢葉片A前緣，無(wú)論機(jī)艙頭部調(diào)整到哪個(gè)區(qū)域，都無(wú)法同時(shí)滿足安全和成像效果最佳的要求，此時(shí)如果風(fēng)速較大，應(yīng)本著“安全第一”的原則調(diào)整機(jī)艙頭部位置。如果風(fēng)速及湍流度較小或者無(wú)風(fēng)，可以考慮讓無(wú)人機(jī)在方法一確定的安全區(qū)域外飛行?？捎妙愃品椒ù_定使用無(wú)人機(jī)巡檢A葉片的S-S面、P-S面、后緣時(shí)機(jī)艙頭部所處的最佳位置。

四、葉片位置對(duì)檢測(cè)效果的影響

無(wú)人機(jī)所帶成像設(shè)備雖然能在俯仰及水平方向調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)范圍有限。為了獲得最佳成像效果，鏡頭軸線最好垂直于葉片待觀測(cè)面。

應(yīng)用無(wú)人機(jī)對(duì)葉片巡檢時(shí)，葉片需順槳且需要將葉輪完全固定，以防葉輪突然轉(zhuǎn)動(dòng)造成無(wú)人機(jī)與葉片的碰撞。葉輪靜止?fàn)顟B(tài)下風(fēng)電機(jī)組葉片所處典型位置示意圖如圖7所示。

圖5 考慮風(fēng)向、光線時(shí)機(jī)艙頭部可調(diào)節(jié)范圍

圖6 機(jī)艙與光線、風(fēng)向的相對(duì)位置

圖7 葉片處于不同位置時(shí)后緣觀測(cè)結(jié)果

在不考慮光線、風(fēng)向等對(duì)巡檢效果影響、葉輪處于圖8（a）所示位置時(shí)，通過(guò)無(wú)人機(jī)可以方便地巡檢A葉片各表面、B、C葉片的前后緣，但巡檢B、C葉片的S-S或P-S面時(shí)，為了使鏡頭軸線垂直于葉片待觀測(cè)面，無(wú)人機(jī)有時(shí)需要在葉片上方飛行，存在視覺(jué)盲區(qū)，此時(shí)操作人員將無(wú)法判斷無(wú)人機(jī)與葉片之間的距離。從設(shè)備安全角度出發(fā)，為防止無(wú)人機(jī)與葉片碰撞事故的發(fā)生，巡檢過(guò)程中不建議無(wú)人機(jī)在葉片上方飛行。為有效巡檢B、C葉片的S-S或P-S面，需將B、C葉片轉(zhuǎn)到圖8（a）中A葉片或圖8（c）中C葉片的位置。同理，當(dāng)葉輪處于圖8（b）位置，巡檢三支葉片時(shí)均會(huì)存在不同程度的視線盲區(qū)，因此需要將各葉片轉(zhuǎn)到圖8（a）中A葉片或者圖8（c）中C葉片所處的位置，以便完成對(duì)相應(yīng)葉片各面的巡檢。當(dāng)葉輪處于圖8（c）位置時(shí)，可以完成對(duì)A、B葉片前、后緣以及C葉片的S-S、P-S面、前緣的巡檢，但無(wú)法完成對(duì)A、B葉片S-S、P-S面（視覺(jué)盲區(qū)原因）、C葉片后緣（空間原因）的巡檢。

在考慮太陽(yáng)光線對(duì)巡檢效果的影響時(shí)，巡檢過(guò)程中待巡檢面所處的位置應(yīng)避免存在陰影區(qū)域，否則將影響巡檢效果，如圖7（a）所示。如果待巡檢面存在陰影區(qū)，需將待巡檢面轉(zhuǎn)到無(wú)陰影區(qū)域，這樣才能獲得較好的成像效果，如圖7（b）所示。

晴天時(shí)在巡檢葉片過(guò)程中為滿足光線的要求，當(dāng)觀測(cè)處于圖8（a）中A葉片所示位置——葉片的S-S、P-S面及前、后緣時(shí)，如圖9所示，至少需要將風(fēng)電機(jī)組偏航三次（陰天時(shí)視光線情況確定偏航次數(shù)），同時(shí)機(jī)艙頭部所處位置還需滿足方法一的要求，以保證無(wú)人機(jī)的安全飛行。當(dāng)待檢葉片處于圖8（c）中C葉片所處位置時(shí)，為有效觀測(cè)C葉片的S-S、P-S面及葉片前、后緣，晴天時(shí)至少需要將風(fēng)電機(jī)組偏航三次，葉片位置調(diào)整一次（調(diào)整到豎直位置），以滿足光線及無(wú)人機(jī)安全飛行要求。

圖8 葉輪所處典型位置示意圖

圖9 觀測(cè)葉片不同位置時(shí)葉輪所處位置

由上可見(jiàn)，為了提高檢測(cè)效率，本文建議利用無(wú)人機(jī)巡檢葉片時(shí)將待測(cè)葉片調(diào)整到接近圖8（a）中A葉片所處位置，然后按順序檢測(cè)三支葉片。在晴天時(shí)巡檢三支葉片需要偏航9次（陰天時(shí)視光線情況確定偏航次數(shù)），才能獲取清晰可用的檢測(cè)圖片及視頻數(shù)據(jù)。

五、溫度、濕度、海拔高度對(duì)巡檢效果的影響

溫度主要會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)電池性能造成影響，例如本文所用無(wú)人機(jī)所帶的鋰電池，當(dāng)環(huán)境溫度在35℃以上、5℃以下時(shí)，無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力將隨著鋰電池性能的變差而下降，從而降低巡檢效率。

濕度也會(huì)影響無(wú)人機(jī)所帶電池的性能，當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，鋰電池的性能也會(huì)變差，在沿海及空氣濕度較大的地區(qū)利用無(wú)人機(jī)巡檢葉片時(shí)，要特別注意觀察電池狀況及電量相關(guān)提示，以確保飛行安全。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組所處海拔高度超出無(wú)人機(jī)允許飛行的海拔高度要求時(shí)，環(huán)境因素（溫度、濕度等）才會(huì)導(dǎo)致飛行器電池及動(dòng)力系統(tǒng)性能的下降，進(jìn)而影響飛行器的性能。目前國(guó)內(nèi)高海拔風(fēng)電機(jī)組大約在2000m－4000m之間，未超出現(xiàn)有民用無(wú)人機(jī)可飛行海拔高度范圍。

表2 各工作人員工作內(nèi)容

圖10 無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)巡檢照片

人員配備及工作分工

無(wú)人機(jī)巡檢葉片過(guò)程中，為防止無(wú)人機(jī)與葉片發(fā)生撞擊，需要將葉片順槳并將葉輪鎖死。由于目前現(xiàn)有民用多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)法自主避開(kāi)障礙物，為了確保巡檢過(guò)程中的設(shè)備安全及獲取有效的圖像信息，也為提高巡檢效率，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，就目前現(xiàn)有無(wú)人機(jī)技術(shù)而言，巡檢過(guò)程中建議配備3—4名工作人員，各人員的工作內(nèi)容等如表2所示。

影響巡檢效果的不利因素

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文總結(jié)了影響無(wú)人機(jī)近距離微觀巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片效果的不利因素，包括：

（1）現(xiàn)有可用無(wú)人機(jī)水平方向上無(wú)360°范圍內(nèi)的距離檢測(cè)及報(bào)警、自主避開(kāi)障礙物功能，觀測(cè)人員的視覺(jué)誤差及較強(qiáng)湍流會(huì)造成無(wú)人機(jī)與葉片碰撞事故的發(fā)生。

（2）無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間過(guò)短。目前常見(jiàn)無(wú)人機(jī)續(xù)航能力最多維持15min。

（3）無(wú)人機(jī)操作人員及觀察員長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離大角度仰頭觀察無(wú)人機(jī)，極易疲勞，直接影響到無(wú)人機(jī)的飛行安全。

（4）葉片表面的灰塵會(huì)影響成像效果，導(dǎo)致從拍攝的圖像中無(wú)法準(zhǔn)確獲取早期裂紋或腐蝕斑點(diǎn)等信息。

結(jié)論和建議

無(wú)人機(jī)巡檢葉片作為新生事物，雖不能完全替代現(xiàn)有傳統(tǒng)的巡檢方式，但其本身在減少停機(jī)時(shí)間、提高巡檢效率、減少人員傷亡、降低葉片檢測(cè)成本等方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。隨著風(fēng)電機(jī)組葉片巡檢需求的增大，無(wú)人機(jī)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)將迅速發(fā)展。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可用的無(wú)人機(jī)多為航拍研制，不適合在風(fēng)電機(jī)組葉片近距離巡檢過(guò)程中使用。通過(guò)試驗(yàn)可以得出無(wú)人機(jī)大規(guī)模用于葉片微觀巡檢時(shí)還需從如下幾方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）無(wú)人機(jī)需具備自主避開(kāi)障礙物及水平方向360范圍內(nèi)的雷達(dá)測(cè)距、顯示及報(bào)警功能。

（2）無(wú)人機(jī)除攜帶高清成像設(shè)備外，還應(yīng)添加360范圍內(nèi)的成像設(shè)備，使操作人員從地面接收裝置上能查看無(wú)人機(jī)四周的情況，不需要通過(guò)人眼直接觀察來(lái)確定無(wú)人機(jī)與風(fēng)電機(jī)組間的相對(duì)位置，避免疲勞操作。

（3）無(wú)人機(jī)的旋翼外需添加保護(hù)裝置，使無(wú)人機(jī)與風(fēng)電機(jī)組碰撞時(shí)旋翼不至于馬上損壞。

（4）無(wú)人機(jī)的電池容量及性能需進(jìn)一步提高，以增加無(wú)人機(jī)的續(xù)航能力，提高巡檢效率。

此外，為了有效巡檢風(fēng)電機(jī)組葉片的表面狀況，葉片表面需盡可能保持清潔。

（作者單位：西安熱工研究院有限公司）