風電場無人機巡檢風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測系統(tǒng)設計

龍源電力集團股份有限公司寧夏公司 艾進才

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，風力發(fā)電的價值越來越受到人們的關注，因此在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，風力發(fā)電逐步得到了重視，隨之擴大了風力發(fā)電的規(guī)模，所以對風力發(fā)電相關設備的巡檢具有重要意義，目前主要的巡檢方式是人工巡檢，這種方式存在實時性低、效率低下等問題。于是基于無人機技術(shù)的巡檢方式逐漸在電力行業(yè)嶄露頭角。然而，利用無人機進行風力發(fā)電機設備巡檢時，一般需要復雜算法對處于停機狀態(tài)的風力葉片進行姿態(tài)檢測，以便于后續(xù)的圖像采集和算法處理。本文提出一種基于嵌入式的風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測系統(tǒng)，可實時檢測風力葉片姿態(tài)，并將測得的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡回傳至無人機控制中心，指導無人機進行風力葉片圖像采集，大大降低系統(tǒng)算法難度。

當今社會，經(jīng)濟和科技迅速發(fā)展，它給人們的生活帶來翻天覆地的變化，與此同時，環(huán)境問題也亟待解決。風能作為一種新的清潔能源，人們對其的關注度越來越高，它不僅對地球生態(tài)環(huán)境友好，而且能夠在發(fā)電產(chǎn)業(yè)中作為能源被開發(fā)利用，因此在我國風電產(chǎn)業(yè)的應用相當廣泛。目前，對風機葉片的故障檢測主要由人工完成，工作人員利用相關設備對其進行檢查和維修，如望遠鏡、繩索、升降機，如圖1所示。人工檢測往往缺乏一定的準確性同時也存在一定的風險，目前無人機技術(shù)越來越成熟，在巡檢領域，人們對多旋翼無人機的研究成果頗豐，隨著相關學者與專家對無人機技術(shù)的不斷研究與探索，在無人機巡檢的技術(shù)上研究出了在自主巡檢技術(shù)。風電場無人機巡檢主要分為兩種，即宏觀巡檢和微觀巡檢。宏觀巡檢是指無人機按照制定的飛行路徑，通過無人機操作員或者自主飛行至風場上空，進行宏觀的圖像采集，進而檢測風力發(fā)電機葉片斷裂、風塔倒塌等嚴重故障。這類巡檢方式效率高，覆蓋范圍廣。微觀巡檢是指操作無人機對風塔進行近距離視頻成像，主要采集風力葉片的細節(jié)特征，例如葉片裂紋、結(jié)冰，涂層剝離等細微故障。但該種巡檢需要對風力葉片在停機狀態(tài)時的指向、姿態(tài)進行視覺算法的解析，無人機在成像過程中，需要對風力葉片的圖像進行拼接，系統(tǒng)的復雜程度較高。本文提出的風電場無人機巡檢風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測，主要是利用嵌入式硬件，搭載姿態(tài)檢測單元，檢測風力葉片的停機姿態(tài)，并最終通過無線通信終端，將檢測結(jié)果發(fā)送至無人機解算中心。當無人機飛行至待檢測風塔時，依據(jù)提前解析的葉片姿態(tài)，對葉片進行圖像采集。

1 系統(tǒng)

在風力發(fā)電機組中，風電機是重要的組成部分，它的主要作用是收集風能，其次進行動能——動能的轉(zhuǎn)換，即將葉片空氣流動的動能轉(zhuǎn)換為葉片旋轉(zhuǎn)的動能，使發(fā)電機工作而產(chǎn)生電力。隨著人們對風電技術(shù)的研究不斷深入以及對電能需求的不斷增多，對風電發(fā)電的設備的大小和機組規(guī)模有了進一步的增加和擴大。目前，風力發(fā)電的葉片長度可達到70m左右，使用壽命為30年左右，為保證風力發(fā)電機能夠長期穩(wěn)定、安全正常運行，同時保證發(fā)電質(zhì)量良好，因此風電公司需對風機進行不定期的巡檢和維護。據(jù)統(tǒng)計調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對風機進行保養(yǎng)和維修時，其故障一方面來源于風機電氣系統(tǒng)，另外有相當一部分的故障于風機葉片。由于在偏遠郊區(qū)、山區(qū)和近海區(qū)域風能充足且穩(wěn)定，因此風電場一般都設在這些地方以更好的利用風能，但這些地方的地理環(huán)境復雜惡劣，對風機葉片的工作系統(tǒng)不夠友好，缺陷故障的發(fā)生概率較高，導致風機不能正常工作。

圖1 風力發(fā)電機葉片檢修

在風電場無人機系統(tǒng)中，其中巡檢目標定位占據(jù)重要位置，它直接影響后續(xù)工作的展開。在巡檢目標定位過程中，需要確定出相機相關的坐標系，并對其之間進行坐標系轉(zhuǎn)換，通過視覺測量過算法完成對巡檢風力葉片位置的確定，算法實現(xiàn)難度較大。本文設計的基于嵌入式的風力葉片姿態(tài)檢測算法設計，主要分為四大模塊：自啟動模塊、姿態(tài)檢測模塊、姿態(tài)角換算模塊、無線通信模塊。其中自啟動模塊主要是通過串行接口讀取振動傳感器數(shù)據(jù)，依據(jù)采集的振幅值判斷風機主軸的運轉(zhuǎn)情況。姿態(tài)檢測模塊內(nèi)部由慣性測量單元、磁傳感器等構(gòu)成，集成卡爾曼濾波算法，提供精確的方向、姿態(tài)等角度信息。姿態(tài)角換算單元是指：設備初始安裝完畢后，需標定葉片指向與姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)的換算關系；無線通信模塊用于將檢測到的姿態(tài)信息遠傳至控制中心，控制中心在收到風力葉片姿態(tài)信息時，將有關數(shù)據(jù)下發(fā)至巡檢無人機，指導無人機在風塔位置時，沿著葉片方向?qū)θ~片本身進行圖像采集，大大降低無人機圖像采集的算法難度。

本文依據(jù)慣性測量單元的方法進行檢測，其工作原理為：無人機當前的加速度速率由一個或幾個加速度感應器探測得到；其在方向、翻滾角度和傾斜姿態(tài)上的變化由一個或幾個偏航陀螺儀計算得到。

2 系統(tǒng)硬件設計

本文利用磁吸方式將風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測裝置安裝于風力發(fā)電機旋轉(zhuǎn)主軸上，并在非旋轉(zhuǎn)部件上設置激光校準零位點。當風力葉片旋轉(zhuǎn)式，該裝置亦隨之轉(zhuǎn)動，從而獲取實時的姿態(tài)角度，并通過無線通信單元，將實時姿態(tài)數(shù)據(jù)回傳至無人機控制中心。該風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測系統(tǒng)的中央處理器是STM32，它通常有六個組成部分，分別是IMU姿態(tài)傳感單元、功耗供能單元、IPS硬屏顯示單元、激光校準單元、4G通信單元、FLASH存儲模塊。通過振動傳感器獲取當前風機葉片的運行狀態(tài)，只有當風機處于停機狀態(tài)時，才進行姿態(tài)檢測，以延長蓄電池使用壽命。

2.1 中央處理器

中央控制器選用的處理器是STM32，CPU主頻350MHz，指令集是32，其外設接口和IO資源相對非常豐富，當需要進行功能的擴展時，是非常便捷的。其主要由三部分電路組成，分別是電源、仿真接口以及通訊接口，在這三部分電路中，電源電路部分一般使用的是芯片，它選用的芯片是TPS70351，它可以輸出兩種電壓，一個是1.8V，一個是3.3V，芯片內(nèi)核的工作電壓是1.8V，外設和IO引腳的工作電壓是3.3V。當芯片工作是，會產(chǎn)生相當大的熱量影響其正常工作，但是該芯片的散熱功能相對完善，保障芯片的溫度不超過工作溫度，使設備可以正?？煽康倪\行。

因本裝置采用蓄電池供電方案，為了延長該裝置的續(xù)航時，控制STM32處于低功耗模式，在非巡檢時段時，裝置處于待機狀態(tài)，并通過繼電器回路控制相關外設處于停機狀態(tài)；當無人機開啟巡檢任務時，裝置檢測到風力葉片處于停機狀態(tài)，隨即開機檢測，獲取姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 IMU姿態(tài)傳感單元

選取的姿態(tài)傳感器是基于MEMS技術(shù)的，它的測量系統(tǒng)具有高性能的特點，能夠測量物體的三維運動姿態(tài)。它一般由三個運動部分組成，分別是陀螺儀、加速度計、電子羅盤等，它們都是三軸的，將傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過在其中嵌入的低功耗ARM處理器進行處理，并通過溫度補償，得到物體的三維姿態(tài)與方位等數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器獲取的物體三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)通常用四元數(shù)、歐拉角表示，這些數(shù)據(jù)根據(jù)基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù)獲得。姿態(tài)傳感器的已經(jīng)得到了十分廣泛的應用，如：無人機、機器人、機械云臺、車輛船舶、地面及水下設備、虛擬現(xiàn)實、人體運動分析等相關產(chǎn)品設備中。本文選用微型姿態(tài)傳感器，可內(nèi)嵌于嵌入式主板，實現(xiàn)葉片姿態(tài)檢測。

2.3 IPS硬屏顯示單元

當初次將風電場無人機巡檢風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測系統(tǒng)安裝成功后，系統(tǒng)中的原始參數(shù)和姿態(tài)角可能并不滿足現(xiàn)場的實際情況，因此對于其參數(shù)應該進行重新設置。一般進行參數(shù)設置借助于鼠標和鍵盤，但是在輸煤現(xiàn)場中環(huán)境相對惡劣，鼠標和鍵盤的使用不夠方便，因此本系統(tǒng)選用的顯示屏支持觸控操作，它是IPS電容屏，其與中央處理器的連接借助于USART串行接口，當對其進行二次開發(fā)時，由于在其內(nèi)部部分控制功能的存在，使得中央處理器的負荷降低，因此容易對其進行二次開發(fā)。

2.4 振動檢測單元

本文在設計時兼具低功耗設計，因此只有在風力葉片處于停機狀態(tài)時才進行姿態(tài)檢測，因此利用振動傳感器作為風機是否停機的判斷依據(jù)。振動傳感器選用常開高靈敏度震動開關SW-18010P。它有兩種工作狀態(tài)，開路OFF狀態(tài)和導通ON狀態(tài)。當開關處于OFF狀態(tài)時，它處于靜止狀態(tài)，當開關處于ON狀態(tài)時，往往是外力對于傳感器的觸碰而達到震動力閾值，或者是傳感器檢測到物體的移動速度變化而使達到離（偏）心力閾值。當ON狀態(tài)的作用力消失時，恢復為OFF狀態(tài)。

2.5 4G通信單元

因風電場地處偏遠，采用無線通信方式最為切合實際，本文采用的無線通信模塊是基于4G的自組網(wǎng)技術(shù)，在該模塊中主要集成了兩個器件，低功耗射頻收發(fā)器和微處理器，它們的使用使得在通信過程中的耗能降低，同時保障了通信質(zhì)量的穩(wěn)定，在組網(wǎng)過程中還，簡單易行，操作方便，因此可實現(xiàn)點對點的數(shù)據(jù)傳輸；可組成星型和MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。可在風塔之間實心信號的中繼，提高整個無線網(wǎng)絡的魯棒性。

小結(jié)：本文設計的基于嵌入式的風電場無人機巡檢風力葉片姿態(tài)輔助監(jiān)測系統(tǒng)，集成化程度高，安安裝簡便，續(xù)航持久，可及時采集風力發(fā)電葉片在停機狀態(tài)下的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)發(fā)送至巡檢無人機，大大降低了無人機對風力葉片的定位難度，為進一步的圖像采集以及利用機器視覺實現(xiàn)葉片缺陷檢測奠定了基礎。