基于無人機技術的風力發(fā)電機葉片自主巡檢系統(tǒng)*

□ 王馥華 □ 顧沈驊 □ 姚 凱 □ 陸 軼

上海市質量監(jiān)督檢驗技術研究院 上海 200072

1 研究背景

風力發(fā)電機一般設置在偏遠地區(qū)。長期運行的風力發(fā)電機葉片,會出現不同程度的損傷。若在早期進行及時修復,可延長風力發(fā)電機葉片使用壽命,提高發(fā)電效率。若不及時發(fā)現這些細微損傷,嚴重時可能導致風力發(fā)電機葉片斷裂,給整個風力發(fā)電機組的安全運行造成威脅。由此可見,對風力發(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,提出風力發(fā)電機葉片自主巡檢系統(tǒng)。

2 拓撲關系

自主巡檢系統(tǒng)拓撲關系如圖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)的任務是按照規(guī)劃好的巡檢航跡自主飛行和采集風力發(fā)電機葉片數據,地面信息管理系統(tǒng)用于負責數據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調。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、偏航運動中調整偏移量。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。

▲圖1 自主巡檢系統(tǒng)拓撲關系

無人機應滿足下列要求:抗風能力大于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)主要由預處理模塊、視覺測量算法模塊、巡檢航跡規(guī)劃模塊組成。預處理模塊主要對風力發(fā)電機葉片的關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相機成像原理和優(yōu)化方法,計算目標點的位置信息。巡檢航跡規(guī)劃模塊利用計算得到的巡航點位置信息,計算出對應的檢測點,根據檢測點設計巡航點坐標,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絡實時動態(tài)差分定位的無人機定位技術,在差分全球定位系統(tǒng)定位的基礎上增加參考站數量,在一個區(qū)域內建立多個參考站,形成網狀覆蓋,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)域內某個參考站丟失了信號,仍然可以使用區(qū)域內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

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

▲圖3 風力發(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。同理,再分別計算出三個葉尖點坐標。

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,進而得到風力發(fā)電機葉片上其它巡檢點的坐標,即需要無人機進行拍攝的點的坐標。根據巡檢點規(guī)劃出對應的巡航點,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信息分別傳送至飛控中心,設定無人機的飛行軌跡,即風力發(fā)電機的巡檢航跡,如圖4所示。

▲圖4 風力發(fā)電機巡檢航跡

5 檢測內容

檢測前,在風力發(fā)電機葉片的葉根處分別涂上便于辨識風力發(fā)電機葉片的不同顏色,如黃色、綠色、紅色等。涂色應為不小于400 mm的環(huán)形帶寬,便于無人機數據采集及數據后續(xù)處理。無人機首先拍攝、保存被巡檢風力發(fā)電機的機組編號信息,然后對該風力發(fā)電機葉片迎風面、背風面、前緣、后緣拍照,最后對獲得的高清數據進行對比分析。為了提高無人機巡檢的精度,每張照片重疊率不應低于20%,保證能完整覆蓋風力發(fā)電機葉片表面。風力發(fā)電機葉片常見的損傷類型有三種。

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

(2)局部脫落。在風力發(fā)電機葉片迎風面、前緣、后緣等位置,外層用于保護內部復合材料和纖維布的膠衣容易損壞,使內部纖維布露出,出現裂縫、磨損、表面脫落等缺陷。

(3)雷擊損傷。雷電擊中風力發(fā)電機葉片時,釋放的能量使風力發(fā)電機葉片內部結構的溫度急劇升高,造成風力發(fā)電機葉片表面復合材料灼燒,導致風力發(fā)電機葉片表面出現不同程度的損傷。

6 應用

位于湖北省武穴市的武穴潤享50 MW風力發(fā)電項目,采用所提出的自主巡檢系統(tǒng)對風力發(fā)電機葉片進行檢測,發(fā)現以下問題:前緣開放性開裂,纖維層表面破損,前緣砂眼、風損,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,取得了滿意的效果。

▲圖5 風力發(fā)電機葉片缺陷

7 結束語

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

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