風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

董子興 揭國(guó)順 劉俊峰 戴成軍 卿曉梅 石 騰

（1.南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226002；2.河海大學(xué)江蘇省風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)工程研究中心，江蘇 南京 211100）

0 引言

由于我國(guó)大量風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布在北方高寒地區(qū)且大型化趨勢(shì)明顯，因此在運(yùn)行中因冰雪覆蓋而造成的運(yùn)行故障、設(shè)備老化、安全隱患和發(fā)量損失成為亟需解決的問題。在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行階段，覆冰會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速和風(fēng)向出現(xiàn)測(cè)量誤差，使風(fēng)電機(jī)組偏航；同時(shí)，還會(huì)改變?nèi)~片翼型和表面粗糙度，影響氣動(dòng)特性和發(fā)電出力。覆冰可導(dǎo)致葉片質(zhì)量失衡，使其產(chǎn)生振動(dòng)和共振；在低溫條件下，潤(rùn)滑油黏性和潤(rùn)滑特性的改變可能間接影響機(jī)械元件的運(yùn)轉(zhuǎn)特性，導(dǎo)致變速箱等元件過(guò)熱、加速老化，從而使風(fēng)機(jī)壽命大幅縮短。不僅如此，雪水滲流還可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)失靈。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片覆冰可被拋射至相當(dāng)于葉片頂端高度1.5倍的地方，可能造成安全事故。此外，因覆冰而導(dǎo)致的電量損失約占年度發(fā)電量的 5%～25%。

為了解決覆冰問題，國(guó)內(nèi)外研究人員研發(fā)了多種風(fēng)力機(jī)葉片防除冰技術(shù)和方法，其中主要包括主動(dòng)停機(jī)、防水防冰涂料、熱空氣技術(shù)、電磁脈沖技術(shù)、超聲波和低頻振動(dòng)技術(shù)。由于風(fēng)力機(jī)所處環(huán)境復(fù)雜且技術(shù)尚不成熟，因此除無(wú)須進(jìn)行任何改造或者設(shè)備增添的主動(dòng)停機(jī)之外，其他技術(shù)均處于理論研究和試驗(yàn)階段。例如，涂抹防冰劑效果不明顯且需要人工操作，存在較大的安全隱患；停機(jī)等待覆冰自行融化耗時(shí)長(zhǎng)，存在拋冰風(fēng)險(xiǎn)；人工作業(yè)除冰安全風(fēng)險(xiǎn)大?？傊?，現(xiàn)有技術(shù)在能耗、工藝和安全等方面都有各自的缺陷。為了解決上述問題，該文設(shè)計(jì)了一款風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人，它能夠高效、智能地去除風(fēng)力機(jī)葉片上的積冰，減少停機(jī)時(shí)間，提高發(fā)電效率，避免人工除冰的安全隱患。

1 整體設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)是安全、高效和智能地完成風(fēng)力機(jī)葉片防凍除冰作業(yè)，主要的功能模塊包括移動(dòng)機(jī)組、圖像識(shí)別系統(tǒng)、熱風(fēng)除冰系統(tǒng)、預(yù)防系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)思路是集各模塊功能于一體，通過(guò)建模完成風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1），再根據(jù)模型選材、葉片的承載能力，并結(jié)合理論計(jì)算預(yù)測(cè)該機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)（表1）。

表1 風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人技術(shù)指標(biāo)

圖1 風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 功能模塊設(shè)計(jì)

風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人各功能模塊的工作流程如圖2所示。首先，利用真空負(fù)壓技術(shù)和六足步態(tài)控制機(jī)器人使其能在葉片上移動(dòng)和固定，并利用圖像識(shí)別技術(shù)精準(zhǔn)定位葉片覆冰區(qū)域。其次，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)將采集到的冰面信息反饋給控制中心，在接受到作業(yè)指令后，熱風(fēng)除冰系統(tǒng)產(chǎn)生熱空氣流對(duì)結(jié)冰區(qū)域進(jìn)行除冰，電熱元件再將殘留的冰水蒸發(fā)，并用棉毛刷對(duì)殘留的冰水進(jìn)行擦拭處理。最后，從尾部噴灑防冰劑預(yù)防二次結(jié)冰，從而實(shí)現(xiàn)除冰和防凍的功能。

圖2 風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人工作流程圖

2.1 移動(dòng)機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)組是由真空發(fā)生器、仿生支腳及漏氣閥組成的，其主要作用是使機(jī)器人穩(wěn)定吸附在風(fēng)力機(jī)葉片上并進(jìn)行移動(dòng)。其中，仿生支腳以3個(gè)為一組，分別安裝在機(jī)器人主體兩側(cè)。當(dāng)真空發(fā)生器運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人支腳與風(fēng)力機(jī)葉片接觸的部位形成了一個(gè)接近真空的區(qū)域，使其吸附在風(fēng)力機(jī)葉片上，支腳底部有一個(gè)圓形吸盤，外殼在與支腳的銜接處留有空隙進(jìn)行疏風(fēng)，使機(jī)器人能夠在積冰的葉片上進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)。支腳設(shè)計(jì)如圖3所示，每個(gè)仿生支腳有5個(gè)活動(dòng)件和7個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副。

圖3 風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人支腳設(shè)計(jì)圖

其中，吸附是根據(jù)真空負(fù)壓原理，通氣口與真空發(fā)生裝置相連，在真空發(fā)生裝置啟動(dòng)后，將吸盤內(nèi)部的空氣抽離，形成了壓力為的真空狀態(tài)。此時(shí)，吸盤內(nèi)部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力，即＜，機(jī)器人在外部壓力的作用下吸附在風(fēng)力機(jī)葉片表面，如圖4所示。

圖4 真空負(fù)壓原理圖

2.2 圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像識(shí)別系統(tǒng)由攝像儀和光學(xué)式結(jié)冰傳感器構(gòu)成，其采用邊緣檢測(cè)算法和顯著物識(shí)別算法構(gòu)建圖像的葉片結(jié)冰區(qū)域檢測(cè)系統(tǒng)；通過(guò)攝像頭對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)葉片出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，就可以啟動(dòng)相應(yīng)的除冰設(shè)備?；跈C(jī)器視覺的風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰圖像識(shí)別是一種直接測(cè)量風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)冰的成像模式。根據(jù)圖像數(shù)據(jù)檢測(cè)風(fēng)力機(jī)葉片的結(jié)冰情況，不僅能夠直觀地判斷是否結(jié)冰，而且還能估算結(jié)冰的具體區(qū)域。通過(guò)結(jié)合改進(jìn)的Canny算法和HED顯著物檢測(cè)算法讓攝像頭對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行檢測(cè)，配合結(jié)冰傳感器精準(zhǔn)確定結(jié)冰區(qū)域，并對(duì)結(jié)冰區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。球體外形的攝像儀設(shè)于機(jī)器人頂部（便于獲取視野），以更好地對(duì)冰面進(jìn)行分析。光學(xué)式結(jié)冰傳感器如圖5所示。

圖5 光學(xué)式結(jié)冰傳感器原理圖

改進(jìn)的Canny算法邊緣檢測(cè)采用高斯函數(shù)構(gòu)成濾波器對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波。Canny算子檢測(cè)邊緣的實(shí)質(zhì)是通過(guò)求信號(hào)函數(shù)的極大值來(lái)判定圖像邊緣像素點(diǎn)。為了提取邊緣像素，先通過(guò)Canny算子計(jì)算統(tǒng)計(jì)平均值，使圖像像素的高斯分布趨于平衡。再對(duì)圖像濾波窗口5×5的區(qū)域進(jìn)行采樣，計(jì)算該區(qū)域的均值，并與所有像素點(diǎn)進(jìn)行比較。采用定義域（，）對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波，函數(shù)如公式（1）所示。

式中：（，）為對(duì)圖像進(jìn)行平滑濾波的定義域；、為像素點(diǎn)；為高斯核半徑，=（-1）/2；為高斯濾波窗口的大??；為標(biāo)準(zhǔn)率。

2.3 熱風(fēng)除冰系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱風(fēng)除冰系統(tǒng)采用熱空氣除冰法，該系統(tǒng)由導(dǎo)熱驅(qū)動(dòng)、電熱元件、溫度傳感器以及導(dǎo)流管組成。在積冰區(qū)，由結(jié)冰傳感器發(fā)出信號(hào)指令，啟動(dòng)導(dǎo)熱驅(qū)動(dòng)和電熱元件進(jìn)行風(fēng)熱除冰，導(dǎo)流管的作用是防止熱量流失，使熱控?zé)崃鞣€(wěn)定地輸出，同時(shí)防止冰水濺入機(jī)器人內(nèi)部。其特征是由機(jī)器人主體延伸出1個(gè)支臂，電熱元件在支臂內(nèi)部啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，通過(guò)電熱元件使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)被加熱（形成熱風(fēng)），再由溫度傳感器控制溫度對(duì)積冰進(jìn)行融化去除。熱風(fēng)除冰系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 熱風(fēng)除冰系統(tǒng)運(yùn)作流程圖

2.4 預(yù)防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

預(yù)防系統(tǒng)是基于上述熱風(fēng)除冰系統(tǒng)產(chǎn)生的熱風(fēng)對(duì)冰水進(jìn)行初步蒸發(fā)處理，再由機(jī)器人中部的海綿刷進(jìn)行再處理，最后由機(jī)器人尾部的儲(chǔ)液箱進(jìn)行防冰劑的噴灑預(yù)防二次結(jié)冰。其特征在于主要由中部的海綿刷和尾部的水罐總成2個(gè)部分組成，在海綿刷吸收冰水后，由移動(dòng)機(jī)組配合尾部裝有防冰劑的圓柱體液箱總成進(jìn)行移動(dòng)噴灑防冰劑。預(yù)防系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 預(yù)防系統(tǒng)工作流程圖

2.5 遠(yuǎn)程控制模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由Wi-Fi模塊+App和主控芯片組成，在移動(dòng)端或CP端發(fā)出信號(hào)后，Wi-Fi模塊接收電平信號(hào)，然后通過(guò)Wi-Fi模塊與主控芯片進(jìn)行串口通信。主控芯片根據(jù)接收到的指令分別輸出高、低電平信號(hào)控制各模塊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。對(duì)反饋電壓來(lái)說(shuō)，主控芯片將其與芯片ROM內(nèi)的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的需求進(jìn)行處理和控制。利用傳感器檢測(cè)機(jī)器人的信號(hào)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，傳感器采集信號(hào)后將其發(fā)送到主控芯片，信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換由Wi-Fi模塊通信發(fā)出數(shù)據(jù)，主控芯片通過(guò)顯示器顯示接收到的數(shù)據(jù)，以檢測(cè)加熱溫度的變化。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 支腳設(shè)計(jì)分析

如圖8所示，從開始轉(zhuǎn)動(dòng)一周，在、處分別為最小角α、最大角，BC桿的位置、分別為其左、右極限位置，兩極限位置間得夾角為。當(dāng)搖桿自至工作行程時(shí)，其平均速度如公式（2）所示。

圖8 仿生支腳運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

式中：為至的平均速度；為點(diǎn)到點(diǎn)的距離；為搖桿自至的時(shí)間。

自擺回是其空回行程，平均速度如公式（3）所示。

式中：為至的平均速度；為點(diǎn)到點(diǎn)的距離；為搖桿自至的時(shí)間。

其中，=。由公式（3）計(jì)算機(jī)器人支腳尺寸參數(shù)（表2）。計(jì)算結(jié)果表明，風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人不具有急回運(yùn)動(dòng)特性。

表2 仿生支腳尺寸參數(shù)

3.2 六足步態(tài)設(shè)計(jì)分析

由于風(fēng)力機(jī)所處的環(huán)境、風(fēng)速等因素對(duì)機(jī)器有一定的影響，因此多足仿生機(jī)器人陸地行走步態(tài)一直是科研領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可將多足機(jī)器人的步態(tài)分為三足步態(tài)、四足步態(tài)及六足步態(tài)。該設(shè)計(jì)采用的是多足機(jī)器人足態(tài)中較為常見的典型步態(tài)——三足步態(tài)。將機(jī)器人6條支腳分為2組，一組為機(jī)器人左側(cè)中間支腳及右側(cè)兩外側(cè)支腳構(gòu)成的右三角，另一組為機(jī)器人右側(cè)中間支腳及左側(cè)兩外側(cè)支腳構(gòu)成的左三角。機(jī)器人在行走時(shí)，2組腿交替觸地支撐，左三角由支撐相進(jìn)入擺動(dòng)相的同時(shí)，右三角從擺動(dòng)相進(jìn)入支撐相，在任意時(shí)刻都有3條支腳支撐多足機(jī)器人，使多足機(jī)器人可以穩(wěn)定行走。其中，步態(tài)是指足式仿生機(jī)器人支腳按照一定順序和軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，用相位和占空比及足相來(lái)表示機(jī)器人主體的位置關(guān)系。根據(jù)支腳的不同狀態(tài)，每條支腳在1個(gè)周期內(nèi)可分為擺動(dòng)相和支撐相2個(gè)階段，通過(guò)相位和占空比規(guī)劃各支腳的邁腿相序和支撐時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)多足機(jī)器人有序行進(jìn)的功能。步態(tài)時(shí)序如圖9所示。

圖9 風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人支腳步態(tài)圖

當(dāng)多足仿生機(jī)器人以一種特定步態(tài)沿直線行進(jìn)時(shí)，其各桿間的轉(zhuǎn)動(dòng)方向不需要主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，也不需要被動(dòng)承受外扭矩作用，因此由力矩平衡和力平衡的條件為支腳各桿間的扭矩與各支腳足底接觸力沿與行進(jìn)方向相反卡力的分力都為0。

3.2 葉片結(jié)構(gòu)影響分析

風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中主要受氣動(dòng)載荷、重力載荷及離心力載荷的影響。根據(jù)機(jī)器人的主要參數(shù)（表1）并考慮葉片厚度不一的問題，選取風(fēng)力機(jī)葉片的根部、中部以及前端3個(gè)部位進(jìn)行分析，并設(shè)置葉片的受力點(diǎn)和受力面；對(duì)葉片的材料進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)見表3。用四面體網(wǎng)格對(duì)葉片進(jìn)行劃分，根據(jù)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析得出其網(wǎng)格數(shù)量約為95 906時(shí)，應(yīng)力較為平穩(wěn)且趨于直線，并對(duì)葉片與風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人分別施加約束和力。

分別計(jì)算葉片根部、中部以及前端3個(gè)部位的應(yīng)力、變形，結(jié)果如圖10～圖12所示，與材料的屬性（表3）相比，應(yīng)變和變形都滿足要求，也為風(fēng)電機(jī)組葉片檢測(cè)機(jī)器人的重力不會(huì)對(duì)葉片本身產(chǎn)生影響。

圖10 根部的應(yīng)力、變形圖

圖12 前端的應(yīng)力、變形圖

表3 葉片材料屬性

4 結(jié)語(yǔ)

首先，該文對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，對(duì)除冰功能元件進(jìn)行選型。最后，對(duì)機(jī)器人仿生支腳和步態(tài)時(shí)序進(jìn)行分析，通過(guò)設(shè)計(jì)三角步態(tài)優(yōu)化了機(jī)器人在高空葉片上作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。通過(guò)ANSYS仿真分析證明了風(fēng)力機(jī)葉片除冰機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，且主要參數(shù)也符合要求，能夠解決風(fēng)機(jī)葉片覆冰問題，為提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率、降低除冰安全風(fēng)險(xiǎn)理論提供了參考。

圖11 中部的應(yīng)力、變形圖