基于无人机技术的风力发电机叶片自主巡检系统*

□ 王馥华 □ 顾沈骅 □ 姚 凯 □ 陆 轶

上海市质量监督检验技术研究院 上海 200072

1 研究背景

风力发电机一般设置在偏远地区。长期运行的风力发电机叶片,会出现不同程度的损伤。若在早期进行及时修复,可延长风力发电机叶片使用寿命,提高发电效率。若不及时发现这些细微损伤,严重时可能导致风力发电机叶片断裂,给整个风力发电机组的安全运行造成威胁。由此可见,对风力发电机叶片裂纹损伤进行检测并及时维护是非常重要的。笔者基于无人机技术,提出风力发电机叶片自主巡检系统。

2 拓扑关系

自主巡检系统拓扑关系如图1所示,由无人机系统和地面信息管理系统两部分组成。无人机系统的任务是按照规划好的巡检航迹自主飞行和采集风力发电机叶片数据,地面信息管理系统用于负责数据的处理和巡检航迹的规划。

2.1 无人机系统

无人机系统由机身模块、飞控模块、云台模块三部分组成,每个模块之间互相协调。机身模块为飞控模块和云台模块提供载体,提供稳定的飞行能力和持续的续航能力。飞控模块中包含定位系统和测向系统,可以为无人机提供地理位置信息,实时提供机体的姿态信息,还可以设定飞行路线。在云台模块中,云台载体与摄像机集成在一起。云台载体的作用是使摄像机稳定工作。云台载体是一个三轴稳定系统,可以在俯仰、滚转、偏航运动中调整偏移量。俯仰角的可变范围在-90°～30°之间,偏航角的可变范围在-45°～45°之间,角度抖动误差可控制在0.02°以内。

▲图1 自主巡检系统拓扑关系

无人机应满足下列要求:抗风能力大于10 m/s,续航时间长于20 min,飞行高度大于300 m,导航定位误差不大于3 cm。图2所示大疆精灵第四代无人机具有体积小、速度快、控制灵活、使用方便的特点,能够满足以上要求。摄像机分辨率不低于1 000万像素。

▲图2 大疆精灵第四代无人机

2.2 地面信息管理系统

地面信息管理系统主要由预处理模块、视觉测量算法模块、巡检航迹规划模块组成。预处理模块主要对风力发电机叶片的关键信息进行收集汇总,方便后续处理。视觉测量算法模块根据相机成像原理和优化方法,计算目标点的位置信息。巡检航迹规划模块利用计算得到的巡航点位置信息,计算出对应的检测点,根据检测点设计巡航点坐标,进行巡检航迹规划。

3 信号传输覆盖

无人机自主巡检的重要条件是要保证较高的空间定位精度。传统无人机依靠全球定位系统信号进行定位,在偏远环境中,全球定位系统信号的传播会受到外界因素影响,无法满足无人机自主巡检较高定位精度的要求。笔者采用的是基于网络实时动态差分定位的无人机定位技术,在差分全球定位系统定位的基础上增加参考站数量,在一个区域内建立多个参考站,形成网状覆盖,相互参考和进行误差比较,纠正系统误差,以获得更稳定的地理位置信息。由此,即使区域内某个参考站丢失了信号,仍然可以使用区域内其它有信号的参考站,保证定位信号不会丢失。

4 巡检航迹规划

将风力发电机的三个叶尖和轮毂中心看作空间的四个关键点,按照图3所示风力发电机拍照取样方式对四个关键点取样拍照,Pc1、Pc2、Pc3表示无人机的三次拍照点,每个关键点都有三条空间向量。

▲图3 风力发电机拍照取样方式

(1)

加上其它两次拍照点Pc2、Pc3到轮毂中心O的距离,即空间向量模长,可以列出三个方程式,解出轮毂中心坐标。同理,再分别计算出三个叶尖点坐标。

将三个叶尖与轮毂中心分别连线,再对每一条连线进行等分分割,进而得到风力发电机叶片上其它巡检点的坐标,即需要无人机进行拍摄的点的坐标。根据巡检点规划出对应的巡航点,确定用于无人机悬停拍照的位置。

将计算得出的巡航点坐标信息分别传送至飞控中心,设定无人机的飞行轨迹,即风力发电机的巡检航迹,如图4所示。

▲图4 风力发电机巡检航迹

5 检测内容

检测前,在风力发电机叶片的叶根处分别涂上便于辨识风力发电机叶片的不同颜色,如黄色、绿色、红色等。涂色应为不小于400 mm的环形带宽,便于无人机数据采集及数据后续处理。无人机首先拍摄、保存被巡检风力发电机的机组编号信息,然后对该风力发电机叶片迎风面、背风面、前缘、后缘拍照,最后对获得的高清数据进行对比分析。为了提高无人机巡检的精度,每张照片重叠率不应低于20%,保证能完整覆盖风力发电机叶片表面。风力发电机叶片常见的损伤类型有三种。

(1)边缘开裂。受风力发电机叶片粘合处缝隙含胶量不均或固化不完全等因素的影响,风力发电机叶片在运转过程中内料合缝处会出现开裂,尤其是迎风面的中部区域和叶尖,这是风力发电机叶片最易受损、开裂的部位。如果没有及时发现并处理风力发电机叶片的开裂损伤,将会导致风力发电机设备失效,造成停机事故。

(2)局部脱落。在风力发电机叶片迎风面、前缘、后缘等位置,外层用于保护内部复合材料和纤维布的胶衣容易损坏,使内部纤维布露出,出现裂缝、磨损、表面脱落等缺陷。

(3)雷击损伤。雷电击中风力发电机叶片时,释放的能量使风力发电机叶片内部结构的温度急剧升高,造成风力发电机叶片表面复合材料灼烧,导致风力发电机叶片表面出现不同程度的损伤。

6 应用

位于湖北省武穴市的武穴润享50 MW风力发电项目,采用所提出的自主巡检系统对风力发电机叶片进行检测,发现以下问题:前缘开放性开裂,纤维层表面破损,前缘砂眼、风损,表面面漆脱落,壳体表面纵向裂纹,前缘玻璃纤维层腐蚀等,如图5所示。针对这些问题,由自主检测系统进行周期检查、修复,取得了满意的效果。

▲图5 风力发电机叶片缺陷

7 结束语

笔者提出了一种基于无人机技术的风力发电机叶片自主巡检系统,对其中的无人机系统进行了整体方案设计,进行了巡检航迹规划,同时确认了检测的主要内容。

这一自主巡检系统可以实现高效率、低成本检测,保障风力发电机运行的安全性和可靠性。