三维激光技术在风力发电机塔筒垂直度检测中的应用

赵飞飞，张显云

（1.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省测绘资料档案馆，贵州 贵阳 550004；3.贵州省自然资源卫星应用中心，贵州 贵阳 550004）

0 引 言

随着“碳达峰、碳中和”战略的提出，可再生能源必然会在我国经济发展中扮演着越来越重要的角色。风能作为一种清洁、无公害的可再生能源，早已被各国所青睐。但由于长期运作和外力影响，风力发电机塔筒极可能发生弯曲、倾斜，甚至倒塌。垂直度检测作为风力发电机日常运维的一项重要指标，决定着机器的正常运行。如果能精确、快速地检测出风电塔垂直度，便能高效监控其安全性，大大减少损失[1-2]。

三维激光扫描技术作为一种无接触式的测量技术，不仅具有高精度、高效率等特点，还能自动获取海量点云，生成高精度三维模型[3]。这为风机塔筒垂直度检测提供了很好的技术支撑。目前，三维激光技术广泛应用于构筑物监测等领域。史阳军、牛虎林[1-2]等人均采用三维激光技术检测风电塔垂直度，并将结果与全站仪测量结果做对比，验证了该方法能满足工作需求。闻亚[4]提出采用三维激光技术将古亭进行分层，分别提取古亭的底部、中部和顶部的中心点，采用最小二乘法拟合中心点，分析古亭的垂直度和偏移量。王巍[5]利用三维激光扫描技术分别对电力铁塔垂直度进行了分析。以上学者的研究均证明了三维激光扫描技术在测量中的可靠性。本文针对风力发电机塔筒，利用三维激光扫描技术对其进行垂直度检测研究。

1 测区与仪器

本文研究对象是位于贵州大学西校区的风力发电机。该风力发电机西面靠山，周围树木茂密，东面为校内交通要道，来往车辆行人偏多，测量干扰源较多，不适合激光扫描仪的架设。其南北方向较为空旷，无大型遮挡物，干扰较少，适合架设仪器。现场具体情况如图1 所示。

图1 风力发电机现场情况

2 点云数据采集

2.1 点云数据的获取

本次实验采用的仪器是Riegl VZ-1000 地面三维激光扫面仪。该激光扫描仪具有扫描速度快、拼接时间短、产品质量好、配套软件多等特点。其扫描精度为5 mm，扫描速度为每秒30 万点，视角范围0°～360°。进行数据扫描前，需实地查看，进行仪器校验、选取测站点位、确定扫描方式和分辨率精度、选取控制点等操作。本次实验数据处理将采用点云拼接方式，所以需根据风电发电机周围环境，满足两站之间具有高重复率数据，最终设置4 个测站。每站扫描时间约为6 ～9 min，确保扫描数据的完整性。

2.2 点云数据处理

本次实验数据采用RiScan PRO 软件进行点云数据的处理。处理步骤包括点云拼接、点云去噪及点云切片等。

2.2.1 点云拼接

将多站扫描数据导入RiScan PRO 软件，建立新的拼接站点，选择重叠部分明显的特征点，如房屋角点、窗子的边线交点等，进行点云匹配。每个测站至少选择3 至4 个同名点进行拼接。在拼接过程中，通过寻找多站之间风机周围各种特征较为明显、清楚的同名点，多次拼接，最终采用拼接效果最佳的结果进行后续操作。

2.2.2 点云去噪

获取点云数据时，由于受到各种因素，如行人、车辆、建筑物及植物等的影响，采集的点云数据会存在大量噪声。对于较为明显的噪声，直接采用手动删除的方式进行处理。对于靠近风机塔筒的散乱点云，可采用软件自带的函数进行去除。图2 为去噪后的风机塔筒图。

图2 去噪后的风机塔筒

2.2.3 点云切片

平面截面法是将选取的基准面作为截面，以相同高度间隔截取横断面，将横断面的中心点作为计算物体垂直度的特征点。为获取风力发电机塔筒垂直度的情况，本次实验每间隔2 m 做一次切片，依次获取各个截面的点云数据，并导出各截面上各个点坐标。图3 为风机塔筒切片结果。

图3 风机塔筒切片结果

通过1 mm 平面切片每间隔2 m 截取一个平面，实验共截取了16 个平面数据，获得的点云数据个数范围为28 ～464。如表1 所示，该风力发电机塔筒外形为椎体，所以由底部到顶部点云个数呈递减趋势。

表1 各截面点云个数统计

3 垂直度计算原理

3.1 切片圆心

詹庆明[6]指出，最小二乘法比较适用于圆形物体的特征提取。设圆周围上有个点，任意两个点坐标为(xi,yi)，(xj,yj)，0

通过变换可得到二元一次方程：

可列出n-1 个方程，由此组成一个方程组，该方程的误差方程为：

式中：A为序数矩阵，l为真实值与测量值之差。按照最小二乘原理，各个观测点到拟合曲线距离的平方和最小，即值最小。将式（3）代入其中，并对x求导使其等于0，得到，即ATA=0，得到：

3.2 垂直度

截取的部分立柱分段图如图4 所示。点A为顶部截面的中心点即拟合圆心点，点B为底面截面的中心点即底面拟合圆心点，点C为点A在底面的垂直投影。当点B与点C不重合，说明这个截面段是倾斜的，此时就会出现水平偏移量。点B与点C的横坐标之差称为∆X，点B与点C的纵坐标之差称为∆Y。计算偏移量为

图4 垂直度计算示意图

对应的倾斜度为

式中：h为顶部截面与底部截面的高差值。

4 数据分析

4.1 数据分析

在垂直度计算中，倾斜度和偏移量是衡量构筑物安全性的重要指标。按照上述原理，利用Matlab软件编程拟合各截面圆心，并以2 m 为底，计算其与其他高度截面圆心坐标的偏移量和倾斜度。各截面拟合圆心及相关参数如表2 所示。

表2 各截面圆心坐标和偏移量

为更直观地观察风力发电机塔架垂直度情况，以截面高度为横轴，以偏移量和倾斜度为纵轴，分别绘制柱状图，如图5 所示。

图5 不同截面高度的偏移量和倾斜度

从表2 和图5（a）可看出，随着截面高度上升，风力发电机塔筒偏移量整体呈上升趋势。当截面高度到达34 m 时，偏移量到达最大值6.29 mm。但截面高度为20 m 和22 m 时，偏移量反而减小，未随截面高度的增加而增加。从图5（b）可看出，塔筒倾斜度与偏移量变化基本一致，整体趋势为，随着截面高度上升，倾斜度逐渐增大，其值在2.18′处上下浮动。同样地，当截面高度为34 m 时，倾斜度到达最大值2.83′。当截面高度为8 m 和22 m 时，塔筒倾斜度结果与其他相差较大。对此，可能有以下几点原因：

（1）风力发电机塔筒本身有变形，在数据处理时未修复；

（2）扫描过程中，随着高度的增加，扫描精度变弱，且受环境限制，扫描结果会受影响；

（3）拼接过程中，采用特征点手动拼接，拼接成果可能存在偏差；

（4）去噪过程中，在某些高度上会有其他噪声点未被删除，以至于影响最终结果；

（5）切片过程中，由于切平面是有一定厚度的，所谓的“切片”，实际上是“切圆柱”，一定程度上也会影响圆心坐标拟合。

4.2 结果讨论

针对以上原因，在之后的研究中，可从以下几方面进行完善。

（1）设计数据采集方案时，可考虑利用标靶球作为标志点，提高拼接成果精度。本次实验采用RiScan PRO 软件进行拼接，软件中的算法在某些方面还不够精密，可根据情况设计拼接算法。

（2）可分别针对风机塔筒形变、去噪分别设计算法，修复风机塔筒，去除噪声。

（3）尝试采用稳健估计等多种算法进行圆心坐标的拟合。

5 结 语

本文针对风力发电机塔筒，基于三维激光扫描技术对风力发电机塔筒进行建模，采用最小二乘法拟合各截面圆心坐标，计算其偏移量、倾斜度，实现对垂直度的检测。本文验证了三维激光扫描技术方法在垂直度检测工作中具有可行性，满足工程需要，对三维激光技术在其他领域的应用有一定参考意义。