基于無人直升機的風電葉片缺陷損傷檢查方法及檢查系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無人直升機的風電葉片缺陷損傷檢查方法及檢查系統(tǒng)，通過在小型無人直升機上設置光、熱、聲信號采集裝置，操縱無人直升機接近風電場風機塔上的葉片，采集葉片的光、熱、聲信號，記錄或傳回信號，供地面工作人員分析葉片狀態(tài)，使得葉片的損傷和缺陷能夠被及時發(fā)現并采取相應措施，提高葉片的運行可靠性，避免葉片斷裂墜落等重大事故的發(fā)生。本發(fā)明檢查系統(tǒng)包括小型無人直升機，控制器，微型可見光圖像采集器，微型紅外熱像儀，聲音傳感器，距離傳感器，信號發(fā)射裝置，信號接收及處理裝置。本發(fā)明檢查系統(tǒng)能夠近距離獲取葉片的光、熱、聲信號，信息準確可靠；操作方便，檢查時間短。
【專利說明】基于無人直升機的風電葉片缺陷損傷檢查方法及檢查系統(tǒng)
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及風力發(fā)電機葉片狀態(tài)檢查技術，具體涉及葉片處于在塔狀態(tài)下的近距 離檢查，屬于風力發(fā)電安全保障領域。
【背景技術】
[0002] 風力發(fā)電機葉片（以下簡稱"葉片"）是風電系統(tǒng)中的實現風能向電能轉換的重要 部件。葉片安裝在風電塔架上，在風力作用下繞軸轉動，帶動發(fā)電機產生電能。隨著風能開 發(fā)事業(yè)的發(fā)展，風電機組大型化的特征越來越明顯，風電塔架越來越高，葉片尺寸也越來越 大。塔架的增高使得攀爬、吊架檢查更加困難，尺寸增大使得葉片受風沙、凍雨、腐蝕環(huán)境等 作用的區(qū)域增大，同時葉片的運輸、更換也更加困難。葉片不斷提高的安全性要求和不斷增 加的檢查困難之間的矛盾更加突出。
[0003] 葉片在運行過程中，風沙等硬質物體長時間作用于葉片表面形成沙眼，一般沙眼 初期尺寸很小，約為毫米級。在持續(xù)風沙、鹽霧氣氛、細菌等因素的共同作用下，沙眼密度不 斷增加，會破壞葉片應有的表面形狀和氣動特性，降低風能轉換效率。部分沙眼在擴大的過 程中互相連通，形成剝蝕，甚至發(fā)展為部分脫落；也有部分沙眼深度增加，形成通腔沙眼，產 生較大尺寸腐蝕、積水等損傷，成為葉片失效源。橫紋是在溫度劇烈變化、復雜受力等多種 因素作用下形成的在葉片表面與葉片軸線相垂直的裂紋。初期橫紋長度一般為厘米級。在 葉片彎曲應力作用下，橫紋具有擴展的趨勢，將導致葉片喪失承受彎曲應力的能力，造成葉 片折斷，產生較大事故。葉片的大型化使得制造過程中前、后緣處結合強度不高區(qū)域產生的 幾率增大，服役過程中在外載荷作用下容易沿軸向開裂，軸向開裂發(fā)生之初一般也是厘米 或分米級。在環(huán)境、受力等因素作用下，葉片前后表面與主梁間的粘合區(qū)域有可能脫離，連 接作用喪失，葉片前后表面與主梁無法共同承載，整體強度急劇下降，形成脫粘損傷。脫粘 損傷的發(fā)生發(fā)展也有其過程，初期的脫粘區(qū)域也是厘米或分米量級。低溫、凍雨等會使得葉 片表面結冰，冰塊會影響風機的正常運行。
[0004] 葉片在風電塔架頂端運行，維護人員不易接近，日常巡查以地面遠距離（80?100 米）觀察為主，上述葉片常見損傷中，早期的沙眼、剝蝕、橫紋、縱向開裂、脫粘等均較小，地 面遠距離觀察難以發(fā)現；表面結冰雖然尺寸較大，但無色透明，地面遠距離觀察也難以發(fā) 現。通過攀爬、吊架等可以進行近距離觀察，但時間較長，難以實施大密度檢查，使得很多缺 陷或損傷在早期不易發(fā)現，為風機運行留下了較大的安全隱患。
【發(fā)明內容】
[0005] 發(fā)明目的：針對上述現有技術，提出一種基于無人直升機的風電葉片缺陷損傷檢 查方法及檢查系統(tǒng)，能夠在風力發(fā)電機繼續(xù)運行的過程中，十分便捷且準確的判斷葉片是 否出現缺陷和損傷。
[0006] 技術方案：一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟（1)，操縱安裝了微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲音傳感器、 距離傳感器以及無線信號發(fā)射系統(tǒng)的無人直升機接近在塔風力發(fā)電機葉片；
[0008] 步驟（2)，通過所述距離傳感器檢測無人直升機和葉片的距離，并根據該距離信息 控制無人機與葉片的距離；
[0009] 步驟（3)，通過無人直升機上的所述微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微 型聲音傳感器分別采集葉片待檢測部位的可見光圖像、紅外熱像圖以及風力發(fā)電機的聲場 信號；
[0010] 步驟（4)，無人直升機上無線信號發(fā)射系統(tǒng)將采集到的可見光圖像、紅外熱像圖和 聲場信號傳回地面分析系統(tǒng)；
[0011] 步驟（5)，地面分析系統(tǒng)處理接收的可見光圖像、紅外熱像圖和聲場信號后，輸出 葉片是否出現損傷以及損傷程度的判斷結果。
[0012] 進一步的，所述步驟（3)中采集的聲場信號包括葉片在風力作用下產生的音頻信 號，還包括風力發(fā)電機的環(huán)境噪聲信號。
[0013] 進一步的，所述步驟（3)中采集的聲場信號包括風電塔機艙的音頻信號。
[0014] 一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查系統(tǒng)，包括地面分析系統(tǒng)、無人直升機，以及 安裝在所述無人直升機上的控制器、信號發(fā)射器、微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像 儀、微型聲音傳感器、距離傳感器；所述微型可見光圖像采集器用于采集風力發(fā)電機葉片待 檢測部位的可見光圖像，所述微型紅外熱像儀用于采集風力發(fā)電機葉片待檢測部位的紅外 熱像圖，所述微型聲音傳感器用于采集風力發(fā)電機的聲場信號，所述距離傳感器用于檢測 無人直升機和風力發(fā)電機葉片之間的距離；所述控制器用于根據所述距離信息控制無人直 升機和風力發(fā)電機葉片之間的距離，并控制所述信號發(fā)射器將檢測得到的可見光圖像、紅 外熱像圖以及聲場信號傳給地面分析系統(tǒng)。
[0015] 進一步的，所述微型聲音傳感器包括信號處理電路以及連接所述信號處理電路的 麥克風；所述麥克風用于米集葉片在風力作用下產生的音頻信號、環(huán)境噪聲信號以及風電 塔機艙的音頻信號。
[0016] 有益效果：本發(fā)明的一種基于無人直升機的風電葉片缺陷損傷檢查方法及檢查系 統(tǒng)，可在不影響葉片在塔狀態(tài)的情況下，根據直升機上距離傳感器檢測的與葉片的距離，操 縱無人直升機接近葉片，由無人直升機上攜帶的傳感器獲得葉片表面的可見光圖像、紅外 熱像圖和噪聲信號，并通過發(fā)射器將信號傳回地面分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)計算、分析其特征， 從而判斷是否出現缺陷和損傷。
[0017] 與現有的檢測方法先比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點：
[0018] 1、可以實現對風電場風力發(fā)電機葉片狀態(tài)的近距離檢查，避免了地面遠距離觀察 的不利因素影響，更加客觀準確；且無需通過攀爬、吊架等進行近距離觀察，十分便捷，費時 較短，費用較低，可以提高對葉片的檢查密度；
[0019] 2、近距離獲得的葉片的可見光圖像、紅外熱像圖和噪聲信號對缺陷和損傷較敏 感，分別對這三種信號進行處理分析得到葉片是否存在缺陷和損傷的結果后，綜合三種檢 測數據的判斷結果，相對單一檢測手段，本發(fā)明方法可以準確、及時發(fā)現早期的缺陷和損 傷，從而能夠及時采取措施，避免缺陷和損傷的擴大。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明檢查系統(tǒng)的使用示意圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明檢查系統(tǒng)中無人直升機平臺的結構示意框圖；
[0022] 圖中示出：1、無人直升機；2、控制器；3、信號發(fā)射器；4、微型可見光圖像采集器； 5、微型紅外熱像儀；6、微型聲音傳感器；7、距離傳感器；8、地面計算機。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0024] 如圖1所示，葉片被安裝于風電塔架，其表面在風沙、腐蝕性氣體、雷擊、大范圍溫 差等的作用下，容易產生面層剝蝕、局部脫落、成片沙眼、表面開裂、表面結冰等缺陷或損 傷，這些缺陷或損傷在初期都具有尺寸較小、不易被發(fā)現等特點。在繼續(xù)運行的過程中，這 些缺陷和損傷不斷擴大，會嚴重影響風機的安全性。
[0025] 一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查方法，包括以下步驟：
[0026] 步驟（1)，操縱安裝了微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲音傳感器、 距離傳感器以及無線信號發(fā)射系統(tǒng)的無人直升機接近在塔風力發(fā)電機葉片；
[0027] 步驟（2)，通過所述距離傳感器檢測無人直升機和葉片的距離，并根據該距離信息 控制無人機與葉片的距離；
[0028] 步驟（3)，通過無人直升機上的微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲 音傳感器分別采集葉片待檢測部位的可見光圖像、紅外熱像圖以及風力發(fā)電機的聲場信 號；
[0029] 步驟（4)，無人直升機上無線信號發(fā)射系統(tǒng)將采集到的可見光圖像、紅外熱像圖和 聲場信號傳回地面分析系統(tǒng)；
[0030] 步驟（5)，地面分析系統(tǒng)處理接收的可見光圖像、紅外熱像圖和聲場信號后，輸出 葉片是否出現損傷以及損傷程度的判斷結果。
[0031] 其中，步驟（3)中采集的聲場信號包括葉片在風力作用下產生的音頻信號，還包 括風力發(fā)電機的環(huán)境噪聲信號。地面分析系統(tǒng)根據接收到的環(huán)境噪聲信號和葉片在風力作 用下產生的音頻信號，進行如下分析處理：
[0032] (1)，根據獲得的環(huán)境噪聲信號和葉片在風力作用下產生的音頻信號，經過自適應 低通濾波獲得該臺風力發(fā)電機葉片在運行過程中所發(fā)出的音頻信號；
[0033] (2)，計算該臺風力發(fā)電機葉片發(fā)出音頻信號的時域特征值；
[0034] (3)，將該臺風力發(fā)電機葉片發(fā)出的音頻信號進行傅里葉變換，轉換成頻域信號；
[0035] (4)，根據步驟（3)得到的頻域信號，計算頻域特征值；
[0036] (5)，將步驟（2)和（4)得到的時域特征值以及頻域特征值與該臺風力發(fā)電機葉片 的歷史時域特征值以及頻域特征值數據進行比較，根據比較結果判斷是否出現損傷及其程 度。其中，控制接收風力發(fā)電機聲場信號采集周期長大于10倍風力發(fā)電機葉片旋轉周期， 這是因為風電場音頻信號較復雜，葉片的損傷或缺陷所產生的音頻信號在較長的采集時間 內一直存在，一些干擾信號（如車輛、陣風等產生的信號）持續(xù)時間較短，所以用10倍以上 旋轉周期作為采集周期有助于背景噪聲的去除。
[0037] 此外，步驟（3)中采集的聲場信號包括風電塔機艙的音頻信號。機艙內主要是減 速器、齒輪、發(fā)電機等機械，當發(fā)生齒輪嚙合不良、轉動部件脫落等情況時會產生較大的異 常聲響，但因離地面較高，且風電場一般過往人員較少，不易被發(fā)現。
[0038] 地面分析系統(tǒng)根據接收到的可見光圖像，采用人工判讀方法分析，得到葉片是否 出現損傷以及損傷程度的判斷結果。
[0039] 地面分析系統(tǒng)根據接收到的紅外熱像圖，分析葉片表面溫度場的異常區(qū)域，與可 見光圖像融合分析，得到葉片是否出現損傷以及損傷程度的判斷結果。
[0040] 根據無人機監(jiān)測得到的可見光圖像、紅外熱像圖和噪聲信號，分別對這三種信號 進行處理分析得到葉片是否存在缺陷和損傷的結果后，綜合三種檢測數據的判斷結果，最 終準確得到葉片是否出現損傷以及損傷程度的判斷結果。通過無人機搭載微型聲音傳感器 能夠方便采集風電塔機艙的音頻信號，能夠及時發(fā)現機艙內出現的故障。
[0041] 如圖2所示的，一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查系統(tǒng)，包括地面分析系統(tǒng)8、 無人直升機1，以及安裝在所述無人直升機1上的控制器2、信號發(fā)射器3、微型可見光圖像 采集器4、微型紅外熱像儀5、微型聲音傳感器6、距離傳感器7。其中，微型可見光圖像采 集器4用于采集風力發(fā)電機葉片待檢測部位的可見光圖像；微型紅外熱像儀5用于采集風 力發(fā)電機葉片待檢測部位的紅外熱像圖；微型聲音傳感器6用于采集風力發(fā)電機的聲場信 號；距離傳感器7用于檢測無人直升機1和風力發(fā)電機葉片之間的距離；控制器2用于根據 所述距離信息控制無人直升機1和風力發(fā)電機葉片之間的距離，并控制信號發(fā)射器3將檢 測得到的可見光圖像、紅外熱像圖以聲場信號通過信號發(fā)射器3傳給地面分析系統(tǒng)8。其 中，微型聲音傳感器6包括信號處理電路以及連接該信號處理電路的麥克風；麥克風用于 采集葉片在風力作用下產生的音頻信號、環(huán)境噪聲信號以及風電塔機艙的音頻信號。
[0042] 在無人直升機上安裝微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲音傳感器 和距離傳感器等傳感系統(tǒng)，構成具有葉片檢查功能的無人直升機平臺；操控無人直升機接 近葉片，根據無人直升機上距離傳感器控制其與葉片的距離；無人直升機上安裝的微型可 見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲音傳感器分別獲取葉片表面的可見光圖像、紅外 熱像圖和噪聲信號并記錄或傳回地面分析系統(tǒng)，分析系統(tǒng)中的計算機系統(tǒng)計算、分析其特 征，從而判斷是否出現缺陷和損傷。
[0043] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應 視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟（1)，操縱安裝了微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲音傳感器、距離 傳感器以及無線信號發(fā)射系統(tǒng)的無人直升機接近在塔風力發(fā)電機葉片； 步驟（2)，通過所述距離傳感器檢測無人直升機和葉片的距離，并根據該距離信息控制 無人機與葉片的距離； 步驟（3)，通過無人直升機上的所述微型可見光圖像采集器、微型紅外熱像儀、微型聲 音傳感器分別采集葉片待檢測部位的可見光圖像、紅外熱像圖以及風力發(fā)電機的聲場信 號； 步驟（4)，無人直升機上無線信號發(fā)射系統(tǒng)將采集到的可見光圖像、紅外熱像圖和聲場 信號傳回地面分析系統(tǒng)； 步驟（5)，地面分析系統(tǒng)處理接收的可見光圖像、紅外熱像圖和聲場信號后，輸出葉片 是否出現損傷以及損傷程度的判斷結果。
2. 根據權利要求1所述的一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查方法，其特征在于：所 述步驟（3)中采集的聲場信號包括葉片在風力作用下產生的音頻信號，還包括風力發(fā)電機 的環(huán)境噪聲信號。
3. 根據權利要求1所述的一種風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查方法，其特征在于：所 述步驟（3)中采集的聲場信號包括風電塔機艙的音頻信號。
4. 一種實現權利要求1所述方法的風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查系統(tǒng)，其特征在 于：包括地面分析系統(tǒng)（8)、無人直升機（1)，以及安裝在所述無人直升機（1)上的控制器 (2)、信號發(fā)射器（3)、微型可見光圖像采集器（4)、微型紅外熱像儀（5)、微型聲音傳感器 (6)、距離傳感器（7);所述微型可見光圖像采集器（4)用于采集風力發(fā)電機葉片待檢測部 位的可見光圖像，所述微型紅外熱像儀（5)用于采集風力發(fā)電機葉片待檢測部位的紅外熱 像圖，所述微型聲音傳感器（6)用于采集風力發(fā)電機的聲場信號，所述距離傳感器（7)用于 檢測無人直升機（1)和風力發(fā)電機葉片之間的距離；所述控制器（2)用于根據所述距離信 息控制無人直升機（1)和風力發(fā)電機葉片之間的距離，并控制所述信號發(fā)射器（3)將檢測 得到的可見光圖像、紅外熱像圖以及聲場信號傳給地面分析系統(tǒng)（8)。
5. 根據權利要求3所述的風力發(fā)電機葉片損傷近距離檢查系統(tǒng)，其特征在于：所述微 型聲音傳感器（6)包括信號處理電路以及連接所述信號處理電路的麥克風；所述麥克風 用于采集葉片在風力作用下產生的音頻信號、環(huán)境噪聲信號以及風電塔機艙的音頻信號。
【文檔編號】G01N21/88GK104215640SQ201410407778
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月18日 優(yōu)先權日:2014年8月18日
【發(fā)明者】周克印 申請人:南京航空航天大學
專業(yè)數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
