基于无人机平台的风电叶片表面在线检测系统结构设计_李国强.pdf

基于无人机平台的风电叶片表面在线检测系统结构设计李国强1，李子勇1，陈飞1，王永泉1，董泮涵1，郭鑫2（1.内蒙古电投能源股份有限公司山西分公司，山西太原030031；2.国网辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，辽宁葫芦岛125000）摘要：设计了一种基于无人机平台的叶片在线检测系统。该系统由四旋翼无人机、损伤检测仪器和检测设备的空间位置调节装置等构成。设计了一种微型移动平台，用精密丝杠带动损伤检测设备在水平-垂直两自由度方向调节空间位姿；设计了红外检测机构，用小型旋转电机调节红外检测设备的正视角度方向，有效扩大了红外检测范围。经验证，该叶片在线检测系统对于提高叶片检测设备的稳定性和提高检测图像的清晰度是可行的。关键词：无人机；叶片；风电；红外检测系统中图分类号：TH12文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0082-030引言叶片决定了风力发电机组的风能利用效率。然而紫外光照射、雨水侵蚀、风蚀、砂蚀等均会导致叶片开裂、磨损、脱漆、划痕、凹坑、裂纹等损伤，严重时会影响气动效率和风电机组的发电量1。及时发现叶片损伤并及时予以修复显得尤为重要。传统的叶片表面检测方法是用望远镜观察叶片表面并检测环境噪声是否存在异常2。此类方法工作量大，不能直观、清晰地观察缺陷的实际尺寸和损伤程度，无法进行量化分析。目前，风电行业已逐渐用无人机开展设备和线路巡检，能够提升检测效率。无人机可以搭载微型高分辨率摄像机、红外探测装置和云台平衡稳定器，能够观测和分析叶片表面砂眼等损伤和质量问题，并能获得清晰、高质量的叶片表面图像。应用数字图像处理技术，可以实现快速的精细化叶片损伤定位和定量检测。国内外很多风电企业、研究机构和大学开展了大量的基于无人机的叶片检测技术研究和试验。例如，胡世创等人设计了一种基于图像的风电叶片裂纹检测系统，用随机采样一致性（RANSAC）算法进行特征匹配，消除误差组，提高图像拼接质量；用图像投影特征对横向、纵向和网状裂纹进行分类，计算裂纹参数3。天津环球地理信息有限公司设计了一种多旋翼猎鹰8 无人机，通过监测飞行器重心变化自动激活飞控系统进行调整无人机飞行的稳定性4。孟梨雨等利用红外热像检测系统对不同厚度叶片及其内部之间的漏胶进行了黏附性测试研究5。北京航空航天大学现代试验室用脉冲驱动红外成像技术对风电叶片的合模黏着力状态、沙眼、白斑、纤维布皱褶等缺陷进行测试，检测到了叶片的热变形，快速直观地识别出缺陷。Meinlschmidt 等利用脉冲主动激发热成像技术，识别了玻璃纤维试样的分层、气泡、缺胶、纤维布浸渍等缺陷6。综上，利用无人机在线检测叶片缺陷的技术已日益成熟，对风电叶片质量监控、质量风险管控有积极意义。本文主要针对利用无人机检测叶片表面损伤问题时的检测距离调节和检测设备稳定性调节问题，设计了一款以四旋翼无人机为载体的风电叶片表面损伤在线检测系统。该在线监测系统可灵活地调节检测设备的空间位置。1基于无人机平台的叶片在线检测系统设计1.1无人机平台选型旋翼无人机无需场地要求即可垂直起降，可以悬浮在空中拍摄叶片的高清照片。但普通旋翼无人机能耗高、飞行时间短、稳定性差、难以自动控制。针对风电叶片检测的特殊性，本文选择四旋翼无人机作为无人机在线检测系统的航空载体。四旋翼有四个输入力和六个坐标输出，能够实施准静态飞行，可通过改变旋翼转速实现不同的飞行姿态7。四旋翼无人机的 4个电机在每个轴上对称分布，同一轴上电机的旋转方向应相同，相邻电机的旋转方向相反。若电机 1 和电机 3 逆时针旋转，电机 2 和电机 4 顺时针旋转，可以克服反扭矩影响，通过控制 4 个电机的转速可以完成飞机的俯仰、横摇、偏航等动作8。本文主要选择MS-660 四旋翼无人机作为叶片在线检测系统的无人机平台，其结构如下页图 1 所示。MS-660 四旋翼无人机机身组件采用模块化设计，由控制模块、姿态测量系统、电源供给系统、无线通信模块、GPS 卫星定位系统、远程控制模块、电机驱动模块、串行通信模块和地面站系统组成，通过控制模块提供实时、准确的飞行状态测量数据，其中主要MEMS 传感器来测量飞行器的姿态数据，并经过滤波处理实时补偿陀螺仪的漂移，以提高飞机姿态测量精度，保 证 控 制 系 统 姿 态 角 的 精 度 和 稳 定 性。收稿日期：2022-10-26第一作者简介：李国强（1980），男，山西襄汾人，本科，助理工程师，任内蒙古电投能源股份有限公司山西分公司总工程师。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.033结构设计2023 年第 6 期MS-660 四旋翼无人机系统的配置如表 1 所示。1.2基于无人机平台的叶片在线检测系统结构考虑到四旋翼无人机的平衡性及检测装置大小及空间位置需要。基于无人机平台的叶片在线监测系统设计如下：将摄像机构及其位置调节装置安放于无人机上部，无人机的电池、信号接收器部署于飞行器下部后方，从而实现负载平衡，整体布置方案如图 2所示。2检测设备空间位置调节装置设计2.1微型移动平台装置设计四旋翼无人机到达风电叶片悬停，之后检测设备仍需小范围的空间位置调节。为此，本文设计了检测设备的空间位置调节装置。该机构选用丝杠滑轨结构，但考虑到现行丝杆滑轨直线平台体积大，本文设计了一种微型移动平台。该平台由电机、滑轨、丝杆、固定板及光电感应片组成，具体结构如图 3 所示。图 3 的微型移动平台机构可以实现检测设备空间在 X 轴方向移动。电机通过电机固定板固定在移动平台上，电机与丝杠通过梅花型联轴器直接相连，电机转动可以带动丝杠转动，从而在丝母的带动下滑块在滑轨上移动。为了避免超程，滑块上加入了光电控制机构，用以控制行程。以下为丝杠轴设计过程，其中丝杠轴的许用载荷计算过程如下：P=n2EIL2.（1）I=d464.（2）将式（2）带入式（1）推导出式（3）：P=n3Ed464L2.（3）式中：P 为丝杠许用轴向载荷；为安全系数；E 为杨氏模量；d 为滚珠丝杠公称直径；L 为安装距离；I 为丝杠轴截面惯性矩；n 为丝杠安装方法的系数。丝杠轴的许用转速 N 计算过程如下：N=6022L2EIgA.（4）A=d24.（5）式中：为安全系数，取 0.8；g 为重力加速度，取 9.8103mm/s2；A 为丝杠截面积；为丝杠材料比重。丝杠工作寿命 Lh计算公式如下：Lh=L60Nm=（CafFam）310660Nm.（6）式中：Nm为平均转速；Ca为基本额定静载荷；f 为负载系数；Fam为平均载荷。丝杠导程计算公式如下：l=VmaxNmax.（7）式中：l 为丝杠导程；Vmax为负载最大移动速度；Nmax为丝杠最大转速。丝杠的长度计算公式如下：L=最大行程+螺帽长度+轴端预留量.（8）考虑到叶片检测设备的载荷和无人机总体结构布局情况，本文参照 GB/T 17587.11998滚珠丝杠副手册选择滚珠丝杠副型号为 810 120-P05R 型丝杠，即公称直径 8mm，导程 10mm，螺纹长度 120mm，右旋公差等级为 5 级的定位滚珠丝杠副。微型移动平台的丝杠参数如下页表 2 所示。2.2空间位置调节装置设计本文通过两个微型移动平台的相互配合，即可实1红外检测仪；2螺旋桨；3角度传感器；4陀螺仪；5电池；6信号接收器；7起落架图 1基于无人机平台的叶片在线检测系统结构示意图参数参数值参数参数值电机轴距/mm660控制方式遥控器/手机/PC旋翼个数4工作温度/-1050飞行半径/km3抗风等级6 级动力供给锂离子电池防尘防雨半封闭，防尘防雨时速/（km h-1）50飞行时间/min80通信连接5.8G 无线通信负重/kg10飞行模式手动/自动云台微单平台表 1MS-660 四旋翼无人机系统配置图 2系统整体结构布置方案1电机；2电机安装板；3联轴器；4BK支撑座；5垫高板；6滑块；7丝母；8BF 支撑座；9主工作台图 3微型移动平台1234567摄像机及空间位置调节红外设备及调节机构123456789李国强，等：基于无人机平台的风电叶片表面在线检测系统结构设计83机械管理开发第 38 卷现水平-垂直两个自由度方向上的检测装置空间位置调节，配合采用水平移动平台与垂直移动平台焊接相结合的方式。空间位置调节装置结构如图 4 所示。为了降低无人机的自重载荷重量，空间位置调节装置选用特种塑料玻璃纤维增强聚苯硫醚（PPS）材料。PPS 材料具有良好的热稳定性、耐磨性、抗蠕变性。这使得空间位置调节装置可以在昼夜温差大、风沙大的风电场环境下，可以长期开展叶片表面损伤检测任务。同时为了实现摄像机稳定及细微角度的调整，无人机平台搭载的摄像机云台也具有一定的稳定调节功能，在摄像机两侧具有调整角度的微型电机，实现不同情况下的需要。空间位置调节装置与摄像机云台相互配合，可以使叶片在线监测系统达到较好的检测效果。3红外检测机构的结构和部署红外检测技术具有非接触、检测速度快、受曲率影响小等特点，适用于复合材料叶片的检测任务。红外无损检测技术用脉冲激发红外线的方法实现无损检测。经试验，红外检测设备可有效检测表 3 中所示的叶片典型缺陷。考虑到红外检测设备与叶片受损部位需要保持较小距离，以达到理想的勘测效果，同时为了平衡电池和视觉检测机构的质量，本文将红外检测设备部署于无人机的前端位置。本文设计了用于悬挂红外设备的红外检测机构，该机构由支撑结构、距离传感器、平衡除颤平台、微型电机、红外探测仪组成，如图 5 所示。图 5 中，底座用于检测机构与无人机平台的连接，采用特种塑料玻纤增强 PPS 材料制成，以进一步减轻质量。减震装置用于减少红外检测过程中因无人机不稳所带来的红外设备颤动，以提高红外检测精度、平台稳定性和红外热像的清晰度。两台旋转电机负责红外检测机构的小角度旋转，以实现对叶片损伤部位的检测视角调节。经计算，在旋转电机驱动下红外检测设备可以在60角度区间内调节其正视方向。4结语本文是根据风电叶片巡检实际需要设计了一种搭载在四旋翼无人机上的风电叶片表面损伤在线检测系统及机构。该系统可以为提高检测设备的灵活性和稳定性提供底层机械结构。经检验，该检测系统结构对于近距离观测叶片表面、扩大检测视角都是可行的。参考文献1谢惠，杜瑞，王晶晶，等.工业机器人在风电叶片装配中的前景展望J.山东化工，2015，44（24）：95-97.2苏绍禹.风力发电机设计与运行维护M.北京：中国电力出版社，2002.3易姝姝.无人机飞行场景及数据的可视化仿真与实现D.成都：电子科技大学，2010.4郭羽舟,范子义.多旋翼 falcon8 无人机在风电叶片检测中的应用C/中国农业机械工业协会风力机械分会.风能产业.北京：风能产业 编辑部，2018:115-117.5宫琛.四轴飞行器的研究与设计D.淮南：安徽理工大学，2015.6Brondsted,P.Lilholt,H.,Lystrup,A.Composite materials for windpowerturbinebladesJ.Annu.Rev.Mater.Res.，2005，35：505-538.7岳大皓，李晓丽，张浩军.风电叶片红外热波无损检测的实验探究J.北京红外技术，2011，33（10）：614-617.8肖劲松，严天鹏.风力机叶片的红外热成像无损检测的数值研究J.北京工业大学学报，2006（1）：48-52；66.（编辑：王婧）参数参数值参数参数值许用载荷/N39 634.04导程/mm10许用转速/（r min-1）250螺纹长度/mm120使用寿命/h38 888旋向右旋表 2微型移动平台机构的丝杠参数图 4空间位置调节装置检测项目红外图像黏接质量砂眼白斑黏接区域轻木砂眼白斑表 3红外检测到的典型叶片缺陷1底座；2支架；3减震装置；4红外检测仪；5、6旋转电机图 5红外检测机构123456（下转第 87 页）842023 年第 6 期种情况的原