技术领域

本实用新型涉及风力发电机组叶片监测领域，具体为一种基于扫描式线激光双目立体摄像机的叶片监测系统。

背景技术

风力发电机组作为新能源的重要部分，其发展速度迅速，随着低风区的风资源应用及海上风电机组的快速发展，单机容量不断增加，叶轮直径不断增加，叶片本身所存在的隐患也随之增加。

在风力发电机组的实际使用中，一方面随着叶片尺寸的不断加长，在不同风载情况下，叶片存在摆振以及扭转情况，随叶片尺寸增加其变形量也随之增加，即旋转曲面在风载作用下叶片尺寸越大其变化量更大，到达叶片极限后易出现扫塔现象，尤其在高转速情况下出现扫塔现象，极易出现倒塌现象，造成重大经济损失及安全事故；另一方面，随着叶片尺寸的增加，对于叶片生产工艺及要求也越来越高，其成本不断增加，叶片运行过程中一旦出现裂纹、异常等情况如能被及时发现，对于机组安全运行及止损具有重要意义；同时，在低温环境下，如果叶片出现结冰现象将造成叶片启动性能的下降，及时发现叶片结冰现象，并进行有效的除冰，可有效避免发电量的损失。根据相关认证规范规定：叶尖与塔筒壁面最小距离，相对于叶片不变形的状态下的距离，机组运行状态下，不得小于30％，在机组顺桨停机状态下，不得小于5％，其中最小距离称之为叶尖塔筒净空。因而，通过监测机组净空值实现对机组状态及边桨状态监控，监测叶片表面状况并及时发现问题，对于有效确保机组安全运行及减少发电量损失是目前急需解决的问题。

现有技术中，风力发电机组上的叶片监测技术存在着以下两点不足：1、目前大多采用安装多个激光传感器或者雷达传感器的方式，来对风力发电机组的净空值进行监测，该种方式易受环境因素影响，导致数值的准确性较低不能很好地判断实际使用中的叶片状态，且设备布置复杂度和安装成本也较高。2、目前大多采用设置声音频信号传感器或者振动传感器的方式对叶片状态进行监测，该种方式所获取信息的准确性对环境要求较高，而在实际使用中易出现恶劣天气，同时该方式的排障性能单一，对叶片裂纹或结冰等异常状况不能及时发现。

发明内容

本实用新型解决了现有技术中的不足，提供了一种集成度高、可靠性强、成本低，能够实现叶片状态的高精度捕捉以及叶片故障智能化判断的叶片监测系统。

实现本实用新型上述目的所采用的的技术方案为：

一种用于风力发电机组的叶片监测系统，至少包括图像采集单元以及智能控制单元，所述图像采集单元为一个以上的扫描式线激光双目立体摄像机，所述扫描式线激光双目立体摄像机由用于捕获叶片实时图像的双目摄像机和用于对叶片辅助定位的线激光扫描仪集合而成，两者的视角可调；所述扫描式线激光双目立体摄像机安装于机舱前端底部的开孔处、塔筒壁面或塔底中能够全面捕捉叶片图像的位置处，用于扫描式线激光双目立体摄像机捕捉图像；所述智能控制单元通过信号线与扫描式线激光双目立体摄像机连接，并通过光纤与风力发电机组的主控系统连接，所述智能控制单元固定于机舱机舱或底座内，智能控制单元包括柜体外壳、处理器、数据存储模块、电源模块和动力电缆，所述动力电缆连接处理器、数据存储模块和电源模块。

所述扫描式线激光双目立体摄像机安装于机舱前端底部开孔处，所述线激光扫描仪视角朝向叶片叶尖或塔筒，所述双目摄像机视角朝向叶片方向。

所述扫描式线激光双目立体摄像机安装于塔筒外壁，所述线激光扫描仪视角朝向叶片叶尖或塔筒，所述双目摄像机视角朝向叶片方向。

所述扫描式线激光双目立体摄像机呈凸字型结构，所述线激光扫描仪固定于双目摄像机顶部。

所述电源模块采用不间断电源，用于故障期间供电。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1、本实用新型提供的叶片监测系统中通过线激光扫描仪辅助定位叶片和塔筒，从而获取净空值，通过双目摄像机拍摄图像获取叶片状态，因此扫描式线激光双目立体摄像机可有效集成叶片监测所需设备，有效降低设备成本及布置复杂度，并规避多设备引起的可靠性问题，同时具有灵活调节安装位置、抗反光、抗吸光、耐候性强的优点。2、本实用新型提供的叶片监测系统通过线激光扫描仪和双目摄像机的协同应用，在实现净空值测量的同时获取三维成像数据，可更高效的判定叶片的裂纹、故障及结冰等异常情况的发生。3、本实用新型提供的叶片监测系统通过智能控制单元对扫描式线激光双目立体摄像机所采集的叶片三维图像信息进行对比及逻辑判定，使风电机组的叶片监测技术更加模块化、智能化和平价化。

附图说明

图1是实施例1提供的扫描式线激光双目立体摄像机布置于机舱的叶片监测系统原理示意图；

图2是实施例2提供的扫描式线激光双目立体摄像机布置于塔筒的叶片监测系统原理示意图；

图3是实施例2提供的扫描式线激光双目立体摄像机布置于塔筒的A-A剖面示意图；

图4是实施例1提供的扫描式线激光双目立体摄像机监测及扫描成像范围示意图。

图中：1-智能控制单元；2-机舱；3-信号线；4-扫描式线激光双目立体摄像机；5-叶片；6-监测及扫描成像范围；7-塔筒；8-光纤；9-双目摄像机；10-线激光扫描仪。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

本实用新型提供的一种用于风力发电机组的叶片监测系统，至少包括图像采集单元以及智能控制单元1，所述图像采集单元为一个以上的扫描式线激光双目立体摄像机4，所述扫描式线激光双目立体摄像机由用于捕获叶片5实时图像的双目摄像机9和用于对叶片辅助定位的线激光扫描仪10集合而成，两者的视角可调；所述扫描式线激光双目立体摄像机呈凸字型结构，所述线激光扫描仪固定于双目摄像机顶部；所述扫描式线激光双目立体摄像机安装于机舱前端底部、塔筒壁面或塔底中能够全面捕捉叶片图像的位置处，所述机舱前端底部设置有开孔，用于扫描式线激光双目立体摄像机捕捉图像；所述智能控制单元通过信号线与扫描式线激光双目立体摄像机连接，并通过光纤8与风力发电机组的主控系统连接，所述智能控制单元固定于机舱或底座内，智能控制单元包括柜体外壳、处理器、数据存储模块、电源模块和动力电缆，所述动力电缆连接处理器、数据存储模块和电源模块，所述电源模块采用不间断电源，用于故障期间供电。

实施例1

本实施例中扫描式线激光双目立体摄像机安装于机舱2前端底部开孔处，机舱前端底部设置有开孔，用于扫描式线激光双目立体摄像机捕捉图像，线激光扫描仪视角朝向叶片叶尖或塔筒7，双目摄像机视角朝向叶片方向,其结构如图1所示，监测及扫描成像范围6如图4所示，叶片与塔筒均在扫描式线激光双目立体摄像机扫描范围内，扫描式线激光双目立体摄像机上的线激光扫描仪及双目摄像机均具备调节功能，根据叶片的实际长度进行视角调节，确保能扫描至叶片的叶尖位置。扫描式线激光双目立体摄像机运行时能够实时获取叶片叶尖的位置信息，当叶片通过塔筒时，通过叶尖的位置信息能够得出叶尖与塔筒表面的最小间隙数值，即净空值。

同时双目摄像机拍摄叶片的状态，线激光扫描仪通过向叶片投射激光条纹，然后扫描整个叶片，扫描的同时双目立体视觉系统以指定的帧率拍摄图像，根据所拍摄的含有激光条纹的立体图像对，由双目立体视觉的极线约束和激光条纹特征计算出双目立体视觉系统之间的对应性关系，最后根据预先标定好的系统参数按照双目立体视觉的方法计算出物体的高精度的三维点云数据。具体可参考本领域的现有技术，如中国专利CN 104240294B所公布的基于双目单视界的三维重建方法、CN107767442B中所公布的一种基于Kinect和双目视觉的脚型三维重建与测量方法或CN108053449A所公布的双目视觉系统的三维重建方法、装置及双目视觉系统。

扫描式线激光双目立体摄像机通过信号线将获得的数据信息传递给智能控制单元，首先，智能控制单元内处理器针对扫描式线激光双目立体摄像机所反馈的净空值进行数据积累及趋势分析，从而进行叶片状态及转速的判定，以及通过净空值的变化规律，实时监控风力发电机组的运转状态，得出叶片状态以及转速的结论，有效预防重大事故的发生；其次，能够通过叶片捕捉周期的变换，有效判定叶片转速，作为辅助参数供主控系统参考对比；处理器还预设有初始状态下的叶片状态三维点云数据模型，通过将扫描式线激光双目立体摄像机反馈的三维点云数据与原始捕捉模型的对比，尤其针对叶片表面出现裂纹、结冰等异常情况时，可通过逻辑判定及对比得出异常状况结论。同时处理器经过处理后形成的立体模型通过电缆传输至数据存储模块中进行储存，并进行周期性叶片状态对比和周期性数据打包，通过光纤周期性传输至主控系统；当动力电缆出现故障后，采用不间断电源使本地电源模块可实现规定时间内供电，通过该段时间内叶片状态的捕捉，便于判定故障产生原因，及断电期间内三维模型的生成处理。

上述处理器所涉及的逻辑判定等运算具体可参考本领域的现有技术，如中国专利CN 101699219B中所公布的双目视觉三维测量的方法及传感器、CN111200727A中所公布的一种基于深度感知的三维图像处理系统，或CN108506170A中所公布的风机叶片检测方法、系统、设备及存储介质等。处理器所得出的危险报警信号及异常状况结论可设定为实时、周期性或触发阀值的情况下将信息通过光纤反馈给主控系统，由主控系统发出机组安全控制指令，确保机组的安全性。

实施例2

本实施例中，当机组出现尺寸超出扫描式线激光双目立体摄像机的测量范围，或现场布置有特殊要求情况下，可调节扫描式线激光双目立体摄像机的安装位置和安装高度，可将多个扫描式线激光双目立体摄像机安装于塔筒壁上，线激光扫描仪视角朝向叶片叶尖或塔筒，双目摄像机视角朝向叶片方向，其结构如图2所示，当有三个扫描式线激光双目立体摄像机安装于塔筒壁上时，其剖面图如图3所示，扫描式线激光双目立体摄像机安装于塔筒壁上的三等分点上。安装多个扫描式线激光双目立体摄像机能够全方位监测叶片状态，从而得到在机组运转时叶片的动态图像信息，针对叶片的偏航情况，能够通过实时的叶片状态监测，及时发现并预防叶片的异常运转状况。

本实用新型提供了一种用于风力发电机组的叶片监测系统，其工作流程为：在风力电机组初始启动运转时，图像采集单元对每个叶片分别采集其位置信息以及叶片运动状态下的图像信息，将获取的数据通过信号线传输至智能控制单元，智能控制单元对位置信息和图像信息进行处理，获取三维定位，并建立叶片轮廓初始状态的三维点云模型且经过计算得出初始净空值；在风力电机组运转过程中，图像采集单元实时获取数据信息，并反馈至智能控制单元，智能控制单元计算得出实时净空值与初始净空值对比，并建立净空值趋势分析数据模型，通过处理器分析得出叶片状态以及转速的结论；同时智能控制单元对实时图像信息进行三维点云模型重建，通过处理器与初始捕捉模型进行对比，进行逻辑判定，得出异常状况结论；将图像采集单元获取的数据实时输送至存储模块进行存储，并将智能控制单元分析所得结论通过光纤反馈至主控系统，由主控系统对机组发出安全控制指令，从而保证风力电机组的安全性。

本实用新型将线激光扫描仪与双目摄像机集成为扫描式线激光双目立体摄像机，并与智能控制单元协同作业，达到简化监测设备、模块化、智能化的效果；其次由于集成度高，可以根据实际情况灵活调节扫描式线激光双目立体摄像机的安装数量和安装位置，达到了实用性高、成本低的效果；同时由于智能度高，能够对图像采集单元的信息进行判定分析，得到叶片实时状态的健康判定结论，达到实时监控风力发电机组运转状态的效果，可有效确保机组安全运行并减少发电量损失。