CN114061738B - 一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于风力发电机的监测领域，具体涉及一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法，将计算机视觉所用的标定板固定在风机塔筒基础环内壁上，使所述标定板成为所述风机塔筒基础环姿态变化的视觉监测标志；通过实时计算所述标定板的位姿来实现所述风机塔筒基础环振动监测。具体使用一个或多个单目相机对固定于风机塔筒基础环内壁的相同数量的对应标定板进行实时成像和识别，计算出风机塔筒基础环在相机坐标系下的“标定板位移”、“塔筒倾斜角”和“塔筒倾斜方位角”三项监测指标，并根据预设的指标阈值检查这些指标是否异常。本发明使用的设备制造组装成本低、安装部署便捷，且监测精度高，可24小时持续地对塔筒基础环进行振动监测。

Description

一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法

技术领域

本发明属于风力发电机的监测领域，具体涉及一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法。

背景技术

当前风机塔筒基础环倾斜度检测需要施工人员携带专业的光学水准仪、三脚架和塔尺等工具设备，在塔筒底部进行8-16次的光学描点测量，在此过程中需一人将塔尺移动到特定位置，另一人通过瞄准镜读塔尺的刻度并进行记录，这种测量方法单人无法完成。塔筒底部环境复杂，铁质支撑架、电缆线随处可见，因此测量现场不便于完成计算工作。测量完毕之后，测量人员需返回办公场地，在电脑上通过数学模型计算，才能得到最终的检测结果。尤为重要的是，在风机运转过程中，塔基内部不宜有人员作业，否则容易造成安全事故。因此该方法不安全、成本高、效率低，而且记录数据时易产生人为误差。

风机的运行依赖于气候的变化，短时间内的检测结果并不能全面反映风机塔筒全天候的运行工况。因此需要应用可24小时工作的自动监测设备，才能有效捕捉塔筒姿态变化的长周期动态信息，并在出现异常情况下可以及时报警，从而实现对塔筒姿态监测的无人值守。目前业界通常使用的是塔筒倾角传感器设备，这种设备成本较高，安装复杂，尚没有在风电行业中广泛推广。另外，现有提出过使用全景摄像头捕捉标识点的方法，利用视觉测量的方式来实现监测，但从测量精度上尚不能和使用角度传感器的方法匹敌，装配和安装过程也比较复杂。所以需提出更加简便和精确的监测方法，并显著降低设备的成本，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法。

本发明的技术方案如下：一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法，将计算机视觉所用的标定板固定在风机塔筒基础环内壁上，使所述标定板成为所述风机塔筒基础环姿态变化的视觉监测标志；通过实时计算所述标定板的位姿来实现所述风机塔筒基础环振动监测。

即将一个标定板固定在塔筒基础环内壁上，则它的位姿即随风机塔筒基础环位姿而变化；将一个单目相机固定在塔筒地面中心附近，连续拍摄所述标定板，则可连续监测风机塔筒基础环的位姿变化，监测过程包括以下步骤：

S1、相机镜头标定和标定板初始姿态确定。在监测初始时，利用所述单目相机拍摄所述标定板，根据所采集的标定板图像对所述单目相机进行标定，得到所述单目相机的内外部参数和镜头畸变参数，并计算得到所述标定板在相机坐标系下的初始姿态。

S2、实时标定板姿态估计。在监测过程中，利用所述单目相机拍摄当前时刻的所述标定板的当前图像，并计算出所述标定板在相机坐标系下的当前姿态。

S3、估计标定板姿态变化。基于最小二乘法估计所述标定板在相机坐标系下从所述初始位姿到所述实时姿态的刚体变换，得到所述标定板的姿态变化量。

S4、计算塔筒倾斜变化参数。根据所述姿态变化量，计算出塔筒基础环在相机坐标系下的“标定板位移”、“塔筒倾斜角”和“塔筒倾斜方位角”三项监测指标。

S5、塔筒倾斜报警。根据“标定板位移”、“塔筒倾斜角”和“塔筒倾斜方位角”三项监测指标和预先设定的指标报警阈值，在连续监测中识别异常值进行报警。

采用本发明方法的监测设备也可同时使用多个单目相机进行监测。在一个具体实施例中，一个设备包括两个单目相机，在90度夹角方向上同时监测对应的标定板，分别计算出各自的监测指标进行独立监测，以提高监测的稳定性和可靠性。

本发明的有益效果是：本发明方法采用计算机视觉的方案对塔筒振动进行监测，能及时发现异常振动，降低风机倾倒的风险，切实保证风机健康稳定地运行。与传统人工手动测量相比，该方法的监测数据更全面、精度更高、误差更小、自动化程度更高，可长时间持续监测，能极大地提高准确性和效率，能更好地监测塔筒的振动情况。与目前其他的监测方法相比，使用本发明的监测设备对相机成本要求不高，对相机部件组装无精确要求，对安装到塔筒地基中心无精确要求，对标定板的安装无精确要求，因此硬件成本低、组装成本低、安装更便捷，且比同类监测设备的精度更高，可24小时持续地对塔筒基础环进行振动监测。

附图说明

下面对说明书附图的内容进行初步说明：

图1为单目相机和标定板相对塔筒基础环的安装位置示意图；

图2为一种棋盘格标定板的结构示意图；

图3为一种圆形标定板的结构示意图；

图4为本发明监测方法的核心流程图；

图5为标定板在相机坐标系下的姿态示意图；

图6为塔筒内标定板姿态变化示意图。

附图1中，各标号所代表的部件列表如下：

1、风机塔筒基础环，2、标定板，3、单目相机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，单目相机3固定于塔筒地面的中心附近，单目相机3的光轴与水平面大致平行，标定板2固定在风机塔筒基础环1内壁上，并在单目相机3视野中成像。

在本发明中，标定板包括且不限于棋盘格标定板和圆形标定板。

图2展示了在本发明技术方案下可以具体实施的一种棋盘格标定板的结构样式。

图3展示了在本发明技术方案下可以具体实施的一种常见圆形标定板的结构样式。

以下将以棋盘格标定板为例说明本发明所提出的监测方法。

当塔筒姿态变化时，标定板也随之变化，因此标定板的姿态变化也反映了塔筒的姿态变化。为了从标定板的姿态变化解算出塔筒的姿态变化，这里必须做如下的假设：

1）塔筒壁是刚性的，可观测的部分不存在柔性变形；

2）地面是静止不动的，塔筒相对于地面有倾斜或者振动；

3）标定板固定在塔筒壁上，与之一起做刚性运动；

4）忽略标定板平面与塔筒壁曲面之间的间隙；

5）相机在工作时底座调至近似水平，我们观察的是塔筒壁相对于相机坐标系的运动，而不是相对于其他坐标系的运动；

6）相机在标定时，相机坐标系与塔筒坐标系完全重合。

相机在标定时，并不知道塔筒是否绝对倾斜，但可以假设此时塔筒坐标系与相机坐标系重合，未来会与塔筒“绑定”一起做刚体运动。

如图4所示，本发明的监测方法的核心流程如下详细所述：

S1、在监测初始时，利用所述标定板对所述单目相机进行标定，得到单目相机的内外部参数和镜头畸变参数，并确定所述标定板的初始姿态。

不考虑镜头畸变和传感器倾斜，我们使用如下的公式计算从标定板世界坐标系到图像坐标系下的3d-2d投影：

（简单公式）

（详细公式）

其中，

为尺度因子，（

,

）为图像坐标系中的二维点坐标，(

,

,

)为世界坐标系中某点的三维点坐标，(

,

) 为镜头的主光轴点，一般为图像的中心；(

,

)为镜头的焦距，[R|t]为单目相机的外部参数：R为外部旋转矩阵，t为平移向量。

在所述棋盘格标定板上定义棋盘格世界坐标系后，可得到各方格角点的3d世界坐标。所述棋盘格标定板在相机传感器上成像后，可以提取到各方格角点的图像2d坐标，如此可得到3d-2d投影的一组方格角点坐标对。利用这些角点坐标对，可估计出上述公式中的内参矩阵A、外参旋转矩阵R和平移向量t。完整的标定过程还需要考虑镜头的畸变参数。使用常用的相机标定算法，我们可以同时得到镜头的畸变参数和相机的内外部参数。

如图5所示，上述公式中的旋转矩阵R和平移向量t描述了标定板从世界坐标系到相机坐标系的刚体变换（图5中，原点C所在的坐标系代表相机坐标系，原点O所在的坐标系代表世界坐标系），称为标定板在相机坐标系下的“姿态”。在监测初始时，通过标定得到的标定板姿态被称为它的“初始姿态”。

S2、在监测过程中，利用所述单目相机实时拍摄所述标定板，得到实时标定板图像，并基于所述单目相机的内部参数和畸变参数，根据所述实时标定板图像估计出所述标定板在相机坐标系下的实时姿态，即新的旋转矩阵R和平移向量

。

任意给定棋盘格上的一点的世界坐标

（该点齐次坐标

），可以计算出它对应的相机坐标系下的三维坐标

，如下公式所述：

S3、基于最小二乘法估计所述标定板在相机坐标系下从所述初始位姿到所述实时姿态的刚体变换，得到所述标定板的姿态变化量。

记监测初始时的标定板姿态为

和

，记监测实时的标定板姿态为

和

。在上述的6个假设条件下，这两个姿态在相机坐标系下存在刚体变换关系。

记监测初始时的棋盘格角点世界坐标集合为

，则可以根据

和

计算出对应的相机坐标集合

；同理可以计算得到实时棋盘格角点的相机坐标集合

。利用

和

来估计这两个姿态的刚体变换矩阵

和

，列方程组如下：

；

利用线性最小二乘法可从上述方程组中估计出

和

来，它们描述了标定板从初始到实时的姿态变化。由于标定板是固定在塔筒基础环内壁上的，塔筒坐标系又是“绑定”在塔筒上的，

和

也实质描述了塔筒坐标系在相机坐标系下的运动变化。

S4、根据所述标定板的姿态变化量计算出所述塔筒基础环在相机坐标系下的倾斜参数（监测指标）。

对普通用户而言，刚体变换

和

比较晦涩且难以理解，有必要将其化为用户便于理解的几何监测指标。如图6所示，在上述相机坐标系上取一个y方向的单位向量

，对此单位向量施加刚体变换

和

，于是可得到新向量

。

记

为新向量关于相机坐标系y轴的夹角，也即是实时的塔筒坐标系y轴关于相机坐标系y轴的夹角，称为“塔筒倾斜角”；记

为新向量

在相机坐标系x-z平面上的投影向量与相机坐标系x轴的夹角，称为“塔筒倾斜方位角”；记

为标定板在相机坐标系下的运动位移，该位移定义如下：

其中，

为初始姿态下标定板上的第

个角点的相机坐标系下的坐标，

为实时姿态下的标定板上的第

个角点的相机坐标系下的坐标。

如此则得到了容易被用户理解的三个监测指标：塔筒倾斜角

、塔筒倾斜方位角

和标定板位移

。

S5、利用所述位移和倾斜角两个监测指标，设置限制条件来监测塔筒的姿态变化：

1）标定板位移

（例如

）；

2）塔筒倾斜角

（例如

）。

上述两个条件须同时满足，才认为塔筒姿态变化在合理范围内，否则会报警。

图5说明了标定板从世界坐标系到相机坐标系之间的刚体变换过程。所述刚体变换被称为标定板在相机坐标系下的姿态，具体用旋转矩阵R和平移向量

来描述。

图6是塔筒内标定板姿态变化示意图。塔筒坐标系在监测初始时是和相机坐标系重合的，且塔筒坐标系被“绑定”在塔筒上。塔筒姿态发生变化后，塔筒坐标系的原点发生了偏移，且塔筒坐标系的各轴与相机坐标系的各轴产生了夹角，其中塔筒倾斜角被定义为两个坐标系y轴的夹角。此时，标定板也在相机坐标系下产生了运动位移t。

在一个本发明的具体实施例中，经过计量的位移监测精度可以达到0.01~0.03mm，倾角动态监测精度可以达到0.01~0.1°，可以匹敌甚至超越市售的其他类似监测设备，同时具有更加低廉的组装成本和更加便捷的安装部署方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法，其特征在于：将计算机视觉所用的标定板固定在风机塔筒基础环内壁上，使所述标定板成为所述风机塔筒基础环姿态变化的视觉监测标志；通过实时计算所述标定板的位姿来实现所述风机塔筒基础环振动监测；

通过实时计算所述标定板的位姿来实现所述风机塔筒基础环振动监测的具体方法为，

使用单目相机对所述标定板进行连续成像和识别，计算出3d相机坐标系下的“塔筒倾斜角”、“塔筒倾斜方位角”和“标定板位移”三项监测指标，并根据所述三项监测指标对所述风机塔筒基础环进行实时振动监测；

计算出3d相机坐标系下的“塔筒倾斜角”、“塔筒倾斜方位角”和“标定板位移”三项监测指标的具体方法为，

在监测初始时利用标定算法计算出所述标定板的初始姿态；

在监测过程中利用图像识别算法计算出所述标定板的实时姿态；

基于所述标定板的初始姿态以及实时姿态，通过最小二乘法估计出所述标定板的姿态变化，进而计算出3d相机坐标系下的“塔筒倾斜角”、“塔筒倾斜方位角”和“标定板位移”三项监测指标；

其中，在3d相机坐标系上取一个y方向的单位向量

，对单位向量

施加刚体变换

和

，得到新向量

；记

为新向量

关于相机坐标系y轴的夹角，也即是实时的塔筒坐标系y轴关于3d相机坐标 系y轴的夹角，称为“塔筒倾斜角”；记

为新向量

在3d相机坐标系x-z平面上的投影向 量与3d相机坐标系x轴的夹角，称为“塔筒倾斜方位角”；记

为标定板在3d相机坐标系下 的运动位移，该位移定义如下：

；

具体的，

为初始姿态下标定板上的第

个角点的3d相机坐标系下的坐标，

为实 时姿态下的标定板上的第

个角点的3d相机坐标系下的坐标，且

，

和

为刚体变换矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法，其特征在于：对所述“标定板位移”和所述“塔筒倾斜角”两个监测指标设定指标报警阈值，依据所述指标报警阈值在连续监测过程中及时发出越限报警。

3.根据权利要求1或2所述的基于标定板位姿计算的风机塔筒基础环振动监测方法，其特征在于：使用一个或多个单目相机，并使用相同数量的所述标定板，从一个或多个方向同时对所述风机塔筒基础环进行振动监测。

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