三维激光技术在风力发电机塔筒垂直度检测中的应用.pdf

电视技术第47 卷第2 期（总第56 7 期201DOI:10.16280/vide0e.2023.06.051中图分类号：P225.2文献标识码：A201-204.Engineering，2 0 2 3,47（6)ZHAOFF,ZHANGXY.AppIlication of 3D laser technology in verticality detection of wind turbine towerJj.Video文献引用格式：赵飞飞，张显云三维激光技术在风力发电机塔筒垂直度检测中的应用 .电视技术，2 0 2 3，47（6）：2 0 1-2 0 4.ideoEnginneringS监管与检测UPERVISION&TESTING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1,2,3,张显云1（1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳日550 0 2 5；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)摘要：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。为探究三维激光技术在风力发电机塔筒垂直度检测中的可行性，以贵州大学风力发电机为对象，对采集的点云数据进行点云拼接、去噪、切片；采用最小二乘法拟合各截面圆心坐标，根据不同高度截面圆心坐标的偏移量、倾斜度分析风力发电机塔筒垂直度。结果表明，此方法在该项工作中具有可行性，满足工程需要。关键词：三维激光技术；垂直度；最小二乘法；点云Application of 3D Laser Technology in Verticality Detection of Wind Turbine TowerZHAO Feifeil-23,ZHANG Xianyun(1.Mining College,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Surveying and Mapping Data Archives of Guizhou Province,Guiyang 550004,China;3.Guizhou Provincial Satellite Application Center of Natural Resources,Guiyang 550004,China)Abstract:Verticality detection is an important indicator in the daily operation and maintenance of wind turbines,which determinesthe normal operation of the machine.In order to explore the feasibility of 3D laser technology in detecting the verticality of wind turbinetower,taking the wind turbine tower of Guizhou university as the research object,the point cloud data obtained by doing splicing,denoising,and slicing;least square method used to fit the coordinates of the center of each cross-section circle,analyze the verticality ofthe wind turbine tower based on the offset and inclination.The results indicate that this method is feasible and meets engineering needsin this work.Keywords:3D laser technology;verticality;least square method;point cloud0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，验证了基金项目：黔科合重大专项（2 0 2 2 0 0 1）。作者简介：赵飞飞（19 9 5一），男，硕士，助理工程师，研究方向为摄影测量与遥感研究。E-mail：9 12 0 6 6 2 49 q q.c o m。电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）202ideoEngineeringS监管与检测UPERVISION&TESTING监管与检测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RieglVZ-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5mm，扫描速度为每秒30 万点，视角范围0 36 0。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RiScanPRO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人RiScanPRO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。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2去噪后的风机塔筒图3风机塔筒切片结果通过1mm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2 8 46 4。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。电视技术第47 卷第2 期（总第56 7 期）2034技市ideo Engineering监管与检测UPERVISION&TESTING表1各截面点云个数统计序号高度/m点云个数124642432436258481845101516121437149581691918711020571122491224421326371428261530251632171734133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(xiy),(jy),0in,0jn,圆心坐标(a,b)。根据圆上任意一点到圆心距离相等可以得到：(x;-a)+(y;-b)*=(x,-a)+(y,-a)2(1)通过变换可得到二元一次方程：2a(x,-x.)+2b(yj-y)=x?-x,+(2)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：V=Ax-1(3)式中：A为序数矩阵，1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=V?值最小。将式(3)代人其中，aVTV并对x求导使其等于0，得到2VTA=0,aX即ATA=0,得到：X=(AA)AL3.2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D=VAX?+AY2(5)对应的倾斜度为Di=arctan=(6)h式中：h为顶部截面与底部截面的高差值。AhCB4Y图4垂直度计算示意图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高度/mX/mY/mAX/mY/m 偏移量/mm倾斜度！20.46-15.7140.46-15.71-2.101.600.271.9260.46-15.72-3.40-4.000.602.1780.46-15.71-0.902.800.641.53100.46-15.705.4013.601.402.52120.46-15.704.20 2.501.682.42140.47-15.691.704.202.122.55160.47-15.6951.901.802.342.42180.47-15.691.603.302.702.43200.47-15.69-1.10-1.402.532.03220.47-15.692.60-2.802.361.70240.48-15.684.6011.603.612.37260.47-15.68-2.20-1.103.432.05280.49-15.6911.50-4.103.672.03300.49-15.694.00-5.603.571.83320.50-15.698.60-0.604.252.03340.52-15.7024.20-5.006.292.83电视技术第47 卷第6 期（总第57 1期）204编辑：张玉聪ideoEngineeringS监管与检测UPERVISION&TESTING监管与检测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。765wu/一43226810121416182022242628303234截面高度/m(a)偏移量3.02.52.01.51.0F0.5上0.0246810121416182022242628303234截面高度/m(b)倾斜度图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34m时，偏移量到达最大值6.2 9 mm。但截面高度为2 0 m和2 2 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34m时，倾斜度到达最大值2.8 3。当截面高度为8 m和2 2 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RiScanPRO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。参考文献：1牛虎林.风电塔垂直度检测方法研究 .矿山测量，2 0 19，47(3):103-109.2史阳军。三维激光扫描技术在风机塔筒垂直度检测中的应用 J.矿山测量，2 0 19，47（2）：110-115.3 冯腾.基于三维激光扫描的建筑物垂直度监测研究 D.唐山：华北理工大学，2 0 16.4闻亚，施向丰，三维激光扫描技术在中心对称结构古亭垂直度检测中的应用 .江西理工大学学报，2 0 2 1，42（1)：47-51.5王巍，王彬，花春亮，等.电力铁塔倾斜测量方法比较 J电力勘测设计，2 0 18（8）：10-13.6詹庆明，周新刚，肖映辉，等.从激光点云中提取古建筑线性和圆形特征的比较 J.武汉大学学报（信息科学版），2011,36(6):674-677.