風力發(fā)電機葉片除冰機器人的結構和功能設計

董子興 揭國順 劉俊峰 戴成軍 卿曉梅 石 騰

（1.南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226002；2.河海大學江蘇省風電機組結構工程研究中心，江蘇 南京 211100）

0 引言

由于我國大量風力發(fā)電機分布在北方高寒地區(qū)且大型化趨勢明顯，因此在運行中因冰雪覆蓋而造成的運行故障、設備老化、安全隱患和發(fā)量損失成為亟需解決的問題。在風電場運行階段，覆冰會導致風速和風向出現測量誤差，使風電機組偏航；同時，還會改變葉片翼型和表面粗糙度，影響氣動特性和發(fā)電出力。覆冰可導致葉片質量失衡，使其產生振動和共振；在低溫條件下，潤滑油黏性和潤滑特性的改變可能間接影響機械元件的運轉特性，導致變速箱等元件過熱、加速老化，從而使風機壽命大幅縮短。不僅如此，雪水滲流還可能導致控制系統(tǒng)失靈。當葉片旋轉時，葉片覆冰可被拋射至相當于葉片頂端高度1.5倍的地方，可能造成安全事故。此外，因覆冰而導致的電量損失約占年度發(fā)電量的 5%～25%。

為了解決覆冰問題，國內外研究人員研發(fā)了多種風力機葉片防除冰技術和方法，其中主要包括主動停機、防水防冰涂料、熱空氣技術、電磁脈沖技術、超聲波和低頻振動技術。由于風力機所處環(huán)境復雜且技術尚不成熟，因此除無須進行任何改造或者設備增添的主動停機之外，其他技術均處于理論研究和試驗階段。例如，涂抹防冰劑效果不明顯且需要人工操作，存在較大的安全隱患；停機等待覆冰自行融化耗時長，存在拋冰風險；人工作業(yè)除冰安全風險大。總之，現有技術在能耗、工藝和安全等方面都有各自的缺陷。為了解決上述問題，該文設計了一款風力機葉片除冰機器人，它能夠高效、智能地去除風力機葉片上的積冰，減少停機時間，提高發(fā)電效率，避免人工除冰的安全隱患。

1 整體設計

風力機葉片除冰機器人的設計目標是安全、高效和智能地完成風力機葉片防凍除冰作業(yè)，主要的功能模塊包括移動機組、圖像識別系統(tǒng)、熱風除冰系統(tǒng)、預防系統(tǒng)以及遠程控制系統(tǒng)，設計思路是集各模塊功能于一體，通過建模完成風力機葉片除冰機器人的結構設計（圖1），再根據模型選材、葉片的承載能力，并結合理論計算預測該機器人的相關參數（表1）。

表1 風力機葉片除冰機器人技術指標

圖1 風力機葉片除冰機器人結構圖

2 功能模塊設計

風力機葉片除冰機器人各功能模塊的工作流程如圖2所示。首先，利用真空負壓技術和六足步態(tài)控制機器人使其能在葉片上移動和固定，并利用圖像識別技術精準定位葉片覆冰區(qū)域。其次，通過無線傳輸技術將采集到的冰面信息反饋給控制中心，在接受到作業(yè)指令后，熱風除冰系統(tǒng)產生熱空氣流對結冰區(qū)域進行除冰，電熱元件再將殘留的冰水蒸發(fā)，并用棉毛刷對殘留的冰水進行擦拭處理。最后，從尾部噴灑防冰劑預防二次結冰，從而實現除冰和防凍的功能。

圖2 風力機葉片除冰機器人工作流程圖

2.1 移動機組結構設計

移動機組是由真空發(fā)生器、仿生支腳及漏氣閥組成的，其主要作用是使機器人穩(wěn)定吸附在風力機葉片上并進行移動。其中，仿生支腳以3個為一組，分別安裝在機器人主體兩側。當真空發(fā)生器運行時，機器人支腳與風力機葉片接觸的部位形成了一個接近真空的區(qū)域，使其吸附在風力機葉片上，支腳底部有一個圓形吸盤，外殼在與支腳的銜接處留有空隙進行疏風，使機器人能夠在積冰的葉片上進行移動作業(yè)。支腳設計如圖3所示，每個仿生支腳有5個活動件和7個轉動副。

圖3 風力機葉片除冰機器人支腳設計圖

其中，吸附是根據真空負壓原理，通氣口與真空發(fā)生裝置相連，在真空發(fā)生裝置啟動后，將吸盤內部的空氣抽離，形成了壓力為的真空狀態(tài)。此時，吸盤內部的空氣壓力低于吸盤外部的大氣壓力，即＜，機器人在外部壓力的作用下吸附在風力機葉片表面，如圖4所示。

圖4 真空負壓原理圖

2.2 圖像識別系統(tǒng)設計

圖像識別系統(tǒng)由攝像儀和光學式結冰傳感器構成，其采用邊緣檢測算法和顯著物識別算法構建圖像的葉片結冰區(qū)域檢測系統(tǒng)；通過攝像頭對風力機葉片進行實時檢測，一旦發(fā)現葉片出現結冰現象，就可以啟動相應的除冰設備。基于機器視覺的風力機葉片結冰圖像識別是一種直接測量風力機葉片結冰的成像模式。根據圖像數據檢測風力機葉片的結冰情況，不僅能夠直觀地判斷是否結冰，而且還能估算結冰的具體區(qū)域。通過結合改進的Canny算法和HED顯著物檢測算法讓攝像頭對風力機葉片進行檢測，配合結冰傳感器精準確定結冰區(qū)域，并對結冰區(qū)域進行數據采集。球體外形的攝像儀設于機器人頂部（便于獲取視野），以更好地對冰面進行分析。光學式結冰傳感器如圖5所示。

圖5 光學式結冰傳感器原理圖

改進的Canny算法邊緣檢測采用高斯函數構成濾波器對圖像進行平滑濾波。Canny算子檢測邊緣的實質是通過求信號函數的極大值來判定圖像邊緣像素點。為了提取邊緣像素，先通過Canny算子計算統(tǒng)計平均值，使圖像像素的高斯分布趨于平衡。再對圖像濾波窗口5×5的區(qū)域進行采樣，計算該區(qū)域的均值，并與所有像素點進行比較。采用定義域（，）對圖像進行平滑濾波，函數如公式（1）所示。

式中：（，）為對圖像進行平滑濾波的定義域；、為像素點；為高斯核半徑，=（-1）/2；為高斯濾波窗口的大小；為標準率。

2.3 熱風除冰系統(tǒng)系統(tǒng)設計

熱風除冰系統(tǒng)采用熱空氣除冰法，該系統(tǒng)由導熱驅動、電熱元件、溫度傳感器以及導流管組成。在積冰區(qū)，由結冰傳感器發(fā)出信號指令，啟動導熱驅動和電熱元件進行風熱除冰，導流管的作用是防止熱量流失，使熱控熱流穩(wěn)定地輸出，同時防止冰水濺入機器人內部。其特征是由機器人主體延伸出1個支臂，電熱元件在支臂內部啟動，驅動電機啟動并帶動驅動風扇，通過電熱元件使風扇轉動產生的風被加熱（形成熱風），再由溫度傳感器控制溫度對積冰進行融化去除。熱風除冰系統(tǒng)工作原理如圖6所示。

圖6 熱風除冰系統(tǒng)運作流程圖

2.4 預防系統(tǒng)設計

預防系統(tǒng)是基于上述熱風除冰系統(tǒng)產生的熱風對冰水進行初步蒸發(fā)處理，再由機器人中部的海綿刷進行再處理，最后由機器人尾部的儲液箱進行防冰劑的噴灑預防二次結冰。其特征在于主要由中部的海綿刷和尾部的水罐總成2個部分組成，在海綿刷吸收冰水后，由移動機組配合尾部裝有防冰劑的圓柱體液箱總成進行移動噴灑防冰劑。預防系統(tǒng)工作流程如圖7所示。

圖7 預防系統(tǒng)工作流程圖

2.5 遠程控制模塊設計

該系統(tǒng)由Wi-Fi模塊+App和主控芯片組成，在移動端或CP端發(fā)出信號后，Wi-Fi模塊接收電平信號，然后通過Wi-Fi模塊與主控芯片進行串口通信。主控芯片根據接收到的指令分別輸出高、低電平信號控制各模塊，從而實現遠程控制的功能。對反饋電壓來說，主控芯片將其與芯片ROM內的基準電壓進行比較，并對各個系統(tǒng)的需求進行處理和控制。利用傳感器檢測機器人的信號變化進行實時通信，傳感器采集信號后將其發(fā)送到主控芯片，信號經過模數轉換由Wi-Fi模塊通信發(fā)出數據，主控芯片通過顯示器顯示接收到的數據，以檢測加熱溫度的變化。

3 結構分析

3.1 支腳設計分析

如圖8所示，從開始轉動一周，在、處分別為最小角α、最大角，BC桿的位置、分別為其左、右極限位置，兩極限位置間得夾角為。當搖桿自至工作行程時，其平均速度如公式（2）所示。

圖8 仿生支腳運動簡圖

式中：為至的平均速度；為點到點的距離；為搖桿自至的時間。

自擺回是其空回行程，平均速度如公式（3）所示。

式中：為至的平均速度；為點到點的距離；為搖桿自至的時間。

其中，=。由公式（3）計算機器人支腳尺寸參數（表2）。計算結果表明，風力機葉片除冰機器人不具有急回運動特性。

表2 仿生支腳尺寸參數

3.2 六足步態(tài)設計分析

由于風力機所處的環(huán)境、風速等因素對機器有一定的影響，因此多足仿生機器人陸地行走步態(tài)一直是科研領域研究的熱點。通過研究發(fā)現，可將多足機器人的步態(tài)分為三足步態(tài)、四足步態(tài)及六足步態(tài)。該設計采用的是多足機器人足態(tài)中較為常見的典型步態(tài)——三足步態(tài)。將機器人6條支腳分為2組，一組為機器人左側中間支腳及右側兩外側支腳構成的右三角，另一組為機器人右側中間支腳及左側兩外側支腳構成的左三角。機器人在行走時，2組腿交替觸地支撐，左三角由支撐相進入擺動相的同時，右三角從擺動相進入支撐相，在任意時刻都有3條支腳支撐多足機器人，使多足機器人可以穩(wěn)定行走。其中，步態(tài)是指足式仿生機器人支腳按照一定順序和軌跡進行運動，用相位和占空比及足相來表示機器人主體的位置關系。根據支腳的不同狀態(tài)，每條支腳在1個周期內可分為擺動相和支撐相2個階段，通過相位和占空比規(guī)劃各支腳的邁腿相序和支撐時間，以實現多足機器人有序行進的功能。步態(tài)時序如圖9所示。

圖9 風力機葉片除冰機器人支腳步態(tài)圖

當多足仿生機器人以一種特定步態(tài)沿直線行進時，其各桿間的轉動方向不需要主動驅動，也不需要被動承受外扭矩作用，因此由力矩平衡和力平衡的條件為支腳各桿間的扭矩與各支腳足底接觸力沿與行進方向相反卡力的分力都為0。

3.2 葉片結構影響分析

風力機在運行過程中主要受氣動載荷、重力載荷及離心力載荷的影響。根據機器人的主要參數（表1）并考慮葉片厚度不一的問題，選取風力機葉片的根部、中部以及前端3個部位進行分析，并設置葉片的受力點和受力面；對葉片的材料進行設置，其參數見表3。用四面體網格對葉片進行劃分，根據網格無關性分析得出其網格數量約為95 906時，應力較為平穩(wěn)且趨于直線，并對葉片與風力機葉片除冰機器人分別施加約束和力。

分別計算葉片根部、中部以及前端3個部位的應力、變形，結果如圖10～圖12所示，與材料的屬性（表3）相比，應變和變形都滿足要求，也為風電機組葉片檢測機器人的重力不會對葉片本身產生影響。

圖10 根部的應力、變形圖

圖12 前端的應力、變形圖

表3 葉片材料屬性

4 結語

首先，該文對風力機葉片除冰機器人的結構和功能進行設計。其次，對除冰功能元件進行選型。最后，對機器人仿生支腳和步態(tài)時序進行分析，通過設計三角步態(tài)優(yōu)化了機器人在高空葉片上作業(yè)時的穩(wěn)定性。通過ANSYS仿真分析證明了風力機葉片除冰機器人的結構設計合理，且主要參數也符合要求，能夠解決風機葉片覆冰問題，為提高風機運行效率、降低除冰安全風險理論提供了參考。

圖11 中部的應力、變形圖