一种无人机雷击测试系统及方法与流程

本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种无人机雷击测试系统及方法。

背景技术：

在现有的风机抗雷击测试系统中，一般会在每台风机的每个待测试叶片内设置接闪器和雷击测试配套装置，从而完成测试。然而，每个叶片均设置接闪器，耗费太多的人力，同时又增加了风机的成本。此外，现有的单叶轮风机的发电效率过低，急需提供一种多叶轮的风机结构，以根据风速做叶轮的选择和调整，同时也不会因为增加了叶轮数量而导致雷击测试成本的快速增加。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种无人机雷击测试系统及方法，用以解决现有技术中抗雷击测试系统成本高昂、风机发电效率低下的问题。

本发明第一方面提供了一种无人机雷击测试系统，包括：

带有接闪装置的无人机、风机、设置在所述无人机和风机外部的控制单元和远程计算机，其中，

所述风机包括待测试叶片，该待测试叶片上设置有底座装置，所述底座装置与设置在所述待测试叶片内部的雷电引下线连接；

所述控制单元包括控制模块和数据采集模块，所述控制模块用于遥控所述无人机将所述接闪装置安装到所述底座装置上，所述数据采集模块的一端与所述雷电引下线连接，另一端与所述远程计算机连接。

另一实施例中，所述接闪装置包括接闪器和接闪器安装装置，所述接闪器的一端与所述无人机连接，所述接闪器的另一端与所述接闪器安装装置的一端连接，所述接闪器安装装置的另一端安装在所述底座装置上。

另一实施例中，所述接闪器安装装置包括一个凸起装置，所述底座装置包括一个凹槽装置，所述凸起装置与所述凹槽装置过盈连接。

另一实施例中，所述接闪装置包括接闪器，所述接闪器的一端与所述无人机连接，所述接闪器的另一端粘贴在所述底座装置上。

另一实施例中，所述底座装置与所述待测试叶片的连接为铆接或螺栓连接或磁力吸引。

另一实施例中，所述雷电引下线从所述待测试叶片的叶根处伸出。

另一实施例中，所述接闪装置和所述底座装置为金属材料制成的。

另一实施例中，所述测试系统还包括接地保护单元，所述数据采集模块包括电阻子模块、电压测试子模块和数据接收子模块，所述电阻子模块的一端与所述雷电引下线连接，所述电阻子模块的另一端与所述接地保护单元连接，所述电压测试子模块与所述电阻子模块并联连接，且所述电压测试子模块与所述数据接收子模块连接，所述数据接收子模块与所述计算机连接。

另一实施例中，所述风机包括一级叶轮、二级叶轮和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴、第二输入轴、第一输出轴和第二输出轴，所述一级叶轮与所述第一输入轴驱动连接，所述二级叶轮与所述第二输入轴驱动连接，所述第一输出轴通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接；

所述一级叶轮与所述二级叶轮同轴连接，所述一级叶轮的叶片长度大于所述二级叶轮的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮位于所述二级叶轮的前方；

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮、齿圈和行星架，所述行星架上设有多个行星轮，所述齿圈设有内齿和外齿，所述行星轮啮合在所述齿圈的内齿和所述太阳轮之间，所述第一输入轴设有驱动齿轮，所述驱动齿轮与所述齿圈的外齿啮合，所述第二输入轴与所述太阳轮的转轴连接，所述行星架的转轴通过中间轴与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴，另一端形成所述第二输出轴；

所述一级叶轮、二级叶轮均包含待测试叶片。

另一实施例中，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮停止发电状态，二级叶轮处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器出去分离状态；

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮和二级叶轮的叶片进行变桨，使一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态；

当风速大于第二阈值时，一级叶轮和二级叶轮均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。

本发明的第二方面还提供了一种上述第一方面的无人机雷击测试系统进行雷击测试的方法，所述方法包括：

将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上；

将雷电导入所述接闪装置中产生电流；

通过所述待测试叶片内部的雷电引下线电流导入数据采集模块；

通过所述数据数据采集模块将所述电流转化为测试数据。

本发明实施例通过将接闪装置安装在无人机上，无人机可以在需要对叶片测试时，将接闪器安装到待测试的叶片的底座装置上，完成叶片的雷击测试。在雷击测试结束后还可以控制无人机将接闪器回收，用于其他叶片的测试，不需要在每个叶片上安装接闪器，降低了成本，提高了测试效率。特别是对发明人研发的双风轮的风机结构效果明显，因为叶轮数量的增加直接导致叶片数量和接闪器数量的增加，本发明的上述技术方案可以极大的节约雷击测试的成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一所提供的无机人雷击测试系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一所提供无机人雷击测试系统中数据采集模块的结构示意图；

图3是实施例二提供的双风轮风力发电机的结构示意图；

图4是实施例二提供的叶轮转速合并机构的原理图；

图5是本发明实施例三所提供的无机人雷击测试方法流程图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

实施例一

本发明实施例给出一种无人机雷击测试系统，请参考图1，其为本发明实施例所提供的无机人雷击测试系统的结构示意图，如图1所示，本发明的无人机雷击测试系统，包括：带有接闪装置110的无人机100、风机、设置在无人机100和待测试叶片200外部的控制单元300和远程计算机400。

其中，风机包括待测试叶片200，所述待测试叶片200上设置有底座装置210，底座装置210与设置在待测试叶片200内部的雷电引下线(图中未示出)连接；控制单元300包括控制模块310和数据采集模块320，控制模块310用于控制无人机100将所述接闪装置110安装到底座装置210上，数据采集模块320的一端与雷电引下线连接，另一端与计算机400连接。其中控制模块310与无人机100的连接是电连接，接闪装置110与无人机100的连接是机械连接。可选地，该雷电引下线从待测试叶片200的叶根处伸出。

接闪装置110和底座装置210金属材料制成的。针对接闪装置110和底座装置210的连接方式，作为本发明实施例的一个可选实施方式，接闪装置110包括接闪器和接闪器安装装置，接闪器的一端与无人机110的机身尾部连接，另一端与接闪器安装装置的一端与连接，接闪器安装装置的另一端通过无人机100安装在底座装置210上。接闪器安装装置包括一个凸起装置，底座装置210包括一个凹槽装置，该凹槽装置可以是u型空腔凹槽、回型空腔凹槽、也可以是半圆形平底凹槽，凸起装置的形状与凹槽的形状相匹配，形成凸起装置与凹槽装置过盈连接，从而保证雷电电流能够顺利从接闪装置110通过雷电引下线导入到数据采集模块320。

作为本发明实施例的另一个可选示例，接闪装置110仅包括接闪器，接闪器的一端与所述无人机100的机身尾部连接，接闪器的另一端通过无人机100粘贴在底座装置210上。需要说明的是，该粘贴可以是以磁力吸引的方式将接闪器与底座装置210连接起来，也可以是预先在接闪器另一端旋涂有粘性的材料，本发明在此不做限制。

接闪器由下列各形式之一或任意组合而成：独立避雷针、避雷带、避雷网。无人机100可以一次携带一个接闪器也可以携带多个。当安装的接闪器为避雷针形式的时候，安装一个即可，如果是避雷带的时候，无人机100携带多个接闪器，在待测试叶片200表面按照一定的摆放规则，间隔开设置。

可选地，底座装置210与待测试叶片200的连接方式包括但不限于铆接、螺栓连接、磁力吸引。

可选地，所述测试系统还包括接地保护单元500，如图3所示，为数据采集模块320的结构示意图，数据采集模块320包括电阻子模块321、电压测试子模块322和数据接收子模块323，电阻子模块321的一端与雷电引下线连接，另一端与接地保护单元500连接，电压测试子模块322具有电压转化能力、与电阻子模块321并联连接，同时，电压测试子模块322与数据接收子模块323连接，数据接收子模块323再与计算机400连接，通过计算机400实现对雷击信号的观察和评估。

进一步地，在无人机100机身尾部还包括一个推动装置，并与接闪装置110和控制模块310连接。推动装置具体的可以是一个机械手，机械手可以通过两节机械臂与机身尾部连接，该机械臂在无人机100上通过滑轨与机身尾部滑动连接，机械手与机械臂转动连接，保证机械手可以控制接闪装置沿三个维度运动，并且远离机身，向待测试叶片200方向运动。

使用无人机100的流程包括：控制模块310控制无人机100飞行至待测试叶片200上的待安装接闪装置的底座位置210；控制模块310控制推动装置推动接闪装置110远离无人机100，并安装在底座位置210；安装完成后，松开接闪装置110，控制模块310控制无人机100飞离待测试叶片200。

本发明实施例通过将接闪装置安装在无人机上，无人机可以在需要对叶片测试时，将接闪器安装到待测试的叶片的底座装置上，完成叶片的雷击测试。在雷击测试结束后还可以控制无人机将接闪器回收，用于其他叶片的测试，不需要在每个叶片上安装接闪器，降低了成本，提高了测试效率。

实施例二

图3为本实施例提供的双风轮风力发电机的结构示意图，图4为本实施例提供的叶轮转速合并机构的原理图。本实施例提供的双风轮风力发电机的方案极大的提高了风能利用率，但叶轮数量的增加也导致了接闪器数量的增加，提高了雷击测试的成本。本实施例通过配合使用实施例一中的雷电测试无人机，大大减少了接闪器的数量，降低了双风轮风力发电机的雷击测试成本。

目前，提高风力发电机的发电功率的常用方法，通常是增大叶轮直径，从而增大叶轮的迎风面积，提高叶轮驱动力，从而提高发电功率。但是，叶轮直径增大后，为了保障风机的安全性，叶轮转速通常较小，在25转/分钟以内，气流很容易从相邻的叶片之间穿过，造成风能浪费。

为了有效利用风能，提高发电功率，同时降低雷击测试成本，本实施例提供了下述风力发电机，包括：一级叶轮1、二级叶轮2和叶轮转速合并机构；所述叶轮转速合并机构具有第一输入轴31、第二输入轴32、第一输出轴41和第二输出轴42，所述一级叶轮1与所述第一输入轴31驱动连接，所述二级叶轮2与所述第二输入轴32驱动连接，所述第一输出轴41通过第一离合器与第一发电机的输入轴驱动连接，所述第二输出轴42通过第二离合器与所述第二发电机的输入轴驱动连接。

所述一级叶轮1与所述二级叶轮2同轴连接，所述一级叶轮1的叶片长度大于所述二级叶轮2的叶片长度，且工作时的旋转方向相反，所述一级叶轮1位于所述二级叶轮2的前方。

工作时，气流先通过一级叶轮1，再通过二级叶轮2，二级叶轮2的直径小于一级叶轮1，因此，二级叶轮2工作所需的最低风速也小于一级叶轮1。为了增加机头工作时的稳定性，一级叶轮1与二级叶轮2的转动方向相反，从而抵消扭矩。

其中，叶轮转速合并机构能够将一级叶轮1和二级叶轮2的转速合并，从而获得更大的输出转速，驱动发电机工作，从而有效利用剩余风能，提高发电效率。

所述叶轮转速合并机构包括同轴设置的太阳轮51、齿圈52和行星架53，所述行星架53上设有多个行星轮54，所述齿圈52设有内齿和外齿，所述行星轮54啮合在所述齿圈52的内齿和所述太阳轮51之间，所述第一输入轴31设有驱动齿轮55，所述驱动齿轮55与所述齿圈52的外齿啮合，所述第二输入轴32与所述太阳轮51的转轴连接，所述行星架53的转轴通过中间轴6与输出轴驱动连接，所述输出轴的一端形成所述第一输出轴41，另一端形成所述第二输出轴42。

例如，太阳轮51的转速为n1，齿圈52的转速为n2，行星架53的转速为n3，齿圈52内齿和太阳轮51的齿数比值为a，n3＝(n1+a*n2)/(1+a)。从而实现转速和力矩的叠加。

在一个示例中，一级叶轮的叶片长度75m，二级叶轮的叶片长度35m。在一个发电机工作的情况下，且当仅有一级叶轮工作时，风机的启动风速4m/s，额定风速15m/s，安全风速25m/s，额定功率3mw，当仅有二级叶轮工作时，风机的启动风速3m/s，额定风速10m/s，安全风速25m/s，额定功率1.5mw。

由于低风速工作中，第一叶轮工作中的能量损耗较大，且功率低，为了使该风力发电机能够适应较大范围的风速，有效利用风资源，上述风力发电机的控制中涉及两个阈值，第一阈值为6m/s，第二阈值为10m/s。

具体控制方法如下：获得风速，当风速小于第一阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1停止发电状态，二级叶轮2处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而在低风速时启动风机进行发电，并减小风机发电过程中的内耗，提高发电效率。

当风速不小于第一阈值且不大于第二阈值时，对一级叶轮1和二级叶轮2的叶片进行变桨，使一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器处于啮合状态，第二离合器处于分离状态。从而通过第一叶轮进行高功率发电，并通过第二叶轮有效利用剩余风能。在该模式下，风机的最大功率能够达到4mw。

当风速大于第二阈值时，一级叶轮1和二级叶轮2均处于旋转发电状态，第一离合器和第二离合器均处于啮合状态。风速较大超过单台发电机所需的额定风速10m/s时，利用两台发电机同时发电，可达到最大发电功率为8mw，能够有效利用风能，提高发电功率，且不会增加叶轮的直径，避免叶片太长，增加制造、运输、和安装维护成本。

由于一级叶轮1的直径较大，当风力小于第一阈值时无法驱动一级叶轮1转动，因此调节一级叶轮1的桨叶，减小迎风面积，使气流经过一级叶轮1，直接驱动二级叶轮2转动，且为了减小启动风速，第二离合器处于分离状态，仅第一发电机工作。

当风力增大到第一阈值和第二阈值时，第一叶轮也开始转动，并通过第二叶轮有效利用剩余风能，第一叶轮和第二叶轮的转速经叶轮转速合并机构叠加后驱动第一发电机工作。

当风力继续增大到大于第二阈值后，由于叶轮的转速不能无限提升，但驱动力提高，将第二离合器啮合，同时驱动第一发电机和第二发电机发电，提高发电效率。

在一个示例中，由于一台风机有2个叶轮，每个叶片都需要进行雷击测试，如果每个叶片都安装接闪器将大大提高风机整体的成本，因此通过使用实施例一中的雷击测试无人机，仅仅在无人机中设置接闪器，就可以通过一台无人机中的一个接闪器对多个叶片进行测试，大大降低了风机成本。

本实施例所采用的无人机结构以及待测试叶片上的雷击测试装置均与实施例一相同，为控制说明书的篇幅，在此不再赘述。

实施例三

本发明实施例提供了一种无人机雷击测试方法，请参考图5，其为本发明实施例所提供的无机人雷击测试方法流程图，本方法通过实施例一、二所提供的系统实现，该步骤具体可以包括：

s201，将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上。

具体地，控制模块控制无人机飞行至待测试叶片上，并控制无人机上的推动装置推动接闪装置远离无人机，并安装在待测试叶片上，安装完成后，无人机松开接闪装置，飞离待测试叶片。

可选地，待测试叶片包括底座装置，接闪装置包括接闪器和接闪器安装装置，所述将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上包括：通过所述接闪器安装装置将所述接闪器安装到所述底座装置上。即控制模块控制无人机飞行至待测试叶片的底座装置上，并控制无人机上的推动装置推动接闪器和接闪安装装置远离无人机，并将接闪装置中的接闪安装装置安装在底座装置上。

可选地，待测试叶片包括底座装置，接闪装置仅包括接闪器，所述将无人机上的接闪装置安装到待测试叶片上包括：直接将所述接闪器安装到所述底座装置上。

s202，将雷电导入所述接闪装置中产生电流；

具体地，可以通过自然引雷或人工引雷的方式，将雷电引入到安装在待测试叶片上的接闪装置中并产生电流。

s203，通过所述待测试叶片内部的雷电引下线电流导入数据采集模块；

s204，通过所述数据数据采集模块将所述电流转化为测试数据。

具体地，步骤s202中产生的电流通过待测试叶片内部的雷电引下线导入到数据采集模块中的电阻子模块中，并通过接地保护单元引入底下。此时，该电流在电阻子模块中转化为电压，电压测试子模块可以测量出电压数据并传输到数据接收子模块。通过和数据接收子模块连接的计算机对该电压数据进行记录分析，由此完成对雷击电流的测试和评估。

本发明实施例通过将接闪装置安装在无人机上，无人机可以在需要对叶片测试时，将接闪器安装到待测试的叶片的底座装置上，完成叶片的雷击测试。在雷击测试结束后还可以控制无人机将接闪器回收，用于其他叶片的测试，不需要在每个叶片上安装接闪器，降低了成本，提高了测试效率。

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