用于确定运动结构的移动和振荡的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于监视结构的移动的系统和方法。
【背景技术】
[0002]例如建筑物和大型机器的可动结构可能受环境影响或者由于可动结构自身的运行移动而引发动作或振荡，这可能会使结构损坏或者使运行受阻。为了防止损坏、计划维护或者估计剩余寿命，可以观察并监视这些移动。
[0003]针对风力祸轮机(windturbine(WT))的监视，使用诸如采用压电技术的单轴加速度传感器、应变计、测光系统或激光测量系统等的已知传感器。利用这些手段，可以执行针对经结构传播的声音的简单的位置变化和频率分析，这使得能够检测诸如轴承、齿轮部分或转子叶片等的涡轮机的一部分的可能损坏。
[0004]这里，存在如下的缺点:测量值仅以单轴的方式或者仅针对所选择的测量部位来检测系统移动。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供使得能够有效且安全地监视结构并且针对结构的一部分的维修措施、维护计划和/或剩余寿命估计而提供基础的、用于监视结构的移动的系统和方法。
[0006]该目的是由根据技术方案I的用于监视结构的移动的系统以及根据另一独立权利要求的用于监视结构的移动的方法所解决的。在从属权利要求中说明其它实施例。
[0007]—种用于监视结构的移动的系统，包括:至少一个惯性测量装置，其安装在所述结构以检测在地球固定惯性系统中的转动速率和加速度值。该系统还包括:中央单元，用于利用导航算法，基于所述转动速率和加速度值来确定监视值；以及输出单元，用于输出所述监视值。
[0008]所述结构可以是受外部影响(环境影响)或内部影响(运行行为)而引发动作和/或振荡的任意物体。例如，所述结构可以是诸如多层建筑物或输电塔等的建筑物，或者可以是诸如施工机械或起重机等的机器。此外，所述结构还可以是诸如摩天轮、海上平台或风力涡轮机等的如建筑物那样建造且如机器那样运行的结构。
[0009]—方面，这些结构可能受诸如风、海流、波浪冲击或例如地震期间地球表面的移动等的环境影响而引发动作。另一方面，这些结构还可能受诸如结构的一部分的工作动作、驱动振荡或齿轮振动等的结构自身的运行移动而引发动作。此外，环境影响和结构的内部移动之间可能存在相互作用，这可能引起复杂的动作行为。
[0010]这些移动和振荡可能使结构损坏并且可能引起诸如疲劳裂纹或断裂等的材料疲劳。此外，这些移动和振荡可能影响结构的运行行为并且如此限制应用领域或运行效率。
[0011]此外，结构例如由于老化、磨损、结构损坏、机械损坏或者受环境影响而随时间发生改变也是有可能的。例如，在诸如风力涡轮机等的复杂运动结构中，可能发生转子叶片的结冰或积水。由于应力和材料疲劳，因而材料特性可能发生改变，结构的一部分可能变得更软或者产生裂纹。这种结构的变化反映在结构的动作行为中。例如，振荡或移动的频率或振幅可能发生改变。可以基于惯性测量装置所测量到的转动速率和加速度值来检测这些变化。这使得能够识别出例如维护、保养或运行等的措施的必要性，并且在发生显著损坏之前执行这些措施。
[0012]因此，由于运行安全以及运行效率的原因而需要进行结构移动的监视。
[0013]为了监视移动，可以将一个或多个惯性测量装置安装在结构或者结构的一部分上，这使得能够相对于地球固定惯性系统来检测安装位置上发生的转动速率和加速度值。为此，可以使用具有MEMS(微机电系统)型和/^gFOG頂U(光纤陀螺惯性测量单元)型的惯性传感器(加速度和转动速率传感器)的系统。
[0014]例如可以经由单向或双向通信所用的无线或有线网络，将所检测到的加速度值和转动速率发送至中央单元。
[0015]在中央单元中，基于所测量到的转动速率和加速度值，利用导航算法(例如，利用所测量到的转动速率和加速度的连续积分或求和)，来确定惯性测量装置在空间内的速度和角速度以及朝向和位置。
[0016]为此，可以使用例如从车辆、船舶和/或飞机导航领域得知的典型导航算法，例如，对所检测到的转动速率和加速度进行舒勒补偿(Schuler compensat1n)。
[0017]基于所测量到的转动速率和加速度值以及所计算出的(角)速度、朝向和/或位置，可以检测并监视结构移动。特别地，可以确定存在于测量部位处的移动、振荡和偏斜。
[0018]此外，基于此，可以确定监视值。监视值例如可以包括所测量到的转动速率、所测量到的加速度值、所计算出的(角)速度、朝向和/或位置，或者从以上值所推导出的诸如移动的频率和/或振幅、扭矩和/或偏斜等的其它值。
[0019]可以利用无线或有线通信将监视值发送至输出单元。在最简单的情况下输出单元可以包括用于输出监视值及其演变的显示器，但输出单元还可以包括诸如用于对监视值依赖于时间的演变进行收集和文件记录的数据存储器等的其它组件。可替代地或附加地，输出单元可以包括复杂的警告和报警系统。
[0020]另外，可以以控制回路系统的方式将输出单元与结构的致动器相连接。在这种情况下，根据监视值，可以将诸如致动变量等的控制信息发送至致动器。在监视风力涡轮机的情况下，例如可以根据使得能够确定转子叶片的弯曲的监视值来控制转子叶片的相对朝向以避免转子叶片上的过荷载。
[0021 ]基于监视值以及其它监视信息，可以确定结构的移动和振荡，因而例如可以确定可能的故障、疲劳或损坏。这使得能够例如估计结构及其组件的剩余寿命并且剩余寿命可以用作维护计划的基础。这种估计对于监视难以接近的结构(例如，海上风力涡轮机)以及工作荷载高的机器(大型冲压车间的压力机)而言特别有用，对于这些结构和机器而言各次的维护与高成本相关联。此外，由于定期对连续监视进行文件记录以及立即指出维护的需要，因此有鉴于安全要求，这些特性值是重要的。
[0022]根据实施例，惯性测量装置包括检测轴分别互相线性独立和/或互相正交的三个转动速率传感器、以及检测方向分别互相线性独立和/或互相正交的三个加速度传感器。
[0023]例如，转动速率传感器可以包括互相正交并且与加速度传感器的检测方向相对应的三个检测轴x、y和z。利用转动速率传感器(陀螺仪传感器)，可以计算转动移动，而利用加速度传感器(平移传感器)，可以计算平移移动。因而，可以确定根据六自由度的惯性测量装置的任意移动。
[0024]根据实施例，中央单元被配置为基于所述结构所预定的边界条件来确定和/或校正惯性测量装置的测量误差。
[0025]特别地，从预定惯性位置开始的经典惯性导航会经历由惯性传感器(转动速率和加速度传感器)的可能的误差或测量不精确(例如，零点误差)的积分或求和所引起的朝向或位置误差的持续增加。该增加被称为漂移。
[0026]为了对位置和朝向的漂移由此还有监视值的漂移进行限制或补偿，在导航算法的应用期间可以考虑针对结构呈现稳定的要求和条件。这些条件例如可以以边界条件的形式包含在导航中。因而，导航算法可以得到这些要求和条件的支持。可以基于此来对计算结果的误差或监视值的误差进行估计和/或补偿。
[0027]在最简单的情况下，考虑边界条件可以包括将边界条件(例如，结构的已知地理位置)与计算值(速度、角速度、位置和朝向)进行比较。以此为基础，可以估计惯性测量装置(转动速率和加速度传感器)的误差(例如，零点误差)并且持续改善测量的精度。例如，可以利用导航算法内的卡尔曼滤波器(Kalman filter)来实现考虑多个或复杂的边界条件。
[0028]根据另一实施例，中央单元可以被配置为基于包括以下信息的组中的至少一个信息来确定所述边界条件:所述结构的大致静止的位置；以基于卫星的定位信号为基础所确定出的所述结构的至少一部分的位置;所述结构的至少一部分的移动的自由度的约束;所述结构的至少一部分的倾斜角度；(例如预定的或者根据测量值或计算值可求出的)所述结构的至少一部分和/或所述惯性测量装置的移动的平均值；以及作用在所述结构上的风速、风向、流速、流向和/或波浪冲击方向。
[0029]因而，可以使用所述结构及其配置在环境中的实际条件以及与环境条件有关的任意类型的知识来支持导航算法，或者估计或校正位置或朝向的漂移。
[0030]在经典车辆导航中，这些边界条件并非是已知的，这是由于对于车辆而言这些边界条件原则上是不存在的。在经典车辆导航的背景下，这些边界条件因而不用于误差校正或者漂移的避免。然而，在例如可能被配置为静止的运动结构的监视期间，这些条件可能存在并且可以用于进行误差校正。
[0031]边界条件所改善的误差估计和误差校正使得可以以更高的精度来表示或计算所确定的值，或者可替代地，使得可以使用不那么昂贵但容易漂移的惯性测量装置，这是由于所出现的误差可以被估计并校正。
[0032]特别地，诸如风力涡轮机或海上平台等的建筑物和/或大型系统通常是静止的，即，安装在地球固定惯性系统中的固定位置。对于这些系统，利用边界条件来支持导航算法是可以的。
[0033]对于位置不固定的结构，如果可以使用定位信号来确定结构的位置，则相应的支持也是可以的。例如，可以使用全球导航卫星系统(GNSS)的接收器(例如，GPS接收器、GL0NASS(格洛纳斯)接收器、北斗接收器或Galileo(伽利略)接收器)来接收并评价基于卫星的信号以进行位置确定。可替代地，还可以使用不同的例如