本发明涉及风机检测，具体地，涉及一种通过无人机进行风机高度精确测量方法及系统。
背景技术
风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有叶片、发电机、调向器、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
在风力发电机的长期运行过程中，叶片的表面会呈现出各种损伤，例如叶片保护膜损伤、叶片掉漆、叶片结冰、叶片裂纹以及叶片油污等。
目前，对叶片表面进行损伤检测时，通常采用人工爬上风力发电机进行检测，不仅会花费大量的人力，而且在人工爬上风力发电的进行检测的时候需要高空作业，作业人员的安全具有一定的风险。
因此通过无人机装载摄像头进行风机检测，能够很好的代替人工进行检测。但是无人机装载摄像头进行工作时，采用gps进行定位，但是gps定位存在误差且建模形成无人机的飞行路线时也存在一定的误差。其中，无人机位于轮毂正前侧的目标位置m为无人机进行自动飞行巡检时的起始点，若此点定位错误，将直接导致预规划的飞行巡检路线存在较大误差。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种通过无人机进行风机高度精确测量方法及系统，以实现目标位置m的精确定位。
根据本发明提供的通过无人机进行风机高度精确测量方法，所述风机包括风塔和设置在风塔顶端的叶轮，所述叶轮包括轮毂和三个沿轮毂周向均匀分布的叶片，包括如下步骤：
步骤s1：让无人机位于风机正前方，距离风塔设定距离的点p0位置以预设定路径升空至轮毂前侧；
步骤s2：在所述轮毂前侧通过所述无人机上设置的相机采集轮毂的视频流，并保持所述相机镜头的轴线方向与地平面相平行；
步骤s3：通过一控制界面控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内。
优选地，所述控制界面为用于控制所述无人机的app界面，装载所述app的智能手机或平板电脑无线连接所述无人机上搭载的机载电脑。
优选地，所述预设区域为位于所述控制界面的圆形框；
当所述视频流中的轮毂前侧面与所述圆形框相配合时，在所述控制界面中触发确认按钮确认所述无人机的目标位置m。
优选地，还包括如下步骤：
步骤n1：控制无人机以目标位置m的高度绕风机飞行，当无人机在飞行过程中，通过相机采集所述叶轮的视频流；
步骤n2：对所述叶轮的视频流中的叶片进行检测，当检测到风机的三个叶片时，对三个叶片进行实时跟踪，并实时计算三个叶片的相对位置及重叠度；
步骤n3：当检测到两个叶片完全重叠时，认定此时无人机飞行到风轮平面β上，读取此时位置传感器获取的点p1的位置信息；
步骤n4：根据点p1的位置信息计算与点p1以风塔呈轴对称分别的点p2的第一位置信息；
步骤n5：根据点p1的位置信息、点p2的第一位置信息以及地球质心计算出风轮平面β，进而计算出所述风轮平面的偏航角。
优选地，在步骤s3和步骤s4之间还包括如下步骤：
-让无人机继续飞行，当再次检测到两个叶片完全重叠时，读取此时位置传感器获取的点p2的第二位置信息，通过点p2的第二位置信息对点p2的第一位置信息进行验证。
优选地，所述检测到两个叶片完全重叠时的点p1通过如下方式计算得出：
p1＝p[min(τ)](1-1)
其中，τ为二值图像流ti中目标行数累加值，p为无人机的实时位置，目标行数累加值τ为根据ti(x,y)的值累加生成，根据式(1-2)，当ti(x,y)＝1时累加一次；
当目标行数累加值τ为最小时，确定所述两个叶片完全重叠。
优选地，还包括如下点p1、p2的位置验证步骤：
步骤m1：将点p1的位置信息、p2的第一位置信息转换至地球坐标系(xe,ye,ze)，点p1、p2的位置信息通过gps模块，采用经度、纬度、高度表示，转换计算公式为：
n为纬度b处的卯酉圈曲率半径，e为地球第一偏心率，
步骤m2：验证点p2、p1在地球坐标的下的位置关系，即
步骤m3：计算精确度ratio,判断精确度ratio是否满足98％<ratio<102％；
优选地，所述无人机上搭载位置传感器、相机和机载电脑；
所述位置传感器、所述相机连接所述机载电脑；
所述位置传感器用于实时读取无人机位置信息，相机用于拍摄风机叶片生成风机叶片图像，机载电脑用于无人机位置信息和风机叶片图像的处理。
优选地，所述步骤n5具体为：
-将点p1的位置信息、点p2的第一位置信息转换至地球坐标系，再根据转换至地球坐标系中点p1、点p2及地球质心计算出风轮平面β，进而可得到在地球坐标系中，风轮平面β在地球坐标系(xe,ye,ze)中的方向向量，进一步计算所述方向向量与东北天坐标系中y轴之间形成的偏航角。
本发明提供的通过无人机进行风机高度精确测量系统，用于实现所述的通过无人机进行风机高度精确测量方法，包括：
自动飞行模块，用于控制位于风机正前方的无人机，距离风塔设定距离的点p0位置以预设定路径升空至轮毂前侧；
视频流采集模块，用于在所述轮毂前侧通过所述无人机上设置的相机采集轮毂的视频流，并保持所述相机镜头的轴线方向与地平面相平行；
飞行控制模块，用于通过一控制界面控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明在无人机自动升空飞行至轮毂前侧后，通过控制界面进行微调控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内，实现目标位置m的精确定位，降低了无人机自动飞行巡检时的误差。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中通过无人机进行风机高度精确测量方法的步骤流程图；
图2为本发明中通过控制界面对无人机的位置进行精确调整的示意图；
图3为本发明中通过无人机进行风机偏航角测算的步骤流程图；
图4为本发明中通过无人机进行风机偏航角测算的原理示意图；
图5为本发明中风轮平面β的示意图；
图6为本发明中偏航角示意图；
图7为本发明中通过视觉检测方法计算转角γ的示意图；
图8为本发明中通过无人机进行风机高度精确测量系统的模块示意图。
图中：
100为圆形框；
200为轮毂前侧面；
1为第一平面δ；
2为飞行轨迹曲线s；
3为风轮平面β；
4为直线l；
5为点p1；
6为点p2。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1为本发明中通过无人机进行风机高度精确测量方法的步骤流程图，如图1所示，本发明提供的通过无人机进行风机高度精确测量方法，所述风机包括风塔和设置在风塔顶端的叶轮，所述叶轮包括轮毂和三个沿轮毂周向均匀分布的叶片，包括如下步骤：
步骤s1：让无人机位于风机正前方，距离风塔设定距离的点p0位置以预设定路径升空至轮毂前侧；
步骤s2：在所述轮毂前侧通过所述无人机上设置的相机采集轮毂的视频流，并保持所述相机镜头的轴线方向与地平面相平行；
步骤s3：通过一控制界面控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内。
在本实施例中，所述控制界面为用于控制所述无人机的app界面，装载所述app的智能手机或平板电脑无线连接所述无人机上搭载的机载电脑。三个叶片中任意相邻的两叶片之间的角度为120度。
在本实施例中，通过固态雷达探测到所述风塔，并根据探测到风塔向上飞行至轮毂前侧。所述固态雷达采用北醒ce30-d固态激光雷达。
在本实施例中，所述预设定路径为垂直升空。
图2为本发明中通过控制界面对无人机的位置进行精确调整的示意图，所述预设区域为位于所述控制界面的圆形框；当所述视频流中的轮毂前侧面与所述圆形框相配合时，在所述控制界面中触发确认按钮确认所述无人机的目标位置m。
在本实施例中，具体为，通过方向键调整视频流中的轮毂前侧面的位置，并将通过放大键和缩小键调整所述轮毂前侧面的大小，使得轮毂前侧面与所述圆形框相切，即能够实现轮毂前侧面与所述圆形框相配合。
在本实施例中，本发明在无人机自动升空飞行至轮毂前侧后，通过控制界面进行微调控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内，实现目标位置m的精确定位，降低了无人机自动飞行巡检时的误差。
图3为本发明中通过无人机进行风机偏航角测算的步骤流程图，如图3所示，包括如下步骤：
步骤n1：控制无人机以目标位置m的高度绕风机飞行，当无人机在飞行过程中，通过相机采集所述叶轮的视频流；
步骤n2：对所述视频流中的叶片进行检测，当检测到风机的三个叶片时，对三个叶片进行实时跟踪，并实时计算三个叶片的相对位置及重叠度；
步骤n3：当检测到两个叶片完全重叠时，认定此时无人机飞行到风轮平面β上，读取此时位置传感器获取的点p1的位置信息；
步骤n4：根据点p1的位置信息计算与点p1以风塔呈轴对称分别的点p2的第一位置信息；
步骤n5：根据点p1的位置信息、点p2的第一位置信息以及地球质心计算出风轮平面β，8在地球坐标系(xe,ye,ze)中的方向向量，进一步的计算所述方向向量与东北天坐标系(enu)中y轴之间形成的偏航角。
在本实施例中，在步骤n3和步骤n4之间还包括如下步骤：
-让无人机继续飞行，当再次检测到两个叶片完全重叠时，读取此时位置传感器获取的点p2的第二位置信息，通过点p2的第二位置信息对点p2的第一位置信息进行验证，从而提高了算法的效率。
所述无人机上搭载位置传感器、相机和机载电脑；所述位置传感器、所述相机连接所述机载电脑；
当所述无人机绕风机飞行时，所述位置传感器用于实时读取无人机位置信息，相机用于拍摄风机叶片生成风机叶片图像，机载电脑用于无人机位置信息和风机叶片图像的处理。
根据叶片在不同视觉角度呈现不同姿态来精确估计p1，p2，结合地球质点三个不共线的位置点确定风轮平面β，即可求得偏航角a。同理转角的测量是先定位pt，同时读取pt对应图像，应用视觉图像检测出叶片姿态的方位角度。
图4为本发明中通过无人机进行风机偏航角测算的原理示意图，如图2所述，无人机绕风机轮毂飞行一周形成第一平面δ和飞行轨迹曲线s，如图1所示，第一平面δ与风轮平面β相交于直线l；直线l与飞行轨迹曲线s相交于点p1、p2。
由于点p1、p2在风轮平面β上，因此在确定点p1、p2后配合地球质心便能够确定风轮平面β。
所述无人机在绕风机轮毂飞行时，所述相机采集叶片的视频流，所述位置传感器采集所述视频流对应的位置信息。
由于现在的水平轴大型风力发电机组多采用三叶片形式，根据平面视角遮挡原理，当无人机正好位于点p1或点p2时，会有一个叶片被其他两个叶片遮挡，所述相机检测到风机叶片图像为两个叶片时，进一步的根据点p1、p2的位置特殊性，应用视觉跟踪方法能够将点p1、p2标定出来。
无人机在飞行时实时读取所述相机拍摄到视频流fi，并对图像视频流fi进行预处理生成仅含叶片目标的二值图像流ti。
当无人机接近点p1或点p2时，三叶片中有两叶片接近重叠或者一叶片被部分遮挡，当其重叠率达到最大或者只能检测到两个叶片时，相机检测到二值图像流ti近似为一条斜方向窄带，当无人机位于点p1或p2时，所述窄带的宽度为最小，即二值图像流ti中目标行数累加值τ为最小。
p1＝p[min(τ)](1-1)
其中，τ为二值图像流ti中目标行数累加值，p为无人机的实时位置，p1为感兴趣位置，fi表示相机采集的视频图像流，τ为根据ti(x,y)的值累加生成，根据式(1-2)，当ti(x,y)＝1时累加一次。
因直线l与飞行轨迹曲线s相交于点p1、p2，即点p1、p2相对于轮毂存在对称关系，当先计算出点p1位置，便可计算出点p2大致位置，再借助无人机去验证点p2，从而进一步提高算法的效率。
当进行p0、p1位置验证时包括如下步骤：
步骤m1：将点p0、p1、p2的位置信息转换至地球坐标系(xe,ye,ze)；在本实施例中，所述位置传感器为gps模块，点p0、p1、p2的位置信息通过gps模块，采用经度、纬度、高度表示；
转换计算公式为：
n为纬度b处的卯酉圈曲率半径，e为地球第一偏心率，
步骤m2：验证点p2、p1在地球坐标的下的位置关系，即
步骤m3：计算精确度ratio,判断精确度ratio是否满足98％<ratio<102％；
图5为本发明中风轮平面β的示意图，图6为本发明中偏航角示意图，如图5、6所示，基于点p1、p2以及地球质心计算出风轮平面β，即可得到风机偏航在地球坐标系(xe,ye,ze)中的方向向量，进一步的计算所述方向向量与ye轴的偏航角；
为后续图像识别技术计算出精确的转角，应当在相机位于叶轮正前方时读取叶轮的信息，所以点pt唯一。根据已经确定出的点p0、p1的位置信息，进一步的选择无人机拍摄路径曲线s中pt点，结合点p0的位置信息和风塔高度即可得到pt位置，然后读取pt点位置相机拍摄的图像信息。
图7为本发明中通过视觉检测方法计算转角γ的示意图，如图7所示，本发明提供的通过无人机进行风机高度精确测量方法，其特征在于，还包括如下转角γ的测算步骤：
步骤n1：让无人机位于风机正前方，距离风塔底端设定距离的点p0位置以垂直升空至风塔高度，获取点pt的位置信息；
步骤n2：读取相机于点pt采用的叶轮图像，将所述叶轮图像去除噪声；
步骤n3：对叶轮图像进行边缘检测，检测出目标叶片信息，通过角点检测计算叶尖点坐标，计算三个叶片几何中心点即为风轮中心在图像中的坐标pwindcentre；
步骤n4：连接叶尖点坐标与pwindcentre坐标确定一目标直线，进一步的计算该目标直线的斜率,即可得到该叶片的转角大小。
更为具体的，在本实施例中，先在风塔下记录gps点p0，并已知风塔的高度和叶片的长度；控制无人机飞起，高度为风塔高度，绕风轮中心点距以两倍叶片半径距离飞行；飞行到风机左侧，并计算风机两个叶片重叠率，判定是否位置在风机平面上，根据式(1-1)，得到该点的位置，即为点p1；确定p1点，机载电脑根据位置对称性，得到估计p2点估计位置，无人机飞行到风机右侧平面估计位置后继续飞行，即可获取p2点；通过p1、p2及地球质心求取风机偏航角。读取点p1(lat:40.17208455248887,lon:107.27228840493933)；读取点p2(lat:40.175627519375055,lon:107.27312725768884)；读取pwindcentre(lat:40.17421597362377,lon:107.27278682293934)；由公式1-3将p1、p2、pwindcentre点的经纬度位置信息转换成直角坐标系信息。得到
图8为本发明中通过无人机进行风机高度精确测量系统的模块示意图，如图8所示，本发明提供的通过无人机进行风机高度精确测量系统300，包括：
自动飞行模块301，用于控制位于风机正前方的无人机，距离风塔设定距离的点p0位置以预设定路径升空至轮毂前侧；
视频流采集模块302，用于在所述轮毂前侧通过所述无人机上设置的相机采集轮毂的视频流，并保持所述相机镜头的轴线方向与地平面相平行；
飞行控制模块303，用于通过一控制界面控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内。
在本实施例中，本发明在无人机自动升空飞行至轮毂前侧后，通过控制界面进行微调控制所述无人机进行移动，使得所述视频流中的轮毂前侧面移动至所述控制界面的预设区域内，实现目标位置m的精确定位，降低了无人机自动飞行巡检时的误差。本发明能够通过无人机测算风轮平面的方向向量与东北天坐标系y轴之间形成的偏航角，从而能够根据风向调整风轮转轴，便于提高了风机的发电效率；本发明能够通过无人机测算出风轮平面的偏航角，从而能够便于风机进行建模分析，为实现风机的综合检测提供了便利；本发明中在无人机一次飞行过程中，不仅能够实现偏航角的测量，而且能够实现叶片转角的大小测量，提高了测量效果。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。