基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统及方法

本发明属于海上风电监测，具体涉及一种基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统及方法。

背景技术：

1、风力发电机的塔筒部分，起到支撑风电机组以及吸收风电机组振动能量的作用。在风力发电机使用期间，风机塔筒经常暴露在极端的风环境中，大挠度变形和重复应力循环都会导致塔筒的损坏。作为机组的支撑构件，它的损坏可能导致结构的灾难性破坏。

2、通过对塔筒进行动态响应测量，可获得其振动响应数据，进而可从中提取到塔筒的结构频率、阻尼比和模态振型，这些参数可用于风机塔筒的损伤检测和结构识别。然而，一方面，传统的模态识别技术不能够直接应用于海上风电塔筒的模态识别，原因如下：风机的偏航、旋转对风电的模态识别至关重要。机舱偏航使得机舱坐标系与传感器坐标系耦合，传感器测得的振动（例如加速度）信息并非真实的风机前后、左右方向的振动信息，直接用这些信息识别的模态为两方向的耦合，而非独立模态；叶轮旋转使得塔筒加速度响应中融合了大量的谐波成分，掩盖了结构的真实模态。另一方面，尽管机舱的scada系统记录了偏航、旋转信息，然而scada系统的采样周期通常为10分钟，期间风机可能发生多次大幅偏航或转速变化，无法用于振动数据（采样周期通常为0.02秒或更低）的分析。同时，scada数据通常掌握在风机制造商手中，而振动数据由监测公司掌握，未形成一套统一的振动监测系统，数据之间的交互存在隔阂。

3、公开号为cn112326987a的发明提出一种开基于水下声信号的海上风机非接触式叶轮转速监测方法，其使用水听器实时采集靠近风机处的海上风机营运期水下噪声，并利用随机共振方法提取营运期水下噪声的线谱频率，而后利用该频率反演出风机的叶轮转速。其存在的缺陷在于：（1）需要采用仪器在水下监测，操作困难；（2）由于波浪、水流作业，水下环境噪声严重，并且塔筒高耸，叶轮转动引起的振动经塔筒传播到水下后，信号衰减严重，该技术需要从复杂的信号成分中提取叶轮转动引起的微弱振动信号，而后采用信号分析方法进行频率提取，分析难度大、准确度低、难以实现自动化提取；（3）该方法仅能测试叶轮转速，无法获得机舱偏航信息。

4、公开号为cn110159494a的发明提出一种用于风电风机转速测量和保护的独立模块，其使用状态识别单元和陀螺仪识别叶轮转速。该技术方案是基于机械原理的监测模式，需要将传感器安装于叶轮旋转轴承上。该模块是风机scada系统的子模块，需要并入scada系统中，随整个系统一起安装于风机机舱内部，对传感器本身的性能要求较高。且如上所述，scada系统与安装于塔筒上的振动监测系统相互独立，数据交互性、同步性差，同时该对比技术也无法同时识别机舱偏航信息。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的无法实现振动信号、机舱偏航及叶轮转速信息的一体化精确监测问题，本发明提出一种基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统，包括：高清摄像头，用于对风机叶轮及机舱进行连续拍摄；振动数据采集装置，用于对风机振动进行采集；数据分析系统，包括风机叶轮转速识别模块、机舱偏航位置识别模块以及风机振动响应采集模块，所述风机叶轮转速识别模块包括视频处理模块、转换模块以及计算模块，所述视频处理模块用以将高清摄像头的数据信息进行处理，采用椭圆对其轨迹进行拟合；所述转换模块，将椭圆轨迹变换为正圆，得到存在多个由波谷-波峰构成的数值突变点的斜率曲线；所述计算模块通过峰值点数目及帧数获得叶轮平均转速。

2、进一步地，所述振动数据采集装置包括振动数据采集仪及至少两台双轴振动传感器，各传感器与高清摄像头安装于塔筒表面的同一条竖直线上。

3、进一步地，所述机舱偏航位置识别模块用以识别椭圆短轴与视频画面中轴线的夹角，并作为机舱偏航角。

4、进一步地，所述风机振动响应采集模块包括坐标变换模块、谐波提取模块以及振动响应输出模块，所述坐标变换模块将振动传感器采集到的信号变换到机舱坐标系下，所述谐波提取模块根据平均转速获得叶轮周期域频率，并提取相应转频的谐波成分，所述振动响应输出模块输出塔筒自然载荷下的塔筒振动响应信号。

5、本发明另外提出基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别方法，包括风机叶轮转速识别、机舱偏航位置识别、风机振动响应采集，其特征在于，所述风机叶轮转速识别包括：a1、通过高清摄像头对风机叶轮、机舱进行连续视频拍摄，获得叶片的外轮廓，确定叶尖位置；

6、a2、通过椭圆拟合，得到叶尖的运动轨迹；

7、a3、将椭圆轨迹进行投影，得到正圆轨迹；

8、a4、将正圆圆心与每个正圆轨迹点连成直线，得到直线斜率对应的弧度，以帧数为横轴，弧度为纵轴，绘制斜率曲线，捕捉弧度的峰值点，峰值点的数目记作，最后一个峰值点帧数与第一个峰值点帧数之差记为；

9、a5、计算叶轮平均转速。

10、进一步地，所述机舱偏航位置识别包括：所述步骤a2中，识别椭圆短轴与视频画面中轴线的夹角即为机舱偏航角。

11、进一步地，所述风机振动响应采集包括：

12、b1、将振动传感器采集到的信号变换到机舱坐标系下，即、，分别为振动传感器采集到的平面内两正交方向的信号；

13、b2、根据a5得到的平均转速，计算叶轮1倍、3倍、6倍转频对应的周期域频率，进一步计算对应的拉马努金矩阵、、，将原信号投影到拉马努金矩阵，提取对应于1倍、3倍、6倍转频的谐波成分，，其中；

14、b3、通过，，移除1倍、3倍、6倍谐波成分，得到塔筒在自然载荷下的塔筒振动响应信号、。

15、进一步地，还包括：通过随机子空间方法从信号、中识别风电塔筒的模态参数，所述模态参数包括自然频率、模态振型和阻尼比。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

17、（1）本发明提出的海上风电塔筒模态识别系统仅需在风电塔筒底端或外平台上增加一个高清摄像头，实现风机叶轮转速、机舱偏航的同步监测，突破已有的水下声信号检测技术及陀螺仪技术仅能识别叶轮转速的缺陷；

18、（2）本发明仅需将高清摄像头安装于水上，无需将专用设备安装于水下或风机机舱的scada系统内，具有成本低廉、操作简单的优势；

19、（3）不同于声信号检测技术，本发明基于计算机视觉技术对风机叶轮转速、机舱偏航进行识别，不受水下环境的干扰，识别准确度高。同时，机舱偏航位置以及风机叶轮转速识别过程简单易实施，均可实现自动化，大幅提升了海上监测的效率，克服海上监测施工窗口期短的难题；

20、（4）本发明提出的基于计算机视觉的叶轮转速、机舱偏航识别方法，可方便并入动力监测系统中，实现塔筒振动、叶轮转速、机舱偏航的一体化、实时感知，克服了风机scada系统采样率过低无法用于动力分析的缺陷，实现了塔筒动力监测数据由传感器坐标系向机舱坐标系的解耦，同时有效移除了谐波成分干扰，极大地提升了模态识别的准确性。

技术特征：

1.一种基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统，其特征在于，所述振动数据采集装置包括振动数据采集仪及至少两台双轴振动传感器，各传感器与高清摄像头安装于塔筒表面的同一条竖直线上。

3.根据权利要求1所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统，其特征在于，所述机舱偏航位置识别模块用以识别椭圆短轴与视频画面中轴线的夹角，并作为机舱偏航角。

4.根据权利要求1所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统，其特征在于，所述风机振动响应采集模块包括坐标变换模块、谐波提取模块以及振动响应输出模块，所述坐标变换模块将振动传感器采集到的信号变换到机舱坐标系下，所述谐波提取模块根据平均转速获得叶轮周期域频率，并提取相应转频的谐波成分，所述振动响应输出模块输出塔筒自然载荷下的塔筒振动响应信号。

5.一种权利要求1所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别方法，包括风机叶轮转速识别、机舱偏航位置识别、风机振动响应采集，其特征在于，所述风机叶轮转速识别包括：

6.根据权利要求5所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别方法，其特征在于，所述机舱偏航位置识别包括：所述步骤a2中，识别椭圆短轴与视频画面中轴线的夹角即为机舱偏航角。

7.根据权利要求6所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别方法，其特征在于，所述风机振动响应采集包括：b1、将振动传感器采集到的信号变换到机舱坐标系下，即、，分别为振动传感器采集到的平面内两正交方向的信号；b2、根据a5得到的平均转速，计算叶轮1倍、3倍、6倍转频对应的周期域频率，进一步计算对应的拉马努金矩阵、、，将原信号投影到拉马努金矩阵，提取对应于1倍、3倍、6倍转频的谐波成分，，其中；

8.根据权利要求7所述的基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别方法，其特征在于，还包括：通过随机子空间方法从信号、中识别风电塔筒的模态参数，所述模态参数包括自然频率、模态振型和阻尼比。

技术总结
本发明提出一种基于视觉及振动感知的海上风电塔筒模态识别系统及方法，属于海上风电监测技术领域，所述系统包括：高清摄像头、振动数据采集装置及数据分析系统，所述数据分析系统包括风机叶轮转速识别模块、机舱偏航位置识别模块以及风机振动响应采集模块，所述风机叶轮转速识别模块包括视频处理模块、转换模块以及计算模块。本发明仅需在风电塔筒底端或外平台上（水上部分）增加一个高清摄像头，成本低廉、操作简单、分析准确且能够实现叶轮转速、机舱偏航、塔筒振动的一体化监测。

技术研发人员：徐明强,王树青,赵海旭,彭真,田会元,刘文成,宋宪仓
受保护的技术使用者：中国海洋大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22