掃描儀為中心全景大空間的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)風(fēng)力發(fā)電塔運(yùn)營維護(hù)監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目概述

風(fēng)電場需要定期對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行日常的巡視、檢修和維護(hù)，因?yàn)榈赜蚱h(yuǎn)，設(shè)備分散，對(duì)于出現(xiàn)的各種故障難以做到快速，高效地排風(fēng)能作為一種資源極其豐富的清潔可再生能源，得到越來越多國家的關(guān)注排查解決。盡管風(fēng)力發(fā)電前景廣闊，但其高昂的維護(hù)與檢修費(fèi)用卻導(dǎo)致了總體運(yùn)行成本的居高不下。

風(fēng)力發(fā)電的檢修主要在兩方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和風(fēng)電塔。風(fēng)電塔塔筒屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的長期疲勞荷載或者環(huán)境荷載下，塔筒表面微小凹坑也可能導(dǎo)致塔筒的局部屈曲；另外，作為一類頭重腳輕的高聳結(jié)構(gòu)，長期往復(fù)的循環(huán)荷載患有可能造成地基變松，塔身傾斜，進(jìn)而對(duì)風(fēng)電機(jī)運(yùn)行造成一定的損害。

因此，塔筒的外形檢測(cè)對(duì)風(fēng)電塔安全有重要意義。在少數(shù)涉及風(fēng)電塔外形檢測(cè)的相關(guān)工作中，傳統(tǒng)方法主要采用全站儀進(jìn)行測(cè)量，通常費(fèi)事費(fèi)力，獲取的數(shù)據(jù)比較單一，無法精細(xì)化地對(duì)風(fēng)電塔外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析管理。

由于風(fēng)電塔結(jié)構(gòu)簡單直觀，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)可較好地實(shí)現(xiàn)外形描繪、幾何形狀變化、垂直度檢測(cè)等風(fēng)電塔檢測(cè)項(xiàng)目。通過采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)風(fēng)電塔的外形進(jìn)行掃描，并把測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用于風(fēng)電塔建模，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的幾何變形，并對(duì)其垂直度進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

風(fēng)機(jī)塔筒結(jié)構(gòu)與垂直度檢測(cè)

1. 三維激光掃描儀工作原理：掃描儀內(nèi)置的激光發(fā)射器發(fā)射出激光，通過中心鏡面的反射，使激光投射在物體表面，再由該處反射回掃描儀接收模塊，從而獲得從掃描儀中心到物體表面該點(diǎn)處的數(shù)據(jù)并對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行定位。中心鏡面通過旋轉(zhuǎn)將激光豎直向方向360°均勻射出；與此同時(shí)機(jī)座中心馬達(dá)使機(jī)器主體水平方向360°旋轉(zhuǎn)。通過這樣的過程，獲得以掃描儀為中心全景大空間的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)因其快速、靈活的作業(yè)模式，精確飽滿地獲取的三維空間位置、色彩、影像信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)量對(duì)象的真實(shí)全方位、全細(xì)節(jié)的完整記錄，數(shù)據(jù)可進(jìn)行深加工形成各種實(shí)用精細(xì)的成果，較其它測(cè)量方式具有的*性。

2. 作業(yè)流程：

外業(yè)數(shù)據(jù)采集：首*行現(xiàn)場勘查，由于掃描環(huán)境較為空曠，特征點(diǎn)較少，故需根據(jù)環(huán)境布置標(biāo)靶球。布置完標(biāo)靶球根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置分辨率、質(zhì)量、是否需要色彩、掃描時(shí)間等數(shù)據(jù)，設(shè)置完成后即可點(diǎn)擊開始掃描。

1) 數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理主要為各站的點(diǎn)云拼接，可在FARO 自帶軟件里進(jìn)行全自動(dòng)拼接。

2) 數(shù)據(jù)分析：通過軟件提取不同高度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成斷面，通過比對(duì)不同站生成的斷面可得到不同高度不同時(shí)間發(fā)電機(jī)的偏移量。進(jìn)行塔筒中心軸線擬合，通過點(diǎn)云擬合的中心軸線與設(shè)計(jì)模型（或上一期掃描數(shù)據(jù)）的中心軸線對(duì)比，可以得到偏差值，通過中心軸線的變化，來判斷塔筒變化趨勢(shì)或者規(guī)律，或進(jìn)行其它計(jì)算與分析。

表 1：葉片靜止發(fā)電塔不同時(shí)刻偏移量

表2：葉片轉(zhuǎn)動(dòng)不同時(shí)刻發(fā)電塔偏差量

將發(fā)電塔點(diǎn)云切片導(dǎo)入CAD，根據(jù)切片擬合出切片圓心，連出中軸線。

上圖：切片導(dǎo)入

上圖：軸線擬合

此次掃描一共掃描7站，分別為11、12、13、14、15、16、17期數(shù)據(jù)，其中11、12、13、14為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)，15、16、17為葉片靜止時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分組，11期、14期為一組，12期、13期為一組，15期、16期為一組，16期、17期為一組，將每組數(shù)據(jù)軸線進(jìn)行對(duì)比。

上圖：11 期、14 期軸線對(duì)比a

上圖：11 期、14 期軸線對(duì)比b

上圖：12、13期軸線對(duì)比a

上圖：12、13 期軸線對(duì)比 b

上圖：15、16 期軸線對(duì)比a

上圖：15、16 期軸線對(duì)比 b

上圖：16、17 期軸線對(duì)比a

上圖：16、17 期軸線對(duì)比b

表3：角度偏差

為提高結(jié)果準(zhǔn)確度，角度的計(jì)算采用公式推導(dǎo)得到，在角度足夠小，邊長較長的情況下，求出弧度值后，在根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，將弧度值換算為角度值，即得到表中數(shù)據(jù)。表格中，前兩組數(shù)據(jù)為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不同時(shí)刻的角度偏差，后兩組為葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度偏差，可以看出，整體上來說，角度偏移極小，后兩組數(shù)據(jù)明顯小于前兩組數(shù)據(jù)。