一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统技术方案

本发明专利技术公开了一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统，属于风力发电装置技术领域。对于现在的发明专利技术和技术无法解决风机复杂多变、不可预测的抖动的问题：由于相机和移动机器人视觉系统的抖动情况相对较为简单，现有的针对相机和移动机器人视觉系统的防抖装置只能满足解决这种简单的抖动问题。本发明专利技术采用多传感器融合技术和多路电机协同控制，能够实时检测传回发生抖动的方向和距离，通过计算得到补偿校正的最优路径，而且本发明专利技术并没有采用传统的PID控制算法，而是采用无模型自适应控制算法实现对多路电机的协同控制，以实现实时检测、精确控制、迅速校正、视频防抖的目的。

Two way camera anti shake system of nacelle of wind-driven generator

The invention discloses a two - way camera anti shake system of a wind turbine generator room, belonging to the technical field of wind power generation equipment. For invention and technology now can not solve the fan complex and unpredictable jitter problem: jitter due to camera and robot vision system is relatively simple, the existing anti shake device only for the camera and robot vision system must meet the jitter problem of this simple solution. The invention adopts multi sensor fusion technology and multi motor coordinated control, real-time detection to the direction and distance of jitter, the optimal path is obtained through calculation and correction, the invention does not use the traditional PID control algorithm, instead of using the model free adaptive control algorithm to realize the coordinated control of multi motor, to achieve real-time detection, accurate control, rapid correction, video stabilization purposes.

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统
本专利技术公开了一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统，属于风力发电装置

技术介绍
风力发电是一种新兴的清洁能源，目前在我国特别是在中西部地区已经大力发展。但与此同时，风机故障不能及时发现的问题也随之而来。为解决此问题，一种方案就是安装视频监控装置，监视风力发电机机舱内的具体运行情况，实现风力发电机的工况监测，但是，由于风力发电机安装在野外且具有一定的安装高度，风机机舱会产生一定倾角的摆动，且由于各种恶劣环境和天气的影响，这种摆动会呈现出复杂的工况，因此，直接安装摄像机得到的视频画面必然是模糊不清，剧烈抖动的。目前，国内应用于风力发电机机舱的视频监控防抖系统还很少。针对视频抖动的问题，目前已经有一些应用于相机和移动机器人视觉系统的防抖技术，主要有以佳能、松下为代表的光学防抖技术，以奥林巴斯、尼康为代表的电子防抖技术，以及柯尼卡美能达独家的机身防抖技术。光学防抖就是利用安装在镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动，并且将位移信号传递给微处理器进行计算，得出需要的补偿量进行位移补偿，这样就克服了由于相机抖动而产生的影像画面模糊。感光器防抖和光学防抖利用相同的原理，只是感光器防抖是把防抖装置设计在感光器上，利用微处理器的计算抵消感光器的移动量。电子防抖则应用了图像分析的方法，根据抖动，利用边缘的图像进行补偿。这些技术只适用于相机，对于微小的抖动可以起到较好的防抖效果，但并不能用于风力发电机机舱的视频监控系统。经文献检索，专利公告号为101612735，专利号为200910072585，名称为移动机器人视觉系统防抖装置与防抖补偿控制方法。该专利技术包括视觉系统防抖装置和防抖控制系统。视觉系统防抖装置由防抖机构、传感器系统、防抖控制系统构成；防抖控制系统用来实现视觉系统的防抖。该方法的防抖步骤为：抖动参数测量、判断移动机器人视觉系统是否有抖动、计算补偿量、规划补偿轨迹和基于PD反馈和逆动力学计算的抖动补偿控制。相对光学防抖技术和电子防抖技术，该专利技术可以解决移动机器人由于路面不平或移动时引起的振动导致视觉装置抖动成像不清晰的问题，但是由于风力发电机安装环境的特殊性，抖动幅度较大，抖动情况复杂、无规则且无法预测，而且高空中的抖动会因风速、风向的改变而改变，抖动的频率范围较大，因此，现有专利技术不能满足风力发电机机舱视频监控和依据红外图像进行故障分析的要求。综上，现有技术以及专利中提及的防抖技术均不能解决风力发电机机舱视频监控系统复杂、无规则的抖动情况。综合现有的相关防抖专利技术，根据风力发电机的工作环境和工作情况，本专利技术从机械设计到控制算法都采用新的设计思路，以达到适用于风力发电机机舱实际工况，实现风力发电机机舱视频监控的目的。首先，上述提到的现有专利技术，其应用环境是移动机器人视觉系统，抖动幅度相对较小，调节范围也较小，而风力发电机舱的安装具有一定的高度，抖动的状况明显不同，且幅度会被放大。因此，本专利技术另辟蹊径，采用了齿轮齿条传动的调节方法(一般防抖系统常常采用同步轮)，针对本专利技术调节范围大且为了安装稳定，本专利技术采用了双滑轨的滑动方式和类似龙门的机械结构。其次，本专利技术的检测传感器单元不仅应用了振动传感器，同时加入了惯性测量单元和伺服反馈单元，惯性测量单元包括加速度传感器和陀螺仪，分别用来测量运动的加速度和旋转运动的角速度；伺服反馈单元包括四个磁场转角传感器，分别用来测量四个伺服电机的转角，以达到闭环反馈和精确控制的目的。最后，针对传统PID控制算法对电机快速控制效果不理想的问题，本专利技术并没采用传统PID控制算法，而是采用了改进型无模型自适应控制算法(ImprovedModelFreeAdaptiveControl，IMFA)，从而实现了对多路电机快速、精确的控制。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，风力发电在已成为世界可再生能源发电的主流技术之一，在我国目前也正在大力发展。因为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染，是一种很好的发电方式。风力发电机就是将风能转换为机械能的动力机械，又称风车。风力发电机包括机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、发电机、电子控制器、液压系统、冷却元件和塔，其中机舱内包含着风力发电机的关键设备，主要有轴承、齿轮箱和发电机。在环境问题日益突出的今天，风能做为可再生的绿色能源，风力发电已经成为一种新兴的重要发电形式。然而，风机经过长时间的工作运行，必然会产生一些故障和异常情况，目前采用的工作人员定期巡检很多时候并不能及时发现故障，这就会影响风力发电机的稳定性和发电效率。因此，在风力发电机机舱内安装视频监控系统有很大的必要性和实用价值。目前，国内风力发电机机舱内还没有视频监控系统，主要问题是机舱内的剧烈、大幅度的抖动问题。因此，如何让机舱内的摄像头得到平稳、清晰的视频画面是需要解决的首要问题。本专利技术是基于多传感器融合技术、机械传动技术和先进控制理论为基础的风力发电机机舱视频监控防抖系统。主要解决如下问题：1、由于风力发电机要安装在风能资源良好的环境下，就我国西部地区来说，有较丰富的风能资源，但同时恶劣的环境也对风机的工况产生影响。空气密度会降低风力发电的最大功率；大气温度会使风力发电输出功率波动变大；风电机组的覆冰会产生大的温差，易引起发电机绕组表面冷凝；雷暴会引发风力发电机组故障；日照强度强会使风电机组散热变差；风沙会使风电机组加速老化且易引发故障。本专利技术设计了一种适用于风力发电机机舱实际工况，可支持红外和高清双路摄头图像采集的装置，实现风力发电机机舱内运行情况的实时视频监控；2、由于风力发电机具有一定的安装高度，风机本身会产生一定幅度的抖动，再加上各种天气变化的影响，风机的抖动情况会变得更加复杂，因些，直接在风力发电机机舱安装摄像头并不能达到实时视频监控和红外图像故障监测的目的。本专利技术采用多传感器融合技术(包括2路振动传感器、1路惯性测量单元、4路磁场转角传感器)和多路伺服电机构成两路摄头防抖系统，解决风机上视频画面抖动严重的问题；3、本专利技术涉及到多路电机的协调控制，且控制精度有较高的要求，传统PID控制算法在超调量和调节时间上不能同时满足本专利技术的要求，无法达到预期的精度要求。本专利技术采用改进无模型自适应控制算法(ImprovedModelFreeAdaptiveControl，MFA)实现多路电机的控制，解决传统控制算法(PID)控制效果不理想的问题。
技术实现思路
虽然上述已有的各种防抖技术在相应的应用领域得到一定的应用，取得了一定的防抖效果，但是如果要直接应用于风力发电机机舱视频监控防抖系统还存在一些问题。1)无法解决风机大幅度的抖动现有的防抖技术只适用于相机和移动机器人视觉系统，它们的抖动是由拍照者手部的抖动或者是移动机器人行走时的振动引起的，抖动幅度较小，而由于风机的安装高度在80米左右，抖动幅度会大大增加，因此，现有的防抖技术并不适用于风机视频的防抖，不能直接应用在风力发电机机舱视频监控系统中。2)无法解决风机复杂多变、不可预测的抖动由于风机安装的高度较高，风机的抖动会因风速、风向的改变而变化，且抖动情况复杂多变、无规则、不可预测。相对相机和移动机器人的视觉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统，其特征在于：该系统包括双路摄像头防抖装置和防抖控制算法模块两部分，防抖控制算法模块嵌入在双路摄像头防抖装置中；双路摄像头防抖装置由防抖机构、多路检测传感器单元、电机控制机构三个部分组成；防抖机构由固定基座、左右移动单元、前后移动单元、俯仰单元和偏摆单元构成，固定基座为整个防抖装置的固定单元，固定基座安装在风力发电机机舱，前后移动单元、左右移动单元、俯仰单元和偏摆单元都设置在固定基座上；多路检测传感器由第一振动传感器、第二振动传感器、惯性测量单元和四路磁场转角传感器构成，第一振动传感器、第二振动传感器和惯性测量单元都安装在固定基座上，四路磁场转角传感器分别安装在靠近四路电机的位置；防抖电机控制单元由主控制器、电机驱动和饲服反馈单元组成；左右移动单元由左右移动驱动电机、左右移动滑轨a、左右移动滑轨b、左右移动滑块、左右移动传动齿轮、左右移动齿条和左右固定架构成，左右移动滑轨a、左右移动滑轨b平行布置；左右移动驱动电机通过左右移动传动齿轮和运动齿条带动左右固定架在左右移动滑轨a、左右移动滑轨b上做左右移动；前后移动单元安装在左右固定架上；前后移动单元由前后移动驱动电机、前后移动滑轨a、前后移动滑轨b、前后移动滑块、前后移动传动齿轮、前后移动运动齿条和前后固定架构成，前后移动滑轨a、前后移动滑轨b平行布置；前后移动驱动电机通过前后移动传动齿轮和运动齿条带动前后固定架在前后移动滑轨a、前后移动滑轨b上做前后运动，；偏摆单元均安装在前后固定架上；偏摆单元由偏摆驱动电机、偏摆传动齿轮、偏摆固定轴架和偏摆运动轴盘构成；偏摆驱动电机通过传动齿轮带动偏摆运动轴盘相对偏摆固定轴架做偏摆运动；俯仰单元安装在偏摆运动轴盘上；俯仰单元由俯仰驱动电机、俯仰传动齿轮、俯仰传动皮带、俯仰固定支架和俯仰运动支架构成；俯仰驱动电机通过俯仰传动齿轮和传皮带带动俯仰运动支架做俯仰运动；高清摄像头和红外摄像头组成的双路摄像头安装在俯仰运动支架上；多路检测传感器单元是基于多传感器融合技术实现，多路检测传感器单元由两个振动传感器、一个惯性测量单元和四个磁场转角传感器构成，两个振动传感器分别用来检测前后和左右两个方向的抖动偏移，惯性测量单元用来检测抖动的俯仰角和偏摆角以及前后、左右两个方向抖动的加速度信息，四个磁场转角传感器分别用来测量前后移动驱动电机、左右移动驱动电机、俯仰驱动电机和偏摆驱动电机四个电机的转角；防抖电机控制单元包括主控制器、电机驱动和饲服反馈单元组成；主控制器完成抖动信息的处理和控制命令的输出即防抖控制算法输出，由于整个系统安装环境的特殊性，在主控制器前端加入隔离电路和防雷电路，以确保系统安全、可靠的运行；电机驱动完成对前后移动驱动电机、左右移动驱动电机、俯仰驱动电机和偏摆驱动电机的运动控制，通过主控制器的控制，实现对抖动的校正；饲服反馈单元用于检测电机转过的角度，实现对抖动校正的精确控制，本专利技术采用磁场转角传感器检测电机的转角，通过反馈控制实现对电机转角的精确控制，更好的解决风力发电机机舱视频监控系统的抖动；多路检测传感器将采集到的风力发电机机舱抖动信息传输给主控制器进行处理，通过主控制器内的相应控制算法计算得到防抖控制调节指令，输出防抖控制指令给各驱动电机驱动器，各电机带动相应的运转机构对抖动进行校正补偿，从而确保双路摄像头相对地面静止，实现对风力发电机机舱运行情况的实时监控和红外成像画面的准确采集。...

【技术特征摘要】
1.一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统，其特征在于：该系统包括双路摄像头防抖装置和防抖控制算法模块两部分，防抖控制算法模块嵌入在双路摄像头防抖装置中；双路摄像头防抖装置由防抖机构、多路检测传感器单元、电机控制机构三个部分组成；防抖机构由固定基座、左右移动单元、前后移动单元、俯仰单元和偏摆单元构成，固定基座为整个防抖装置的固定单元，固定基座安装在风力发电机机舱，前后移动单元、左右移动单元、俯仰单元和偏摆单元都设置在固定基座上；多路检测传感器由第一振动传感器、第二振动传感器、惯性测量单元和四路磁场转角传感器构成，第一振动传感器、第二振动传感器和惯性测量单元都安装在固定基座上，四路磁场转角传感器分别安装在靠近四路电机的位置；防抖电机控制单元由主控制器、电机驱动和饲服反馈单元组成；左右移动单元由左右移动驱动电机、左右移动滑轨a、左右移动滑轨b、左右移动滑块、左右移动传动齿轮、左右移动齿条和左右固定架构成，左右移动滑轨a、左右移动滑轨b平行布置；左右移动驱动电机通过左右移动传动齿轮和运动齿条带动左右固定架在左右移动滑轨a、左右移动滑轨b上做左右移动；前后移动单元安装在左右固定架上；前后移动单元由前后移动驱动电机、前后移动滑轨a、前后移动滑轨b、前后移动滑块、前后移动传动齿轮、前后移动运动齿条和前后固定架构成，前后移动滑轨a、前后移动滑轨b平行布置；前后移动驱动电机通过前后移动传动齿轮和运动齿条带动前后固定架在前后移动滑轨a、前后移动滑轨b上做前后运动，；偏摆单元均安装在前后固定架上；偏摆单元由偏摆驱动电机、偏摆传动齿轮、偏摆固定轴架和偏摆运动轴盘构成；偏摆驱动电机通过传动齿轮带动偏摆运动轴盘相对偏摆固定轴架做偏摆运动；俯仰单元安装在偏摆运动轴盘上；俯仰单元由俯仰驱动电机、俯仰传动齿轮、俯仰传动皮带、俯仰固定支架和俯仰运动支架构成；俯仰驱动电机通过俯仰传动齿轮和传皮带带动俯仰运动支架做俯仰运动；高清摄像头和红外摄像头组成的双路摄像头安装在俯仰运动支架上；多路检测传感器单元是基于多传感器融合技术实现，多路检测传感器单元由两个振动传感器、一个惯性测量单元和四个磁场转角传感器构成，两个振动传感器分别用来检测前后和左右两个方向的抖动偏移，惯性测量单元用来检测抖动的俯仰角和偏摆角以及前后、左右两个方向抖动的加速度信息，四个磁场转角传感器分别用来测量前后移动驱动电机、左右移动驱动电机、俯仰驱动电机和偏摆驱动电机四个电机的转角；防抖电机控制单元包括主控制器、电机驱动和饲服反馈单元组成；主控制器完成抖动信息的处理和控制命令的输出即防抖控制算法输出，由于整个系统安装环境的特殊性，在主控制器前端加入隔离电路和防雷电路，以确保系统安全、可靠的运行；电机驱动完成对前后移动驱动电机、左右移动驱动电机、俯仰驱动电机和偏摆驱动电机的运动控制，通过主控制器的控制，实现对抖动的校正；饲服反馈单元用于检测电机转过的角度，实现对抖动校正的精确控制，本发明采用磁场转角传感器检测电机的转角，通过反馈控制实现对电机转角的精确控制，更好的解决风力发电机机舱视频监控系统的抖动；多路检测传感器将采集到的风力发电机机舱抖动信息传输给主控制器进行处理，通过主控制器内的相应控制算法计算得到防抖控制调节指令，输出防抖控制指令给各驱动电机驱动器，各电机带动相应的运转机构对抖动进行校正补偿，从而确保双路摄像头相对地面静止，实现对风力发电机机舱运行情况的实时监控和红外成像画面的准确采集。2.根据权利要求1所述的一种风力发电机机舱双路摄像头防抖系统，其特征在于：该系统的实现过程如下，步骤1：由第一振动传感器和第二振动传感器检测得到风力发电机机舱在X轴方向和Y轴方向的抖动数据m1、m2，m1、m2分别表示基座沿X轴和Y轴方向的移动，由惯性测量单元检测得到风机机舱沿X轴方向和Y轴方向的转角θ1、θ2及加速度δ1、δ2，惯性测量单元包括三轴加速度计和陀螺仪模块；θ1、θ2、δ1、δ2分别表示基座沿X轴和Y轴方向的转角和加速度；将检测传感器得到的抖动信息传输给主控制器，经过主控制器的计算判断风机机舱是否发生抖动，如果发生抖动，则进行校正补偿；否则，不进行校正，继续对传感器的检测得到的数据进行计算判断，直到发生抖动；步骤2：如果发生抖动，则计算补偿量，设初始平衡位置矢量为{S1,S2,Φ1,Φ2}，其中S1,S2,Φ1,Φ2分别代表两个摄像头的左右移动矢量、前后移动矢量、俯仰角、偏摆角；由传感器检测到参数(m1、m2、θ1、θ2、δ1、δ2)的情况下，推算出防抖机构当前的位置矢量过渡到抖动补偿位置{S1,S2,Φ1,Φ2}情况下须补偿的补偿矢量增量为则防抖系统各关节补偿后位置矢量为：平衡位置矢量{S1,S2,S3,S4}下，相对于基座的姿态矩阵为Ma＝A1A2A3A4A5A6，其中A1A2A3A4A5A6分别代表平衡位置下由传感器检测得到的两个摄像头的位姿参数，即由(m1,m2,θ1,θ2,δ1,δ2)所构成的矩阵，防抖机构当前位置矢量下，相对于基座的姿态矩阵为M′a＝A′1A′2A′3A′4A′5A′6，其中A′1A′2A′3A′4A′5A′6分别代表当前位置下由传感器检测得到的两个摄像头的位姿参数，即由(m′1,m′2,θ′1,θ′2,δ′1,δ′2)所构成的矩阵，由第一振动传感器、第二振动传感器和惯性测量单元测得的抖动参数(m1,m2,θ1,θ2,δ1,δ2)，经积分和差分运算得到m′1,m′2,θ′1,θ′2，两个摄像头相对于基座的抖动姿态矩阵为MD＝Mov(X,m1)Mov(Y,m2)Ang(X,θ1)Ang(Y,θ2)Acc(X,δ1)Acc(Y,δ2)，其中X代表两个摄像头抖动沿X轴方向的分量，Y代表两个摄像头抖动沿Y轴方向的分量，则根据如下关系式：推算出防抖机构当前的位置矢量{S1,S2,S3,S4}过渡到抖动补偿位置情况下须补偿的补偿矢量增量为

【专利技术属性】
技术研发人员：齐咏生，孟学斌，李永亭，王林，刘利强，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15