风力发电机叶片除冰机器人的结构和功能设计

董子兴 揭国顺 刘俊峰 戴成军 卿晓梅 石 腾

（1.南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226002；2.河海大学江苏省风电机组结构工程研究中心，江苏 南京 211100）

0 引言

由于我国大量风力发电机分布在北方高寒地区且大型化趋势明显，因此在运行中因冰雪覆盖而造成的运行故障、设备老化、安全隐患和发量损失成为亟需解决的问题。在风电场运行阶段，覆冰会导致风速和风向出现测量误差，使风电机组偏航；同时，还会改变叶片翼型和表面粗糙度，影响气动特性和发电出力。覆冰可导致叶片质量失衡，使其产生振动和共振；在低温条件下，润滑油黏性和润滑特性的改变可能间接影响机械元件的运转特性，导致变速箱等元件过热、加速老化，从而使风机寿命大幅缩短。不仅如此，雪水渗流还可能导致控制系统失灵。当叶片旋转时，叶片覆冰可被抛射至相当于叶片顶端高度1.5倍的地方，可能造成安全事故。此外，因覆冰而导致的电量损失约占年度发电量的 5%～25%。

为了解决覆冰问题，国内外研究人员研发了多种风力机叶片防除冰技术和方法，其中主要包括主动停机、防水防冰涂料、热空气技术、电磁脉冲技术、超声波和低频振动技术。由于风力机所处环境复杂且技术尚不成熟，因此除无须进行任何改造或者设备增添的主动停机之外，其他技术均处于理论研究和试验阶段。例如，涂抹防冰剂效果不明显且需要人工操作，存在较大的安全隐患；停机等待覆冰自行融化耗时长，存在抛冰风险；人工作业除冰安全风险大。总之，现有技术在能耗、工艺和安全等方面都有各自的缺陷。为了解决上述问题，该文设计了一款风力机叶片除冰机器人，它能够高效、智能地去除风力机叶片上的积冰，减少停机时间，提高发电效率，避免人工除冰的安全隐患。

1 整体设计

风力机叶片除冰机器人的设计目标是安全、高效和智能地完成风力机叶片防冻除冰作业，主要的功能模块包括移动机组、图像识别系统、热风除冰系统、预防系统以及远程控制系统，设计思路是集各模块功能于一体，通过建模完成风力机叶片除冰机器人的结构设计（图1），再根据模型选材、叶片的承载能力，并结合理论计算预测该机器人的相关参数（表1）。

表1 风力机叶片除冰机器人技术指标

图1 风力机叶片除冰机器人结构图

2 功能模块设计

风力机叶片除冰机器人各功能模块的工作流程如图2所示。首先，利用真空负压技术和六足步态控制机器人使其能在叶片上移动和固定，并利用图像识别技术精准定位叶片覆冰区域。其次，通过无线传输技术将采集到的冰面信息反馈给控制中心，在接受到作业指令后，热风除冰系统产生热空气流对结冰区域进行除冰，电热元件再将残留的冰水蒸发，并用棉毛刷对残留的冰水进行擦拭处理。最后，从尾部喷洒防冰剂预防二次结冰，从而实现除冰和防冻的功能。

图2 风力机叶片除冰机器人工作流程图

2.1 移动机组结构设计

移动机组是由真空发生器、仿生支脚及漏气阀组成的，其主要作用是使机器人稳定吸附在风力机叶片上并进行移动。其中，仿生支脚以3个为一组，分别安装在机器人主体两侧。当真空发生器运行时，机器人支脚与风力机叶片接触的部位形成了一个接近真空的区域，使其吸附在风力机叶片上，支脚底部有一个圆形吸盘，外壳在与支脚的衔接处留有空隙进行疏风，使机器人能够在积冰的叶片上进行移动作业。支脚设计如图3所示，每个仿生支脚有5个活动件和7个转动副。

图3 风力机叶片除冰机器人支脚设计图

其中，吸附是根据真空负压原理，通气口与真空发生装置相连，在真空发生装置启动后，将吸盘内部的空气抽离，形成了压力为的真空状态。此时，吸盘内部的空气压力低于吸盘外部的大气压力，即＜，机器人在外部压力的作用下吸附在风力机叶片表面，如图4所示。

图4 真空负压原理图

2.2 图像识别系统设计

图像识别系统由摄像仪和光学式结冰传感器构成，其采用边缘检测算法和显著物识别算法构建图像的叶片结冰区域检测系统；通过摄像头对风力机叶片进行实时检测，一旦发现叶片出现结冰现象，就可以启动相应的除冰设备。基于机器视觉的风力机叶片结冰图像识别是一种直接测量风力机叶片结冰的成像模式。根据图像数据检测风力机叶片的结冰情况，不仅能够直观地判断是否结冰，而且还能估算结冰的具体区域。通过结合改进的Canny算法和HED显著物检测算法让摄像头对风力机叶片进行检测，配合结冰传感器精准确定结冰区域，并对结冰区域进行数据采集。球体外形的摄像仪设于机器人顶部（便于获取视野），以更好地对冰面进行分析。光学式结冰传感器如图5所示。

图5 光学式结冰传感器原理图

改进的Canny算法边缘检测采用高斯函数构成滤波器对图像进行平滑滤波。Canny算子检测边缘的实质是通过求信号函数的极大值来判定图像边缘像素点。为了提取边缘像素，先通过Canny算子计算统计平均值，使图像像素的高斯分布趋于平衡。再对图像滤波窗口5×5的区域进行采样，计算该区域的均值，并与所有像素点进行比较。采用定义域（，）对图像进行平滑滤波，函数如公式（1）所示。

式中：（，）为对图像进行平滑滤波的定义域；、为像素点；为高斯核半径，=（-1）/2；为高斯滤波窗口的大小；为标准率。

2.3 热风除冰系统系统设计

热风除冰系统采用热空气除冰法，该系统由导热驱动、电热元件、温度传感器以及导流管组成。在积冰区，由结冰传感器发出信号指令，启动导热驱动和电热元件进行风热除冰，导流管的作用是防止热量流失，使热控热流稳定地输出，同时防止冰水溅入机器人内部。其特征是由机器人主体延伸出1个支臂，电热元件在支臂内部启动，驱动电机启动并带动驱动风扇，通过电热元件使风扇转动产生的风被加热（形成热风），再由温度传感器控制温度对积冰进行融化去除。热风除冰系统工作原理如图6所示。

图6 热风除冰系统运作流程图

2.4 预防系统设计

预防系统是基于上述热风除冰系统产生的热风对冰水进行初步蒸发处理，再由机器人中部的海绵刷进行再处理，最后由机器人尾部的储液箱进行防冰剂的喷洒预防二次结冰。其特征在于主要由中部的海绵刷和尾部的水罐总成2个部分组成，在海绵刷吸收冰水后，由移动机组配合尾部装有防冰剂的圆柱体液箱总成进行移动喷洒防冰剂。预防系统工作流程如图7所示。

图7 预防系统工作流程图

2.5 远程控制模块设计

该系统由Wi-Fi模块+App和主控芯片组成，在移动端或CP端发出信号后，Wi-Fi模块接收电平信号，然后通过Wi-Fi模块与主控芯片进行串口通信。主控芯片根据接收到的指令分别输出高、低电平信号控制各模块，从而实现远程控制的功能。对反馈电压来说，主控芯片将其与芯片ROM内的基准电压进行比较，并对各个系统的需求进行处理和控制。利用传感器检测机器人的信号变化进行实时通信，传感器采集信号后将其发送到主控芯片，信号经过模数转换由Wi-Fi模块通信发出数据，主控芯片通过显示器显示接收到的数据，以检测加热温度的变化。

3 结构分析

3.1 支脚设计分析

如图8所示，从开始转动一周，在、处分别为最小角α、最大角，BC杆的位置、分别为其左、右极限位置，两极限位置间得夹角为。当摇杆自至工作行程时，其平均速度如公式（2）所示。

图8 仿生支脚运动简图

式中：为至的平均速度；为点到点的距离；为摇杆自至的时间。

自摆回是其空回行程，平均速度如公式（3）所示。

式中：为至的平均速度；为点到点的距离；为摇杆自至的时间。

其中，=。由公式（3）计算机器人支脚尺寸参数（表2）。计算结果表明，风力机叶片除冰机器人不具有急回运动特性。

表2 仿生支脚尺寸参数

3.2 六足步态设计分析

由于风力机所处的环境、风速等因素对机器有一定的影响，因此多足仿生机器人陆地行走步态一直是科研领域研究的热点。通过研究发现，可将多足机器人的步态分为三足步态、四足步态及六足步态。该设计采用的是多足机器人足态中较为常见的典型步态——三足步态。将机器人6条支脚分为2组，一组为机器人左侧中间支脚及右侧两外侧支脚构成的右三角，另一组为机器人右侧中间支脚及左侧两外侧支脚构成的左三角。机器人在行走时，2组腿交替触地支撑，左三角由支撑相进入摆动相的同时，右三角从摆动相进入支撑相，在任意时刻都有3条支脚支撑多足机器人，使多足机器人可以稳定行走。其中，步态是指足式仿生机器人支脚按照一定顺序和轨迹进行运动，用相位和占空比及足相来表示机器人主体的位置关系。根据支脚的不同状态，每条支脚在1个周期内可分为摆动相和支撑相2个阶段，通过相位和占空比规划各支脚的迈腿相序和支撑时间，以实现多足机器人有序行进的功能。步态时序如图9所示。

图9 风力机叶片除冰机器人支脚步态图

当多足仿生机器人以一种特定步态沿直线行进时，其各杆间的转动方向不需要主动驱动，也不需要被动承受外扭矩作用，因此由力矩平衡和力平衡的条件为支脚各杆间的扭矩与各支脚足底接触力沿与行进方向相反卡力的分力都为0。

3.2 叶片结构影响分析

风力机在运行过程中主要受气动载荷、重力载荷及离心力载荷的影响。根据机器人的主要参数（表1）并考虑叶片厚度不一的问题，选取风力机叶片的根部、中部以及前端3个部位进行分析，并设置叶片的受力点和受力面；对叶片的材料进行设置，其参数见表3。用四面体网格对叶片进行划分，根据网格无关性分析得出其网格数量约为95 906时，应力较为平稳且趋于直线，并对叶片与风力机叶片除冰机器人分别施加约束和力。

分别计算叶片根部、中部以及前端3个部位的应力、变形，结果如图10～图12所示，与材料的属性（表3）相比，应变和变形都满足要求，也为风电机组叶片检测机器人的重力不会对叶片本身产生影响。

图10 根部的应力、变形图

图12 前端的应力、变形图

表3 叶片材料属性

4 结语

首先，该文对风力机叶片除冰机器人的结构和功能进行设计。其次，对除冰功能元件进行选型。最后，对机器人仿生支脚和步态时序进行分析，通过设计三角步态优化了机器人在高空叶片上作业时的稳定性。通过ANSYS仿真分析证明了风力机叶片除冰机器人的结构设计合理，且主要参数也符合要求，能够解决风机叶片覆冰问题，为提高风机运行效率、降低除冰安全风险理论提供了参考。

图11 中部的应力、变形图