桂林理工大学

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基于无人机飞行平台的风力发电机避雷回路检测装置

申报人：李博 申报日期：2024-12-30

基本情况

2025年批次
基于无人机飞行平台的风力发电机避雷回路检测装置 学生申报
创新训练项目
工学
机械类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
基于无人机飞行平台的风车扇叶避雷回路检测系统是一种具有实际应用意义的避雷机构检测系统，用于风力发电机扇叶维护、检测等需要高空作业的领域，替代复杂、危险的人工作业方式而提高作业效率、保证作业人员的安全和降低维护成本。在风力发电机市场上，基于无人机飞行平台的风车扇叶避雷回路检测系统将更加安全更低的成本以及更安全的作业方式，成为高空作业的主流方式。 针对目前的人工作业方式过于复杂、危险性高、成本高等缺点；在考虑现实条件、使用可靠性、生产成本、后期维护等因素；本文提出一种满足测试高空风力发电机扇叶避雷装置的基于无人机搭载的测试系统；可测试不规则的扇叶测试点位；整机重量低于3kg；可搭载末端执行器的全新构型的无人机载测试系统装置。 本文对所提出的测试系统设计方案进行了详细的计算并对相关的零部件进行选型。完成初期方案制定以及零部件的选型后，使用Creo对机器人进行建模、分析、仿真、装配、调试。最后制造出了一台可达到设计需求的基于无人机飞行平台的风车扇叶避雷回路检测系统装置样机。
无
无
支持
区级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
李博 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 机械机构设置
唐厚乐 机械与控制工程学院 机械电子工程 2023 电子技术调试
李明明 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 项目的论文研究
邓锋 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 机械设计
黄洪熙 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 项目的实践考察

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
孙宝福 机械与控制工程学院 否

立项依据

  近些年来，随着新环保能源的飞速发展， 风能成为重要的能源发展方向，在全球风电发展及中国“双碳”政策背景下，可再生清洁能源发电作为中国未来发展的重点领域和主要布局点，风力发电行业步入快车道，未来发展环境将持续向好。因而风力发电机作为风能的获取装置，需求量也日益增大。据中商情网整理的2019-2024年2月中国风力发电机发电累计装机容量统计可看出，与风力发电相关的产业发展潜力巨大。
我国虽然存在充足的风资源，但我国的地理环境特殊，在风资源充足的地区也多数雷电活动频繁。由林建等人通过我国1970 年到 2006 年所获取的气象数据总结出可我国雷电活动较为频繁的区域，大致以 105°E 和 35°N 划分为 4 个区域，并分别命名为南方区、高原区、北方区、新疆区。其中，高原区的雷暴活动平均每年多达 60 天，在云南等地区更甚。在海上因雷电活动导致风机停机的比例达到 30%，并且其中 75%以上风机停机是因为叶片破损导致。在一项统计中，由雷击造成的风机叶片损伤的主要机型是 1.5MW 和 2MW，造成了极大的停机损失和维修损失。雷电对风力发电设施构成的威胁。
  因此市场对避雷回路检测装置的需求日益增强。基于无人机飞行平台的风车扇叶避雷回路检测系统是一种具有实际应用意义的避雷机构检测系统，用于风力发电机扇叶维护、检测等需要高空作业的领域，替代复杂、危险的人工作业方式而提高作业效率、保证作业人员的安全和降低维护成本。在风力发电机市场上，基于无人机飞行平台的风车扇叶避雷回路检测系统将更加安全更低的成本以及更安全的作业方式，成为高空作业的主流方式。
本设计着重于对研发的风机避雷回路检测装置进行结构优化设计；完成风机避雷回路检测装置动力学仿真；静力学分析；控制系统设计以及完整的风机避雷回路检测装置样机制作。
首先设计检测装置的基本架构，针对应有的功能选择合适的机构与合理的构型，确定应该配备的电子元器件；对检测装置在无人机机载飞行、进行检测作业时的两种情况下的运动状态和受力情况进行分析，通过计算选择标准件和非标板材；建立基于无人机飞行平台的风机避雷回路检测装置的三维模型，同时对该装置进行动力学仿真，通过动力学仿真结果查看结构设计中是否存在干涉等现象；对检测装置的主要受力零件进行有限分析。对风力发电机避雷回路检测装置进行动力学仿真和主要受力零件的有限元分析，确保装置设计合理、工作稳定。主要思路如下：
根据风力发电机避雷回路检测系统装置检测原理和实际条件制定设计方案
由避雷回路检测的原理确定装置各个部分的设计方案，通过设计方案得出该装置包含的各种标准件和电子元件。
使用Creo对测试装置进行结构设计
使用Creo根据上一步计算的参数及方案进行对检测装置进行结构设计以及三维建模，之后对各个部分进行装配。先从整体的结构出发，根据设计要求确定装置机械结构的参数以及构型，在实现设计要求的基础上结合后期的数据分析优化设计，进一步优化机构，提高装置性能指标。
使用Creo对非标板件有限元分析
使用Creo-simulate对重新生产后的非标板件进行有限元分析，验证其是否其能够达到实际的使用需求。
使用Creo计算检测装置重量和调整装置重心
使用Creo对每一个零部件进行材料分配，再使用Creo中的质量分析得出所有零部件的重量，并优化装置重量，使装置重量能够达到设计需求；使用Creo寻找并调整装置重心，保证无人机飞行的稳定性。
本设计着重于对研发的风机避雷回路检测装置进行结构优化设计；完成风机避雷回路检测装置动力学仿真；静力学分析；控制系统设计以及完整的风机避雷回路检测装置样机制作。
首先设计检测装置的基本架构，针对应有的功能选择合适的机构与合理的构型，确定应该配备的电子元器件；对检测装置在无人机机载飞行、进行检测作业时的两种情况下的运动状态和受力情况进行分析，通过计算选择标准件和非标板材；建立基于无人机飞行平台的风机避雷回路检测装置的三维模型，同时对该装置进行动力学仿真，通过动力学仿真结果查看结构设计中是否存在干涉等现象；对检测装置的主要受力零件进行有限分析。对风力发电机避雷回路检测装置进行动力学仿真和主要受力零件的有限元分析，确保装置设计合理、工作稳定。主要思路如下：
根据风力发电机避雷回路检测系统装置检测原理和实际条件制定设计方案
由避雷回路检测的原理确定装置各个部分的设计方案，通过设计方案得出该装置包含的各种标准件和电子元件。
使用Creo对测试装置进行结构设计
使用Creo根据上一步计算的参数及方案进行对检测装置进行结构设计以及三维建模，之后对各个部分进行装配。先从整体的结构出发，根据设计要求确定装置机械结构的参数以及构型，在实现设计要求的基础上结合后期的数据分析优化设计，进一步优化机构，提高装置性能指标。
使用Creo对非标板件有限元分析
使用Creo-simulate对重新生产后的非标板件进行有限元分析，验证其是否其能够达到实际的使用需求。
使用Creo计算检测装置重量和调整装置重心
使用Creo对每一个零部件进行材料分配，再使用Creo中的质量分析得出所有零部件的重量，并优化装置重量，使装置重量能够达到设计需求；使用Creo寻找并调整装置重心，保证无人机飞行的稳定性。
国、内外研究现状和发展动态
国内现状
国内在风力发电机检测系统的研发和应用上，确实以无人机图像处理和风机舱内巡检机器人为主，这两种技术各自具有独特的优势。无人机图像处理技术通过搭载高清摄像头和先进的图像处理算法，能够实现对风力发电机外部结构的全面、高效巡检。无人机可以迅速飞抵风力发电机的各个位置，获取高清的图像数据，并通过图像处理技术自动识别出可能的故障或异常。这种技术大大提高了巡检的效率和准确性，降低了人工巡检的成本和风险。
而风机舱内巡检机器人则能够进入风力发电机的内部空间，对发电机、齿轮箱、变桨系统等关键部件进行详细的检查。这些机器人通常配备有高清摄像头、传感器和执行器等设备，能够实时获取风机内部的图像和数据，并通过智能算法进行故障预测和诊断。与无人机相比，风机舱内巡检机器人能够更加深入地了解风力发电机的运行状态，发现潜在的故障隐患。
中国长江三峡集团有限公司企业科研项目，由李哲等人提出的基于无人机的风机叶片智能巡检及缺陷检测系统，使用大疆 Mobile SDK与 MATLAB 进行联合设计，分割叶片图像缺陷特征，再根据混乱背景利用特征点匹配来识别裂纹和损伤等缺陷，并对缺陷进行分类，从而方便后续输出对叶片质量的分析，实现风力发电机叶片表面缺陷的自动检测功能。其缺点是只能观察到扇叶表面的磨损情况，不能对避雷回路进行检测，如图1-2所示。
南京林业大学丁健强提出的风力发电机舱巡检机器人是能够采用自动或远程操控的方式来完成风机电力巡检任务，系统主控制器芯片采用STM32，设计电机驱动模块、编码器模块、电源转化模块、通信模块、存储等模块完成机器人本体的运动控制，并结合电力载波技术与监控后台通信，
国外现状
国外在避雷回路检测系统方面的研究已经取得了一些显著成果。研究人员已经开发出能够实时监测避雷器运行状态的先进监测系统。这些系统采用高精度传感器和先进的数据处理技术，能够准确测量避雷器的电气参数，如电压、电流、阻抗等，从而实现对避雷器运行状态的实时监控。
故障诊断技术：在避雷回路故障检测方面，国外研究者已经开发出多种有效的故障诊断技术。这些技术包括基于模式识别的故障诊断方法、基于人工智能的故障诊断算法等。这些技术能够准确识别避雷器可能存在的故障类型，如放电故障、击穿故障、老化故障等，并提供相应的维修建议。
在线监测与数据分析：随着智能电网和物联网技术的发展，国外研究者开始将在线监测与数据分析技术应用于避雷回路检测系统中。通过实时收集和分析避雷器的运行数据，系统能够预测避雷器的剩余寿命、评估其性能退化程度，并为运维人员提供及时的维修和更换建议。
雷电预警系统：在雷电预警方面，国外研究者已经建立了广泛的雷电监测网络，并开发了多种雷电预警算法。这些系统能够实时监测大气电场、雷电活动等信息，并预测可能发生的雷电事件。通过与避雷回路检测系统的结合，可以提前采取措施保护电力设备和系统免受雷电侵害。
2012年，美国GE公司研发了一种履带式爬壁检测机器人，如图 1.12所示。机器人采用负压吸附的吸附方式，机器人配备了一组负压吸盘，可以紧密地附着在表面上，提供额外的牵引力和稳定性，使其可以在各种壁面上爬行。这款机器人主要用于大型设备的检测，例如风电塔筒表面、轮船表面等，机器人能够装备各种检测装置，对风电塔筒进行清洗和检查。
目前国外尚未有广泛报道的成熟案例将风力发电机避雷回路检测系统与无人机飞行平台直接结合。然而，这并不排除这种技术组合在未来发展的可能性。当前，风力发电机的维护主要依赖于在线检测和基于攀爬机器人的系统。在线检测系统通过实时监测风力发电机的各种参数，如电压、电流、温度等，来预测和诊断可能的问题。而攀爬机器人则能够直接到达风力发电机的各个部分，进行详细的检查和维修。
1创新点
①避雷回路检测装置的检测原理
风力发电机遭受雷击的主要类型为直击雷，直击雷是带电云层（雷云）与建筑物、其他物体、大地或防雷装置之间发生的迅猛放电现象，并由此伴随而产生的电效应、热效应或机械力等一系列的破坏作用。具体来说，直击雷是指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，主要危害建筑物、建筑物内电子设备和人。其电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏，电流峰值可达几万安培乃至几十万安培，破坏性很强。
直击雷的放电过程中，雷电直接击在受害物上，产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏和人畜造成伤害。例如，雷电冲击电流流过被击物体形成幅值很高的冲击电压波，使电气设备绝缘破坏；冲击电流的电动力作用，使被击物体炸裂；冲击电流使导线等金属物体温度突然升高，以致熔断炸裂。
为了风力发电机及其设备免受直击雷的损害，在风力发电机上安装接闪器，将雷电流接收下来，并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。这时引导雷电流的导线是否能正常的连接至接地装置决定着整个避雷装置能否正常运行。
此外，由感应测电笔的原理可知，测电笔可以判导线中是否存在交流电信号，当导线中有交流电信号时，测电笔会闪烁红灯。
综合上述风力发电机避雷回路和测电笔的原理，可以推出：当风力发电机上的接闪器有交流电流信号输入时，如果风机避雷回路中的引雷导线没有出现断路或异常，那么在风机接地装置处，用感应测电笔检测避雷回路时，观察到测电笔红灯闪烁。
本文设计的避雷回路检测系统装置的基本思路就是由无人机搭载检测装置，检测装置能够产生交流电信号，将交流电信号通过导线导入检测装置的末端执行器的铜质接触面，当无人机悬停在特定位置时，末端执行器开始工作，末端执行器的铜质接触面与接闪器触碰，此时交流电信号从接闪器导入风机避雷回路，在风机接地装置处用测电笔进行接触测试，通过观察得出测电笔是否有红灯闪烁，最终得出测试结果。
②检测系统装置驱动方式的选择
驱动器是实现整个机器运转的基础，需要满足检测装置在工作时牵引力和功率及速度的要求，这是保证正常工作的基础，同时需要综合考虑无人机搭载装置时能够提供发给装置的条件等因素。例如，整机重量、驱动器确保无人机飞行稳定、能源供应条件等。可选择的驱动方式有内燃机驱动，电动驱动以及液压驱动。
选择驱动方式时主要考虑的因素有：
1绿色环保
2稳定性较高
3重量和体积尽量小
4装置后期的保养与维护简便
从上面的四点要求考虑，首先排除内燃机驱动方式 ，由于内燃机驱动会引起剧烈的抖动，使得无人机无法稳定的悬停，会导致装置无法稳定的进行检测工作；液压驱动的虽然有较好的效率，但是因为其重量大、成本高和工艺复杂等原因，不适用与重量较轻的场景。所以选择电动驱动。
③检测系统装置供电方式
在本设计的检测装置是在无人机搭载的情况下进行的作业活动，且作业时有一定的精度和稳定性需求，要求需要稳定的电源进行，所以使用锂电池进行供电是一种比较符合本设计的供电方式，其能够提供稳定电源，提高整机飞行的稳定性。
一 技术路线
①末端执行器的设计要求、结构设计
检测装置进行检测作业时，主要由末端执行器完成与待测面的交互。通过的末端执行器与接闪器铜片、铝片接触以实现将电流信号输入风机避雷回路内。
设计要求：
1对风机避雷回路检测面有较好的自适应能力；
2接触面为导电材质。
②推进机构的设计要求及机构设计
推进机构是避雷回路检测装置完成检测工作的关键部位，其能够在无人机悬停时，将末执行器向特定方向推进，在无人机桨叶不触碰到风机扇叶的情况下，使末端执行器能够与接闪器表面进行接触，从而实现装置功能。
1推进机构设计要求：
2能稳定驱动末端执行器直线运动；
3运动行程≥90mm；
4具有较好的缓冲性能；
5有较好的强度；
6尺寸必须满足能使末端执行器检测接触位置在无人机尺寸之外。
③控制模块设计要求以及结构设计
控制模块的主要功能为控制装置，保证装置有充足电源。其次由于控制模块与无人机最近，推进-执行-平衡机构必须经过控制模块进行过度，才能连接到无人机上。所以控制模块的设计要求为：
1能安装STM32控制板和移动电源；
2能够与无人机进行对接；
3能够与推进-平衡-执行机构对接。
④图片传输模块的设计要求以及结构设计
图片传输系统是为了获取末端执行器工作时的工作情况，便于工作人员操作检测装置。由于末端执行器是需要进行一定的运动，所以当视频模块的摄像头安装位置是不跟随末端执行器进行运动时，由于视角误差，会导致工作人员无法判断末端执行与风机避雷回路测试点的距离。所以图片传输系统的安装位置必须靠近末端执行器且能相对于末端执行器静止。结合图片传输系统的安装要求，得出视频模块结构设计需求：
1摄像头靠近末端执行器；
2在末端执行器直线运动时，摄像头相对于末端执行器相对静止；
3能有预留位置安装视频传输系统的传输模块和电源。
二 拟解决的问题
①齿轮齿条的设计
推进机构中，传动方式的选择需要考虑诸多因素，例如重量、空间利用率以及传动效率等。
②导轨滑块的选择及齿带板件的设计
导轨滑块是一种机械类零件，主要用于支撑和引导机器元件在直线运动中的轨迹。本设计对于导轨滑块组件选择，是根据所受力和力矩、直线移动行程来进行选择。因为不能使滑块过度靠近滑轨边缘，所以在设计导轨长度时，应在导轨两端留有一定余量。
③平衡机构的设计
推进机构最初的设计仅仅采用了舵机带动齿轮，通过齿轮齿带的传动方式使末端执行器进行直线运动，属于无质量配平的推进机构，难以控制平衡。
④减震机构的设计
在设计之初，推进机构的主体部分由单级导轨滑块来实现末端执行器的直线运动 ，但是在设计过程中，考虑到在末端执行器与风机检测表面接触时，会有较大的冲击力。
三 预期成果
1功能完备的无人机飞行器样机
无人机飞行平台能够稳定的飞行并执行命令，系统具有模块化设计，可适应多场景部署
2 平衡机构的稳定运行
平衡机构与推进机构类似，同样是齿轮带动齿带的传动方式，并且推进机构与配平机构共用一个舵机，平衡机构与推进机构的运动轴线平行，达到稳定运行的状态。
3标准化信息反馈
由于末端执行器是需要进行一定的运动，所以当视频模块的摄像头安装位置是不跟随末端执行器进行运动时，由于视角误差，会导致工作人员无法判断末端执行与风机避雷回路测试点的距离，因此图片传输系统的安装位置必须靠近末端执行器且能相对于末端执行器静止，以达到实时准确信息。
4实际场景应用验证
在线下企业等实际场景中验证设备性能，优化作业效率、降低运行成本。
5技术与商业化成果
形成一套可推广的避雷回路检测技术方案，推动项目技术产业化应用。通过上述技术路线和研究目标，项目将为风力发电设备开发提供全新的技术解决方案，助力电力发电行业迈向无人化、智能化的新时代。 
项目总周期：12个月
第一阶段：需求分析与方案设计（第1-2个月）
第二阶段：关键技术开发（第3-9个月）
第三阶段：系统集成与测试（第9-11个月）
第四阶段：成果推广与应用验证（第11-12个月）
1. 科研项目与成果
基于无人机飞行平台的风力发电机避雷回路检测装置，成功开发了一个基于无人机飞行平台样机，具备环境建图、定位、等功能，已通过实验室测试并应用于试点场景
硬件：STM32开发板、按键控制模块、电机驱动模块、传感器模块、无线WiFi模块、USB供电模块、摄像头识别模块
工业多机器人协同调度平台
设计并实现了一个多机器人协同调度平台，能够根据任务优先级动态分配任务，有效提高作业效率，相关成果在国内行业会议上发表
技术：构建3D模型，基于STM32开发板开发，openmv的程序设计，并且分别使用 C 语言和python 编程，深度学习。
在对风力发电机扇叶避雷回路检测领域，使用无人机飞行平台搭载检测装置的检测方式具巨大发展前景，但是这一技术仍处于起步阶段，这项技术的在稳定性、可靠性方面的难题，是国内外都没有高校和企业对于这项技术实施规模性的投资的主要原因。本设计就是针对这些难题进行研究和攻破。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 5800.00 4200.00
1. 业务费 3000.00 技术研发 1600.00 1400.00
（1）计算、分析、测试费 200.00 数据分析 100.00 100.00
（2）能源动力费 800.00 能源动力耗费 400.00 400.00
（3）会议、差旅费 800.00 实地考察 400.00 400.00
（4）文献检索费 200.00 文献查阅 100.00 100.00
（5）论文出版费 1000.00 论文出版 600.00 400.00
2. 仪器设备购置费 2600.00 购置设备 1000.00 1600.00
3. 实验装置试制费 400.00 样机制作调试 200.00 200.00
4. 材料费 4000.00 材料购买 3000.00 1000.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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