扫描仪为中心全景大空间的三维坐标数据风力发电塔运营维护监测

项目概述

风电场需要定期对风机进行日常的巡视、检修和维护，因为地域偏远，设备分散，对于出现的各种故障难以做到快速，高效地排风能作为一种资源极其丰富的清洁可再生能源，得到越来越多国家的关注排查解决。尽管风力发电前景广阔，但其高昂的维护与检修费用却导致了总体运行成本的居高不下。

风力发电的检修主要在两方面，风力发电机和风电塔。风电塔塔筒属于典型的薄壁结构， 在风机运行产生的长期疲劳荷载或者极端环境荷载下，塔筒表面微小凹坑也可能导致塔筒的局部屈曲；另外，作为一类头重脚轻的高耸结构，长期往复的循环荷载患有可能造成地基变松， 塔身倾斜，进而对风电机运行造成一定的损害。

因此，塔筒的外形检测对风电塔安全有重要意义。在少数涉及风电塔外形检测的相关工作中，传统方法主要采用全站仪进行测量，通常费事费力，获取的数据比较单一，无法精细化地对风电塔外形结构进行全面分析管理。

由于风电塔结构简单直观，应用三维激光扫描技术可较好地实现外形描绘、几何形状变化、垂直度检测等风电塔检测项目。通过采用三维激光扫描技术对风电塔的外形进行扫描，并把测量数据应用于风电塔建模，从而验证结构的几何变形，并对其垂直度进行检测评估。

风机塔筒结构与垂直度检测

1.三维激光扫描仪工作原理：扫描仪内置的激光发射器发射出激光，通过中心镜面的反射， 使激光投射在物体表面，再由该处反射回扫描仪接收模块，从而获得从扫描仪中心到物体表面该点处的数据并对该点进行定位。中心镜面通过旋转将激光竖直向方向 360°均匀射出；与此同时机座中心马达使机器主体水平方向 360°旋转。通过这样的过程，获得以扫描仪为中心全景大空间的三维坐标数据。三维激光扫描测绘技术因其快速、灵活的作业模式，精确饱满地获取全方位的三维空间位置、色彩、影像信息，实现测量对象的真实全方位、全细节的完整记录，数据可进行深加工形成各种实用精细的成果，较其它测量方式具有绝对的优越性。

2.作业流程：

外业数据采集：首先进行现场勘查，由于扫描环境较为空旷，特征点较少，故需根据环境布置标靶球。布置完标靶球根据实际情况设置分辨率、质量、是否需要色彩、扫描时间等数据，设置完成后即可点击开始扫描。

1)数据处理：数据处理主要为各站的点云拼接，可在 FARO自带软件里进行全自动拼接。

2)数据分析：通过软件提取不同高度的点云数据生成断面，通过比对不同站生成的断面可得到不同高度不同时间发电机的偏移量。进行塔筒中心轴线拟合，通过点云拟合的中心轴线与设计模型（或上一期扫描数据）的中心轴线对比，可以得到偏差值，通过中心轴线的变化，来判断塔筒变化趋势或者规律，或进行其它计算与分析。

表 1：叶片静止发电塔不同时刻偏移量

切片位置	偏差值（单位：mm）	偏差值（单位：mm）	两组偏差（单位：mm）
底面	0	0	0
3 米切片	0	0	0
6 米切片	0	4.2	4.2
9 米切片	1.9	7.4	5.5
12 米切片	2.4	12.9	10.5
15 米切片	2.1	9.5	7.4
18 米切片	3.8	12.4	8.6
21 米切片	10.1	13.2	3.1
24 米切片	3.2	15.1	11.9

27 米切片	5.8	16.7	10.9
30 米切片	4.4	17.1	12.7
33 米切片	6.2	13.4	7.2
36 米切片	10.6	22.1	11.5
39 米切片	6.1	26.4	20.3
42 米切片	14.7	15.2	0.5
45 米切片	10.6	23.4	12.8
48 米切片	14.4	29.7	15.3

表 2：叶片转动不同时刻发电塔偏差量

切片位置	偏差值（单位：mm）	偏差值（单位：mm）	两组偏差（单位：mm）
底面	0	0	0
3 米切片	6.0	3.1	-2.9
6 米切片	3.7	7.3	3.6
9 米切片	8.3	7.8	-0.5
12 米切片	4.8	3.7	-1.1
15 米切片	6.0	7.2	1.2
18 米切片	7.0	10.9	3.9
21 米切片	10.5	7.3	-3.2
24 米切片	12.8	9.7	-3.1
27 米切片	14.4	13.9	-0.5
30 米切片	17.7	14.4	-3.3
33 米切片	29.2	23.0	-6.2
36 米切片	32.0	30.9	-1.1
39 米切片	34.8	28.5	-6.3
42 米切片	32.3	31.4	-0.9
45 米切片	38.7	37.2	-1.5
48 米切片	38.9	37.7	-1.2

将发电塔点云切片导入CAD，根据切片拟合出切片圆心，连出中轴线。

上图：切片导入

上图：轴线拟合

此次扫描一共扫描 7 站，分别为 11、12、13、14、15、16、17 期数据，其中 11、12、13、14 为叶片转动时数据，15、16、17 为叶片静止时数据，进行分组，11 期、14 期为一组，12 期、13 期为一组，15 期、16 期为一组，16 期、17 期为一组，将每组数据轴线进行对比。

上图：11期、14期轴线对比 a

上图：11期、14期轴线对比 b

上图：12、13 期轴线对比 a

上图：12、13 期轴线对比 b

上图：15、16期轴线对比 a

上图：15、16 期轴线对比 b

上图：16、17期轴线对比a

上图：16、17期轴线对比b

表 3：角度偏差

对比数据	偏差角度
11 对比 14	0.02387°
12 对比 13	0.02865°
15 对比 16	0.00597°
17 对比 16	0.00537°

为提高结果准确度，角度的计算采用公式推导得到，在角度足够小，边长较长的情况下，求出弧度值后，在根据转换关系，将弧度值换算为角度值，即得到表中数据。表格中，前两组数据为叶片转动时，不同时刻的角度偏差，后两组为叶片停止转动时的角度偏差， 可以看出，整体上来说，角度偏移极小，后两组数据明显小于前两组数据。