一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法与流程

1.本发明涉及雷达精度领域，具体涉及一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法。


背景技术：

2.随着风电机组的叶轮越来越大、风机叶片的越来越柔、塔筒的高度越来越高，叶尖净空的问题越来越突出。激光净空雷达为一种实时监测叶尖净空距离的激光雷达，一般安装在机舱下部或者上部，随着机舱一起偏航运动，风机在运行的过程中由于受到复杂风况的影响，机舱会出现不同程度的振动，这就导致激光净空雷达的安装角度发生变化，进而降低了基于激光净空雷达获取的叶片测距值反演叶尖净空值的精度，当机舱仰起时，其实际的净空值大于激光净空雷达监测的净空值，当机舱俯下时，其实际的净空值小于激光净空雷达监测的净空值，这就在一定程度上增加了风机主控进行净空预警控制的难度。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中在风机运行期间出现机舱频繁振动导致激光净空雷达净空值存在偏差的问题，本发明的目的在于提供一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法
4.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
5.一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，包括：
6.s1、获取激光净空雷达参数和高精度倾角传感器参数；
7.s2、根据高精度倾角传感器参数，确定有效安装角度；
8.s3、基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数；
9.s4、筛选叶片距离值；
10.s5、计算激光净空雷达的净空值。
11.作为本发明的进一步优选，所述激光净空雷达参数包括激光净空雷达输出的测距值；所述高精度倾角传感器参数包括高精度倾角传感器输出的与测距值相同输出频率的安装角度值；
12.所述获取激光净空雷达参数和倾角传感器参数包括：
13.s1.1、激光净空雷达由靠近塔筒到远离塔筒依次设置有光束1、光束2...光束i；测得i光束的测距值分别为d1、d2、...、di；
14.s1.2、光束i与垂线的夹角分别为θi，且相邻光束之间夹角的差值相同；
15.s1.3、高精度倾角传感器测量光束1与垂线的夹角，即为光束1的安装角度θ
1new
；
16.s1.4、基于光束1的安装角度θ
1new
，结合固定差值，实时输出i个光束的安装角度θ
1new
、θ
2new
＝θ
1new
+δ、...、θ
inew
＝θ
i-1new
+δ
17.作为本发明的进一步优选，所述根据倾角传感器参数，确定有效安装角度包括以下步骤：
18.s2.1、获取激光净空雷达安装角度的最小值θ
min
和最大值θ
max
；
19.s2.2、基于光束i的安装角度θ
inew
，判断θ
min
≤θ
inew
＜θ
max
；
20.s2.3、当满足上述条件时，则该安装角度数据有效，角度数据有效位置为1；
21.s2.4、当不满足上述条件时，则该安装角度数据无效，角度数据有效位置为0。
22.作为本发明的进一步优选，所述基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数包括以下步骤：
23.s3.1、在当前的更新时间周期内，当有效的安装角度个数count大于0时；则对有效的安装角度进行从小到大的；
24.s3.2、将排序后的安装角度的小端和大端各去除10％的安装角度值；
25.s3.3、计算剩余的安装角度值的平均值，并更新安装角度θ
inew
。
26.作为本发明的进一步优选，所述筛选叶片距离值包括以下步骤：
27.s4.1、获取激光净空雷达获取的最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance；
28.s4.2、将激光净空雷各光束的测距值与最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance进行对比；
29.s4.3、当最小叶片测距值low_distance≤测距值≤最大叶片测距值high_distance时，将测距值记为疑似叶片测距值；
30.s4.4、基于疑似叶片测距值以及多光束关联原则，将满足任意一个多光束关联条件的疑似叶片测距值记为真实的叶片测距值，并进行保留；不满足的疑似叶片测距值进行舍弃。
31.作为本发明的进一步优选，所述多光束关联条件包括：
32.1、i个光束的测距值均为疑似叶片测距值；
33.2、光束2、...、光束i的测距值均为疑似叶片测距值且光束1不是疑似叶片测距值；
34.3、光束i的测距值为疑似叶片测距值且光束1、光束2、...、光束i-1的测距值都不是疑似叶片测距值。
35.作为本发明的进一步优选，所述计算激光净空雷达的净空值包括以下具体步骤：
36.s5.1、根据滤波后的安装角度及其对应的光束的叶片测距值，通过下式计算光束的净空值；
37.ci＝di*sin(θ
inew
)+x_lidar-r，
38.其中，ci为激光净空雷达i个光束获取的叶尖到塔筒壁的距离即净空值，di为激光净空雷达获取的i个光束的叶片测距值，θ
inew
为激光净空雷达实时输出的i个光束的安装角度，x_lidar表示激光净空雷达安装时沿着机舱主轴方向获取的坐标，r表示叶尖处对应的塔筒半径；
39.s5.2、根据i个光束获取的净空值进行加权计算，得到最终的净空值cl＝p1*c1+p2*c2+p3*c3+
…
+pi*ci，p1+p2+p3++
…
+pi＝1，其中，pi表示光束i获得的净空值的权重因子，其取值范围为0～1。
40.作为本发明的进一步优选，所述最靠近塔筒侧的光束净空值的权重因子p1取0.7-0.85，其余光束净空值的权重因子之和为1-p1。
41.本发明的有益之处在于：
42.1、在现有激光净空雷达的上盖板上集成倾角传感器，控制数据的输出频率，使激光净空雷达输出测距值的频率与倾角传感器输出的激光净空雷达安装角度值频率相同，不仅能帮助外场人员实地安装角度的快速调整，还能实现在风机运行期间安装角度值输出的实时性；
43.2、本发明从激光净空雷达安装角度值的变化数据出发，以风机满发状态下叶片运转周期时长为基础，按照移动平均滤波的方法实现了秒级激光净空雷达单光束或者多光束角度的输出，实现了激光净空雷达安装角度的稳定适应性输出；
44.3、本发明以实时稳定输出的激光净空雷达光束角度为基础数据源，结合同步输出的叶片测距值反演出叶尖净空值，可以实现风机叶尖净空值实时高精度输出，避免了因机舱晃动带来的激光净空雷达安装角度偏差对净空值精度的影响。
附图说明
45.图1是本发明的流程示意图；
46.图2是三光束激光净空雷达安装示意图；
47.图3是高精度倾角传感器安装示意图；
48.图4是风机机舱仰俯变化图；
49.图5是光束安装角度滤波前后变化图。
具体实施方式
50.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
51.结合图1，一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，包括：
52.s1、获取激光净空雷达参数和高精度倾角传感器参数。
53.所述激光净空雷达参数包括激光净空雷达输出的测距值。
54.s1.1、激光净空雷达由靠近塔筒到远离塔筒依次设置有光束1、光束2...光束i；测得i光束的测距值分别为d1、d2、...、di，其输出频率为50hz。
55.s1.2、光束i与垂线的夹角分别为θi，且相邻光束之间夹角的差值相同。
56.如图2所示，三光束激光净空雷达安装在风机机舱的下部，开口方向朝向地面，三个光束依次排列，最靠近塔筒一侧的为光束1，中间侧的为光束2，远离塔筒一侧的为光束3，三个光束指向与垂线的夹角分别为θ1、θ2、θ3，光束1、光束2之间夹角的差值与光束2、光束3之间夹角的差值相同，其中θ2＝θ1+2
°
、θ3＝θ2+2
°
。
57.所述高精度倾角传感器参数包括高精度倾角传感器输出的与测距值相同输出频率的安装角度值。
58.s1.3、高精度倾角传感器测量光束1与垂线的夹角，即为光束1的安装角度θ
1new
；
59.s1.4、基于光束1的安装角度θ
1new
，结合固定差值，实时输出i个光束的安装角度θ
1new
、θ
2new
＝θ
1new
+δ、...、θ
inew
＝θ
i-1new
+δ。
60.如图3所示，精度倾角传感器集成于激光净空雷达系统内部，以高精度倾角传感器直接测量的最靠近塔筒侧光束与垂线的夹角θ
1new
为基础，按照各个光束之间的角度差值固定且相等为δ的原则，能够实时输出三个光束的安装角度θ
1new
、θ
2new
＝θ
1new
+δ、θ
3new
＝θ
2new
+δ，满足与输出的三个光束测距值d1、d2、d3的时间戳同步的要求，安装角度的数据输出频率
也为50hz，高精度倾角传感器可以实时输出净空雷达的安装角度的变化。
61.当风机正常运行时，风机机舱会发生俯仰角度的变化，激光净空雷达的安装角度也会发生变化，当风机机舱仰起α时，激光净空雷达三个光束的安装角度就会发生变化，其中光束1实际的安装角度θ
1new
＝θ1+α、光束2实际的安装角度θ
2new
＝θ2+α+2
°
、光束3实际的安装角度θ
3new
＝θ3+α+4
°
，当风机机舱俯下α时，激光净空雷达三个光束的安装角度就会发生变化，其中光束1实际的安装角度θ
1new
＝θ1–
α、光束2实际的安装角度θ
2new
＝θ1–
α+2
°
、光束3实际的安装角度θ
3new
＝θ1–
α+4
°
，如下图4所示。
62.s2、根据高精度倾角传感器参数，确定有效安装角度。
63.s2.1、获取激光净空雷达安装角度的最小值θ
min
和最大值θ
max
。
64.s2.2、基于光束i的安装角度θ
inew
，判断θ
min
≤θ
inew
＜θ
max
。
65.s2.3、当满足上述条件时，则该安装角度数据有效，角度数据有效位置为1。
66.s2.4、当不满足上述条件时，则该安装角度数据无效，角度数据有效位置为0。
67.以激光净空雷达输出的最靠近塔筒侧的光束1的安装角度θ
1new
为基础，首先根据激光净空雷达理论上获取的安装角度的最小值θ
min
和最大值θ
max
进行角度有效性的判读，如果θ
1new
满足大于等于θ
min
且小于θ
max
时，其角度数据有效，角度数据有效位置为1，否则，角度数据有效位置为0，其中一般最小值θ
min
＝0
°
，θ
max
＝20
°
68.s3、基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数；
69.s3.1、在当前的更新时间周期内，当有效的安装角度个数count大于0时；则对有效的安装角度进行从小到大的；
70.s3.2、将排序后的安装角度的小端和大端各去除10％的安装角度值；
71.s3.3、计算剩余的安装角度值的平均值，并更新安装角度θ
inew
。
72.根据有效的激光净空雷达的安装角度值θ
inew
进行移动平均滤波，按照1s的时间周期进行更新安装角度值，其数据更新原则是在当前的1s的时间内，有效的安装角度个数count大于0，则对count个安装角度值进行从小到大的排序，排序后剔除小端的10％有效的安装角度和大端的10％有效的安装角度，计算剩下的80％的安装角度的平均值更新安装角度值θ
1new
，否则，不更新安装角度值θ
1new
。
73.图5展示了移动平均滤波前后的安装角度值的变化，图中横轴表示的时间，单位为秒(s)，纵轴表示光束安装角度，单位为度(
°
)，黑色点表示滤波前安装角度随时间的变化，黑色的线表示滤波后安装角度随时间的变化，从图中可以看出移动平均滤波后得到的安装角度更新值可以反映激光净空雷达在风机运行过程中的安装角度的变化，数据更新频率满足风机满发运转时的叶片周期要求。
74.s4、筛选叶片距离值；
75.s4.1、获取激光净空雷达获取的最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance；
76.设置激光净空雷达获取的最小叶片测距值low_distance＝2000cm，最大叶片测距值为high_distance＝风机叶片的长度。
77.s4.2、将激光净空雷各光束的测距值与最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance进行对比；
78.s4.3、当最小叶片测距值low_distance≤测距值≤最大叶片测距值high_
distance时，将测距值记为疑似叶片测距值；
79.s4.4、基于疑似叶片测距值以及多光束关联原则，将满足任意一个多光束关联条件的疑似叶片测距值记为真实的叶片测距值，并进行保留；不满足的疑似叶片测距值进行舍弃。
80.所述多光束关联条件包括：
81.1、i个光束的测距值均为疑似叶片测距值；
82.2、光束2、...、光束i的测距值均为疑似叶片测距值且光束1不是疑似叶片测距值；
83.3、光束i的测距值为疑似叶片测距值且光束1、光束2、...、光束i-1的测距值都不是疑似叶片测距值。
84.s5、计算激光净空雷达的净空值。
85.s5.1、根据滤波后的安装角度及其对应的光束的叶片测距值，通过下式计算光束的净空值；
86.ci＝di*sin(θ
inew
)+x_lidar-r，
87.其中，ci为激光净空雷达i个光束获取的叶尖到塔筒壁的距离即净空值，di为激光净空雷达获取的i个光束的叶片测距值，θ
inew
为激光净空雷达实时输出的i个光束的安装角度，x_lidar表示激光净空雷达安装时沿着机舱主轴方向获取的坐标，r表示叶尖处对应的塔筒半径；
88.s5.2、根据i个光束获取的净空值进行加权计算，得到最终的净空值cl＝p1*c1+p2*c2+p3*c3+
…
+pi*ci，p1+p2+p3++
…
+pi＝1，其中，pi表示光束i获得的净空值的权重因子，其取值范围为0～1。
89.所述最靠近塔筒侧的光束净空值的权重因子p1取0.7-0.85，其余光束净空值的权重因子之和为1-p1，对于光束未触发叶片的时候，其光束净空值的权重因子为0；对于单光束触发叶片的时候，其光束净空值权重因子为1.0。
90.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，包括：s1、获取激光净空雷达参数和高精度倾角传感器参数；s2、根据高精度倾角传感器参数，确定有效安装角度；s3、基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数；s4、筛选叶片距离值；s5、计算激光净空雷达的净空值。2.根据权利要求1所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述激光净空雷达参数包括激光净空雷达输出的测距值；所述高精度倾角传感器参数包括高精度倾角传感器输出的与测距值相同输出频率的安装角度值；所述获取激光净空雷达参数和倾角传感器参数包括：s1.1、激光净空雷达由靠近塔筒到远离塔筒依次设置有光束1、光束2...光束i；测得i光束的测距值分别为d1、d2、...、di；s1.2、光束i与垂线的夹角分别为θ
i
，且相邻光束之间夹角的差值相同；s1.3、高精度倾角传感器测量光束1与垂线的夹角，即为光束1的安装角度θ
1new
；s1.4、基于光束1的安装角度θ
1new
，结合固定差值，实时输出i个光束的安装角度θ
1new
、θ
2new
＝θ
1new
+δ、...、θ
inew
＝θ
i-1new
+δ。3.根据权利要求2所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述根据倾角传感器参数，确定有效安装角度包括以下步骤：s2.1、获取激光净空雷达安装角度的最小值θ
min
和最大值θ
max
；s2.2、基于光束i的安装角度θ
inew
，判断θ
min
≤θ
inew
＜θ
max
；s2.3、当满足上述条件时，则该安装角度数据有效，角度数据有效位置为1；s2.4、当不满足上述条件时，则该安装角度数据无效，角度数据有效位置为0。4.根据权利要求1所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数包括以下步骤：s3.1、在当前的更新时间周期内，当有效的安装角度个数count大于0时；则对有效的安装角度进行从小到大的；s3.2、将排序后的安装角度的小端和大端各去除10％的安装角度值；s3.3、计算剩余的安装角度值的平均值，并更新安装角度θ
inew
。5.根据权利要求1所述的一种提高激净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述筛选叶片距离值包括以下步骤：s4.1、获取激光净空雷达获取的最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance；s4.2、将激光净空雷各光束的测距值与最小叶片测距值low_distance和最大叶片测距值high_distance进行对比；s4.3、当最小叶片测距值low_distance≤测距值≤最大叶片测距值high_distance时，将测距值记为疑似叶片测距值；s4.4、基于疑似叶片测距值以及多光束关联原则，将满足任意一个多光束关联条件的疑似叶片测距值记为真实的叶片测距值，并进行保留；不满足的疑似叶片测距值进行舍弃。6.根据权利要求5所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征
在于，所述多光束关联条件包括：（1）、i个光束的测距值均为疑似叶片测距值；（2）、光束2、...、光束i的测距值均为疑似叶片测距值且光束1不是疑似叶片测距值；（3）、光束i的测距值为疑似叶片测距值且光束1、光束2、...、光束i-1的测距值都不是疑似叶片测距值。7.根据权利要求1所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述计算激光净空雷达的净空值包括以下具体步骤：s5.1、根据滤波后的安装角度及其对应的光束的叶片测距值，通过下式计算光束的净空值；c
i
＝d
i
*sin(θ
inew
)+x_lidar-r，其中，c
i
为激光净空雷达i个光束获取的叶尖到塔筒壁的距离即净空值，d
i
为激光净空雷达获取的i个光束的叶片测距值，θ
inew
为激光净空雷达实时输出的i个光束的安装角度，x_lidar表示激光净空雷达安装时沿着机舱主轴方向获取的坐标，r表示叶尖处对应的塔筒半径；s5.2、根据i个光束获取的净空值进行加权计算，得到最终的净空值cl＝p1*c1+p2*c2+p3*c3+
…
+p
i
*c
i
，p1+p2+p3++
…
+p
i
＝1，其中，p
i
表示光束i获得的净空值的权重因子，其取值范围为0～1。8.根据权利要求7所述的一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，其特征在于，所述最靠近塔筒侧的光束净空值的权重因子p1取0.75-0.85，其余光束净空值的权重因子之和为1-p1。

技术总结
本发明公开了一种提高激光净空雷达监测叶尖净空值精度的方法，包括：S1、获取激光净空雷达参数和高精度倾角传感器参数；S2、根据高精度倾角传感器参数，确定有效安装角度；S3、基于有效安装角度进行移动平均滤波，并周期性更新对应参数；S4、筛选叶片距离值；S5、计算激光净空雷达的净空值，相比现有技术，本发明以实时稳定输出的激光净空雷达光束角度为基础数据源，结合同步输出的叶片测距值反演出叶尖净空值，可以实现风机叶尖净空值实时高精度输出，避免了因机舱晃动带来的激光净空雷达安装角度偏差对净空值精度的影响。角度偏差对净空值精度的影响。角度偏差对净空值精度的影响。


技术研发人员：蒋丹丹 肖增利 黄红亮 刘知新
受保护的技术使用者：南京牧镭激光科技股份有限公司
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/1