三维激光扫描在风电塔检测中的应用-论文.pdf

《三维激光扫描在风电塔检测中的应用-论文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

第30卷第2期结构工程师V01．30．No．22014年4月StructuralEngineersApr．2014三维激光扫描在风电塔检测中的应用戴靠山，'徐一智公羽陈义(1．同济大学，上海200092；2．输配电装配及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044)摘要风电塔的维护检测是风电场管理的一项重要工作。使用激光扫描技术对一座风电塔的外形进行了扫描，并利用扫描数据进行风电塔几何外形的建模，从而验证结构的直径尺寸，还利用扫描数据对风电塔的垂直度进行了评估。简单介绍了激光扫描技术的硬件及软件知识，并对扫描点云拼接、去噪、拟合等进行了介绍，重点描述了如何通过对点云数据的处理，从而对风电塔筒外径和垂直度进行分析。研究对于三维激光扫描技术在风电塔检测中的应用积累了初步经验。关键词激光扫描，风电塔，检测，几何建模，垂直度3DLaserScanApplicationinaWindTurbineTowerInspectionDAIKaoshan，，XUYizhiGONGYuCHENYi(1．TonNiUniversity，Shanghai，China200092，China；2．StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentandSystemSecurity，Chongqing，400044，China)AbstractWindturbinetowerstruetura1inspectionisoneofimportanttasksinwindfarmmaintenance．Inthispaper，the3Dlaserscanningtechniquewasexploredforwindtowerprofilemeasurement．Thedatacol-lectedbyalaserscannerwasusedtovalidatethegeometricmodelandtoevaluatethetiltofatall，slenderwindturbinetowerstructure．Thepaperpresentsrelevantknowledgeofthe3Dlaserscanningtechnologyinclu—dingitshardwareandsoftware．Basicmethodsthatareusedtoprocesstheclouddatacollectedbythelaserscannerwereintroduced，whichincludecloudmatching，denoising，andpointclouddatafitting．Acasestudyofawindturbinelaserscanningwasconducted．Postprocessingthescanningdataprovidedageometricmodelofthistowerthatwasusedtoevaluatethestructuregperpendicularitytothegroundleve1．Keywordslaserscan，windtower，assessment，geometricmodeling，tilt或者极端环境荷载下，塔筒表面微小凹坑也可能导1引言致塔筒的局部屈曲；另外，作为一类头重脚轻的高风能作为一种资源极其丰富的清}吉可再生能耸结构，长期往复的循环荷载还有可能造成地基变源，得到越来越多国家的关注。目前全球风力发电松，塔身倾斜，进而对风电机运行造成一定的损害。装机容量已超过200GW，到2017年世界风机年因此，塔筒的外形检测对风电塔安全有重要意义。均装机预计将达61．2GWl2J。尽管风力发电前景在少数涉及风电塔外形检i贝0的相关工作中，主要采广阔，但其高昂的维护与检修费用却导致了总体运用全站仪进行测量，通常费时费力。行成本的居高不下。风力发电的检修费用主要作为新兴的非接触式的主动观测系统，三维激在两方面：风力发电机和风电塔。风电塔塔筒属于光扫描技术(LightDetectionAndRanging，LiDAR)典型的薄壁结构，在风机运行产生的长期疲劳荷载在结构检测方面已有多处运用。例如，Dai等对收稿日期：2013—12—10基金项目：上海市自然科学基金(12ZR1433500)；留学回国人员科研启动基金([2013]693)；国家自然科学基金(51208382)；博士点专项基金(20120072120001)；输配电装配及系统安全与新技术国家重点实验室开放基金(2007DA10512711414)联系作者。kdai@tongji．edu．cn StructuralEngineersVo1．30，No．2Ea~hquakeandWindResistance一座以高性能钢为材料的公路桥在不同工况下进1。该扫描仪使用一个快速旋转的反射镜片将激行了激光扫描，并以扫描点云为基础，绘制该桥钢光束反射至不同方向，在短时间内按顺序得到物梁在不同工况下的变形情况，与有限元分析结果做体表面所有点的距离。在得到目标表面所有点和了对比；Gonzdlez—Aguilera等对西班牙阿维拉城仪器的距离后，根据式(1)自动算得点云三维坐的大坝进行了时间跨度长达1O个月的三期激光扫标并加以保存。在获得结构外形完整的点云数据描观测，得到在蓄水池水位不同时期大坝的点云数后，根据需要，使用不同方法可以计算诸如结构外据，以此为依据评估了大坝的安全性；刘洁等利形、结构变形和结构破损信息等感兴趣的结果。用LiDAR对重庆世贸大厦顶部标志牌进行了共计为4期的分期扫描，获取了该大厦的横向变形情况；LiDAR还应用于体育馆屋顶钢结构安装与质量监测及公路隧道的检测中。由于风电塔结构简单直观，激光扫描技术可较好应用于外形描绘、几何建模、垂直度检验等风电塔检测中。为了探索激光扫描技术在这一领域的应用，本文使用激光扫描技术对一座风电塔的外形进行了测量，并把测量数据应用于风电塔建模，从而验证结构的几何尺寸，并对其垂直度进行评估。图2FAROFOCUS3D地面三维激光扫描仪Fig．2FAROFOCUS3Dlaserscanner2激光扫描技术简介表1FAROFOCUS3D地面三维激光扫2．1LiDAR的基本原理描仪具体工作参数”根据搭载条件不同，LiDAR系统一般可分为Table1FARoF0CUS3DLiDARscanner机载、车载和地面LiDAR三大类。这三种激光扫technicalspecifics描系统所使用的装置大致一样，主要由激光测距项目参数项目参数系统、测角系统、控制系统、数据存储系统组成。测距范围O最大扫97．6万．6O～153．49ITI描速率点／秒一般来说，激光扫描通过测距系统测得空问点和垂直视野305。水平视野360。仪器之间距离s，同时测角系统测得此时仪器的垂直步长0．009。水平步长0．009。水平角Ot、垂直角JB，根据式(1)算得相对仪器的测距误差25m时为±2mm无视差是尺寸240mmX200mmX1O0mm重量5．0kg三维坐标，如图1所示。环境温度5。～40oC环境湿度无冷凝XP=Seos~c0s，=Scosflsina，ZP=Ssi2．2点云数据处理及算法(1)在实际使用过程中，利用LiDAR获得的点云数据处理工作大致可分为四个部分：点云拼接、去噪、建模、模型分析。一般来说，使用LiDAR对物体进行扫描时，如果目的是为了获得被测物完整的表面点云三维坐标数据，需根据被测物的复杂程度以及视线被限制的情况设立多个测站进行测量，并将各测站的量测结果进行拼接以统一到一个坐标系中，从而得到被测物完整的表面点云，这就是点云拼接工作。在实际扫描环境中，不可避免记录到一些噪声，其可能为由空中颗粒产生，也图1三维坐标测量示意图可能是LiDAR系统本身产生。针对噪声分类，去Fig．1Spacecoordinate噪过程大致分为2个步骤：①去除孤立点；②点云本文使用激光扫描设备为FAROFOCUS3D平滑处理。在得到可靠性较高的被测物表面点云地面三维激光扫描仪，见图2，具体工作参数见表数据后，则可以进一步开展建模工作。建模主要 StructuralEngineersVo1．30，No．2EarthquakeandWindResistance示。出于激光测量的特性，塔筒表面高处的点的由于高度超过27m后点云数量骤减导致拟合误扫描垂直角过大，激光会呈现椭圆光斑导致回波差较大。因此在后面的分析中，删除最低的3个信号减弱不被扫描仪接受，所以高处点云较为稀点，并删除超过有效高度部分的点云，对0～25m少，不便于后面的数值分析，故将25nl以上的点间的点云进行拟合，结果如图8所示。图中的点云删除获得图6(b)所示点云图像。表示高程分布在0．74～25．05111_间的81个圆。从图中可以看到半径并不是随高度线性变化的，而是存在波动现象。分析认为这可能是由激光路径和风电塔的振动共同引起的。(a)全部点石1璺}像(b)删除超过有效高度的部分点云图像图6降噪后的点云Fig．6Pointcloudafterdenoisinguv恒利用处理过的点云可以得到风电塔加在不同高m50半径／m度处的半径及圆心坐标。在经过点云降噪处理后，图7半径一高度离散点Fig．7Radius—heightrelation点云精度为0．1mm，完全一样高度处的点较少，本文沿着风塔高度按每30cm分段，认为同一段的所有点处于一个圆环上，对这些点进行拟合，并认为得到的圆是在这些点的平均高度上。作为对比，分别对全部点云数据(即点云高度在0～43．12In)和删除部分点云的数据(即点云高度在0～2513)做拟合分析。4结果分析针对保留全部点云的数据进行分析，可以得半径／m到高度分布在0．15～42．961"1内的144个圆，这图8半径一高度离散点图些圆的半径一高度关系如图7所示。从图中可以Fig．8Radius—heightrelation看出，在高度接近0in处有3个点的半径很大，这根据风电塔的设计图，利用插值方法可以得到是因为在接近地面处是风电塔的基座，从前文中的点云图中也可以看出这个部分的半径明显要大风电塔不同高度处的半径设计值。与对应高度的拟合得到的圆半径进行比较可以得到表2。从表2很多。而在约27in后点的离散度突然变大，这是表2拟合结果与设计图的半径误差比较Table2ComparisonofradiusbetweentheLiDARscanresultandthedesign高度／mm设计外径／mm设计半径／rnm拟合圆半径／mm绝对误差／mm相对误差13504035．02017．52014．13．4O．17％42904O31．52015．82013．91．80．09％72304028．12O14．12012．31．80．09％1O1704024．62O12．32011．7O．6O．O3％131104021．22010．62O11．91．3O．O6％149454019．02009．52012．63．10．15％178854018．02009．02013．34．3O．21％208254017．02008．52O11．63．10．15％237654016．02008．02010．12．1O．1O％ ·抗震与抗风··115·结构工程师第30卷第2期中可以看出，利用三维激光扫描点云拟合得到的风维激光扫描技术开发其他风电塔检测技术。电塔模型与设计图的风电塔模型误差很小，半径误参考文献差最大值在高度17．89rll处，为0．21％。根据拟合得到的不同高度处圆心位置可以评价塔身的垂直[1]罗承先．世界风力发电现状与前景预测[J]．中外能度，图9和图10分别表示塔身中轴线在方向和源，2012(3)：24—31．y方向的水平偏差。在25in的范围内，风电塔在LuoChengxian．Windpowergenerationtodayinthe两个方向的偏差大概为1．2％o和1．6％0。worldandprospectforecast[J]．Sino—GlobalEnergy，2012(3)：24—31．(inChinese)[2]中国产业信息网．2013年全球风电新增装机容量将达39．6GW[OL]．[2013—8—27]．http：／／ind．chyxx．eom／201308／217541．htm1．[3]IshiharaT，YoonJ．PredictionofdynamicresponseofwindturbinesusingSCADAdataandupdatedaeroelas·-ticmodel『C]／／EWEA2012．2012．[4]DaiK，ChenSE，ScottJ，eta1．Developmentofabaselinemodelforasteelgirderbridgeusingremote图9沿风塔x向水平偏移sensingandloadtests[C]／／ProceedingsoftheSpie，Fig．9TiltalongthetowerintheXdirection7983，2011．[5]Gonzdlez—AguileraD，G6mez—LahozJ，SdnchezJ．Anewapproachforstructuralmonitoringoflargedamswithathree—dimensionallaserscannerlJ1．Sensors，2008，8(9)：5866—83．[6]刘洁，李仁忠，王昌翰．基于地面激光扫描技术的高层建筑变形监测[M]．中国测绘学会第九次全国会员代表大会论文集．大连，2009：1078—1081．[7]王晏民，王国利．激光雷达国家体育馆屋顶钢结构安装滑移质量监测[J]．工程勘察，2009，37(12)：17．21．图10沿风塔Y向水平偏移WangYanmin，WangGuoli．ApplicationofLIDARFig．10TiltalongthetowerintheYdirectionTechnologyintheslippageandinstallationqualityno—5结论nitoringofthenationalindoorstadiumrooftruss[J]．GeotechnicalInvestigationandSurveying，2009，37本次试验从不同角度不同位置对一个高65in(12)：17—21．(inChinese)直径风电塔从底部到顶部进行了五期激光扫描，得[8]HanJY，GuoJ，JiangYS．Monitoringtunnelprofile到了风电塔的外形模型，利用获得的数据拟合出风bymeansofmulti—epochdispersed3-DLiDARpoint电塔半径沿高度的变化情况，并与设计图做了比clouds[J]．TunnellingandUndergroundSpaceTech—较。由于激光扫描仪的安放位置和最大有效仰角nology，2013，33：186—92．的限制，风电塔外形模型最高只能获得62．25in高[9]张香，戴靠山，陈义，等．IDAR非接触测量技术在的残缺模型，而拟合工作使用的有效数据最大高度钢结构轴压稳定试验中的应用[J]．结构工程师，为27．71in。将拟合得到的风电塔不同高度处半2013，29(1)：174—180．ZhangXiang，DaiKaoshan，ChenYi，eta1．Applic—径与设计图半径做了比较后发现二者的绝对误差aitonofscanningLiDARforsteelcolumnaxialcon—能控制在4．3mm以内，相对误差最大为0．21％。pressiontestingmeasurement[J]．StructuralEngi—根据扫描结果，对风电塔的垂直度进行了评价，得neers，2013，29(1)：174—180．(inChinese)出在25in的范围内，风电塔在两个方向的最大偏[1O]FARO．TechSheetFAROLaserScannerFocus3D差大概为1．2％0和1．6％0。研究认为，在有效数据[OL]．(2010．10．5)[2013．6．7]http：／／www2．far一范围内，激光扫描结果可以用来验证实际建成的结0．corn／site／resoUrees／share／944．构的几何缺陷及倾斜等信息，并可以进一步基于三