無人機風電葉片巡檢平臺選型及應用
隨著風電市場的逐漸成熟，大型風力發電機組相繼出現，葉片長度也由原來的30~40m增加至60~70m。風電機組的生命周期是20年，葉片長度的增長和葉片重量的增加給葉片的運行維護帶來了挑戰?，F在傳統的葉片巡檢手段是望遠鏡觀察和繩索垂降人工巡檢。傳統的葉片巡檢有以下缺點：(1)巡檢效率低，工人勞動強度大;(2)高空作業，巡檢成本高;(3)巡檢時間長，停機發電量損失大。
無人機(UnmannedAerialVehicle，UAV)或稱無人飛機系統(UnmannedAir原craftSystem，UAS)，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機技術是范圍內熱門的研究領域，近年來隨著復合材料、動力系統、傳感器、尤其是飛行控制等技術的飛速發展，無人機性能不斷提高，無人機正逐步代替有人機開展部分空中偵查、監控、通信、勘測等任務。
圖1 RQ-170野哨兵冶無人機
1.無人機分類及特點
1.1無人機分類
無人機按照飛行原理和結構進行分類，可以大致分為固定翼無人機和旋翼無人機兩大類。固定翼無人機通過固定式的機翼產生升力，外形與傳統的固定翼載人飛機類似，如圖1所示。旋翼無人機通過旋轉的
槳葉提供升力，通過槳葉旋轉面的傾斜產生水平運動。這類無人機具有垂直起降能力，提高了起降場地的適應性，如圖2，圖3，圖4所示。
圖2 AIRKEY無人直升機
圖3 大疆inspire-1
圖4 RQ-16涵道式無人機
1.2無人機特點對比
相比于旋翼無人機復雜的機械結構，固定翼無人機的任務載荷更高，飛行時間更長。旋翼無人機由于可以懸停和低速飛行，因此近距離、低速運動或者長時間保持同一視角的觀測任務需要使用旋翼無人機完成。各類無人機的特點對比如表1。
2.多旋翼無人機
多旋翼無人機由于具備懸停和低速飛行能力，并且以其操控簡易，維修方便，經濟性好的特點，本文主要以多旋翼無人機作為研究重點。
多旋翼無人機主要由動力系統、主體結構、控制系統、輔助設備組成，具體如圖5所示。
圖5 多旋翼無人機的組成
在多旋翼無人機的研究方面，關鍵技術為：1、數學模型的建立;2、能源供給系統;3、飛行控制算法;4、自主導航智能飛行。針對工業化應用領域，多旋翼無人機應該主要考慮的是：1、安全性;2、穩定性;3、維護及擴展性;4、工作效率;、負載。
表 各類無人機的特點
3.無人機風電葉片巡檢
隨著無人機技術的發展，無人機開始在國內應用到包括農業、電力石油、檢災、林業、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規劃等多個行業，特別是農林植保和電力巡線兩個領域，無人機應用進入了快速發展期。
2001年開始國網公司開始應用直升機進行電力巡線。2012年能源局頒布了《DLT288-2012架空輸電線路直升機巡視技術導則》。2013年3月，電網公司出臺《電網公司輸電線路直升機、無人機和人工協同巡檢模式試點工作方案》，明確要求在2015年建立直升機、無人機和人工巡檢相互協同的新型巡檢模式。2014年6月，電力企業聯合會標準化中心對外發布名為《架空輸電線路無人機巡檢作業技術導則》的電力行業標準草案，公開征求意見。
3.1葉片故障種類
風力發電葉片一般安裝于偏遠的地區，運行環境惡劣，如較大的風沙侵襲，-30益至50益的循環溫差，以及強紫外光的老化等，在運行過程中
現場葉片的主要故障種類如下：雷擊損傷院雖然葉片有防雷系統，但根據國內外統計每年遭遇雷擊的葉片有10%左右。雷擊將導致葉片損傷，嚴重時直接造成葉片的報廢，不可恢復。
葉片結冰院在南方濕度較大的地區，冬季容易結冰，比如云貴冬季的時候冰凍現象非常頻繁，冰凍之后整體機組載荷會急速上升。
前緣腐蝕院 前緣腐蝕一般發生在沿海的風電機組。前緣腐蝕不僅使機組的效率急劇降低，同時會造成葉片的振動和載荷增加。
整體結構失效院整體結構失效的表現形式為葉片折斷。原因大部分是由于葉片主梁的制造工藝缺陷造成，也有雷擊和設計原因造成的。
葉尖排水孔堵塞院葉片受污染后，葉尖排水孔會堵塞影響葉片排水，而且會造成葉片的噪音。
邊緣開裂
涂層脫落
螺栓斷裂掉落院葉根螺栓斷裂導致葉片掉落損毀。
3.2葉片故障巡檢方式
針對風電機組葉片的故障形式，現在現場葉片故障巡檢方式主要為目測檢查，形式上主要分為高倍望遠鏡檢查、高空繞行下降目測檢查(“蜘蛛人”)、葉片維修平臺檢查。
目測檢查是對葉片表面故障直接、有效的檢測方法。對于非表面故障，目測檢測并不能提供太多幫助。對于較小對表面損傷，用高倍望遠鏡檢查不容易發現故障。蜘蛛人和葉片維修平臺檢查是比較徹底的表面檢查，缺點是檢測時間長、費用高、效率低，不適合進行日常巡檢。
應用無人機對風電機組葉片進行檢測已經在國外開展起來。德國的Inspec原Tools及Height等多家公司都開發了相應的無人機檢測系統，都是基于現在流行的多旋翼飛行器所研發的無人機檢測平臺。
3.3無人機葉片巡檢特點
分布式巡檢。
風力發電是一種分布式發電，機組在風電場呈離散分布，無人機對風電機組葉片監測不需要連續進行，所以對無人機的單次續航時間要求不高。
立體式觀測
對葉片的觀測涉及到迎風面、背風面、葉片前緣、葉片后緣，由于葉片薄厚不均，而且葉片表面為曲面，在觀測時需進行立體式觀測，由此對無人機的操控有一定要求，觀測時間將增長。
注重成像清晰度
對葉片的觀測主要是對表面質量進行觀察分析，尤其是進行砂眼排查和橫向裂紋觀察，對無人機的成像要求較高。無人機的成像主要由其云臺穩定性、成像設的攝影攝像能力要求較高。如果要進行高清晰度的觀測，對天氣的可見度要好，風速越低越好。
3.4現場應用
有鑒于風電葉片檢測的特點，本文選擇了多旋翼無人機為試驗對象。多旋翼無人機為垂直起落無人機，支持懸停，操作簡單，維護成本低，檢測費用低。本文選擇了大疆筋斗云S1000系列和零度High原One系列進行了現場巡檢測試。
3.4.1大疆筋斗云S1000筋斗云S1000是一款八旋翼無人機，大疆無人機中的專業級航拍飛行平臺，此次檢測搭配了佳能的5DIII相機。
本次測試時間為2015年4月1日，地點在山東濱海風電場，檢測機型為聯合動力UP1500機組，被檢測機組為二期33#機組，現場溫度6毅，風速9~11m/s，能見度一般，檢測一支葉片平均時間為5min，起飛重量約9kg，飛行高高度125m，無人機的續航時間為15min。
圖6 大疆筋斗云S1000
試驗表明，筋斗云S1000的穩定好，在9m/s的大風中影像的成像效果清晰，由于加載的是佳能5DIII，起飛重量較重，影響了續航時間。此次測試相機加載的是定焦距鏡頭無法進行光學變焦，如采用長焦距變焦鏡頭會更有利于葉片的細節檢測。
3.4.2零度智控HighOne
HighOne是一款大型四旋翼無人機，在安全性方面，既有雙余度飛行控制系統，又有安全降落傘。此次測試中，搭載了松下的GH3相機和定焦鏡頭。
圖7 S1000實際觀察效果
圖8 零度智控HighOne
本次測試時間為2015年4月9日，地點在北京未來科技城，檢測機型為聯合動力UP1500機組，現場溫度15毅，風速3m/s，能見度良，檢測一支葉片平均時間為5min，起飛重量約6kg，飛行高高度125m，無人機的續航時間為20min。
圖9 HighOne實際觀察效果
試驗表明，零度HighOne的穩定好，影像的成像效果較為清晰，由于加載的是松下的GH3，相比佳能5D3成像質量上稍有差距，機組的續航時間要優于S1000。
通過試驗證明了多旋翼無人機在風電葉片故障巡檢中能夠完成目測檢查分析的任務，即便在風速為10m/s無人機仍然保持了相當的穩定性。綜上所述，無人機應用到風電葉片巡檢中能夠彌補使用高倍望遠鏡觀測所達不到的精細化程度，基本能夠達到蜘蛛人的效果。不過如果葉片表面污染嚴重或者灰塵堆積則會影響檢測結果。無人機應用到葉片巡檢當中能夠極大增加葉片目視檢測的效率，減小停機損失。
旋翼無人機由于具備懸停和低速飛行能力，適合進行風電機葉片巡檢。多旋翼無人機以其操控簡易，維修方便，經濟性好，適合作為風電葉片巡檢的主力工具。
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無人機(UnmannedAerialVehicle，UAV)或稱無人飛機系統(UnmannedAir原craftSystem，UAS)，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。無人機技術是范圍內熱門的研究領域，近年來隨著復合材料、動力系統、傳感器、尤其是飛行控制等技術的飛速發展，無人機性能不斷提高，無人機正逐步代替有人機開展部分空中偵查、監控、通信、勘測等任務。
圖1 RQ-170野哨兵冶無人機
1.無人機分類及特點
1.1無人機分類
無人機按照飛行原理和結構進行分類，可以大致分為固定翼無人機和旋翼無人機兩大類。固定翼無人機通過固定式的機翼產生升力，外形與傳統的固定翼載人飛機類似，如圖1所示。旋翼無人機通過旋轉的
槳葉提供升力，通過槳葉旋轉面的傾斜產生水平運動。這類無人機具有垂直起降能力，提高了起降場地的適應性，如圖2，圖3，圖4所示。
圖2 AIRKEY無人直升機
圖3 大疆inspire-1
圖4 RQ-16涵道式無人機
1.2無人機特點對比
相比于旋翼無人機復雜的機械結構，固定翼無人機的任務載荷更高，飛行時間更長。旋翼無人機由于可以懸停和低速飛行，因此近距離、低速運動或者長時間保持同一視角的觀測任務需要使用旋翼無人機完成。各類無人機的特點對比如表1。
2.多旋翼無人機
多旋翼無人機由于具備懸停和低速飛行能力，并且以其操控簡易，維修方便，經濟性好的特點，本文主要以多旋翼無人機作為研究重點。
多旋翼無人機主要由動力系統、主體結構、控制系統、輔助設備組成，具體如圖5所示。
圖5 多旋翼無人機的組成
在多旋翼無人機的研究方面，關鍵技術為：1、數學模型的建立;2、能源供給系統;3、飛行控制算法;4、自主導航智能飛行。針對工業化應用領域，多旋翼無人機應該主要考慮的是：1、安全性;2、穩定性;3、維護及擴展性;4、工作效率;、負載。
表 各類無人機的特點
3.無人機風電葉片巡檢
隨著無人機技術的發展，無人機開始在國內應用到包括農業、電力石油、檢災、林業、氣象、國土資源、警用、海洋水利、測繪、城市規劃等多個行業，特別是農林植保和電力巡線兩個領域，無人機應用進入了快速發展期。
2001年開始國網公司開始應用直升機進行電力巡線。2012年能源局頒布了《DLT288-2012架空輸電線路直升機巡視技術導則》。2013年3月，電網公司出臺《電網公司輸電線路直升機、無人機和人工協同巡檢模式試點工作方案》，明確要求在2015年建立直升機、無人機和人工巡檢相互協同的新型巡檢模式。2014年6月，電力企業聯合會標準化中心對外發布名為《架空輸電線路無人機巡檢作業技術導則》的電力行業標準草案，公開征求意見。
3.1葉片故障種類
風力發電葉片一般安裝于偏遠的地區，運行環境惡劣，如較大的風沙侵襲，-30益至50益的循環溫差，以及強紫外光的老化等，在運行過程中
現場葉片的主要故障種類如下：雷擊損傷院雖然葉片有防雷系統，但根據國內外統計每年遭遇雷擊的葉片有10%左右。雷擊將導致葉片損傷，嚴重時直接造成葉片的報廢，不可恢復。
葉片結冰院在南方濕度較大的地區，冬季容易結冰，比如云貴冬季的時候冰凍現象非常頻繁，冰凍之后整體機組載荷會急速上升。
前緣腐蝕院 前緣腐蝕一般發生在沿海的風電機組。前緣腐蝕不僅使機組的效率急劇降低，同時會造成葉片的振動和載荷增加。
整體結構失效院整體結構失效的表現形式為葉片折斷。原因大部分是由于葉片主梁的制造工藝缺陷造成，也有雷擊和設計原因造成的。
葉尖排水孔堵塞院葉片受污染后，葉尖排水孔會堵塞影響葉片排水，而且會造成葉片的噪音。
邊緣開裂
涂層脫落
螺栓斷裂掉落院葉根螺栓斷裂導致葉片掉落損毀。
3.2葉片故障巡檢方式
針對風電機組葉片的故障形式，現在現場葉片故障巡檢方式主要為目測檢查，形式上主要分為高倍望遠鏡檢查、高空繞行下降目測檢查(“蜘蛛人”)、葉片維修平臺檢查。
目測檢查是對葉片表面故障直接、有效的檢測方法。對于非表面故障，目測檢測并不能提供太多幫助。對于較小對表面損傷，用高倍望遠鏡檢查不容易發現故障。蜘蛛人和葉片維修平臺檢查是比較徹底的表面檢查，缺點是檢測時間長、費用高、效率低，不適合進行日常巡檢。
應用無人機對風電機組葉片進行檢測已經在國外開展起來。德國的Inspec原Tools及Height等多家公司都開發了相應的無人機檢測系統，都是基于現在流行的多旋翼飛行器所研發的無人機檢測平臺。
3.3無人機葉片巡檢特點
分布式巡檢。
風力發電是一種分布式發電，機組在風電場呈離散分布，無人機對風電機組葉片監測不需要連續進行，所以對無人機的單次續航時間要求不高。
立體式觀測
對葉片的觀測涉及到迎風面、背風面、葉片前緣、葉片后緣，由于葉片薄厚不均，而且葉片表面為曲面，在觀測時需進行立體式觀測，由此對無人機的操控有一定要求，觀測時間將增長。
注重成像清晰度
對葉片的觀測主要是對表面質量進行觀察分析，尤其是進行砂眼排查和橫向裂紋觀察，對無人機的成像要求較高。無人機的成像主要由其云臺穩定性、成像設的攝影攝像能力要求較高。如果要進行高清晰度的觀測，對天氣的可見度要好，風速越低越好。
3.4現場應用
有鑒于風電葉片檢測的特點，本文選擇了多旋翼無人機為試驗對象。多旋翼無人機為垂直起落無人機，支持懸停，操作簡單，維護成本低，檢測費用低。本文選擇了大疆筋斗云S1000系列和零度High原One系列進行了現場巡檢測試。
3.4.1大疆筋斗云S1000筋斗云S1000是一款八旋翼無人機，大疆無人機中的專業級航拍飛行平臺，此次檢測搭配了佳能的5DIII相機。
本次測試時間為2015年4月1日，地點在山東濱海風電場，檢測機型為聯合動力UP1500機組，被檢測機組為二期33#機組，現場溫度6毅，風速9~11m/s，能見度一般，檢測一支葉片平均時間為5min，起飛重量約9kg，飛行高高度125m，無人機的續航時間為15min。
圖6 大疆筋斗云S1000
試驗表明，筋斗云S1000的穩定好，在9m/s的大風中影像的成像效果清晰，由于加載的是佳能5DIII，起飛重量較重，影響了續航時間。此次測試相機加載的是定焦距鏡頭無法進行光學變焦，如采用長焦距變焦鏡頭會更有利于葉片的細節檢測。
3.4.2零度智控HighOne
HighOne是一款大型四旋翼無人機，在安全性方面，既有雙余度飛行控制系統，又有安全降落傘。此次測試中，搭載了松下的GH3相機和定焦鏡頭。
圖7 S1000實際觀察效果
圖8 零度智控HighOne
本次測試時間為2015年4月9日，地點在北京未來科技城，檢測機型為聯合動力UP1500機組，現場溫度15毅，風速3m/s，能見度良，檢測一支葉片平均時間為5min，起飛重量約6kg，飛行高高度125m，無人機的續航時間為20min。
圖9 HighOne實際觀察效果
試驗表明，零度HighOne的穩定好，影像的成像效果較為清晰，由于加載的是松下的GH3，相比佳能5D3成像質量上稍有差距，機組的續航時間要優于S1000。
通過試驗證明了多旋翼無人機在風電葉片故障巡檢中能夠完成目測檢查分析的任務，即便在風速為10m/s無人機仍然保持了相當的穩定性。綜上所述，無人機應用到風電葉片巡檢中能夠彌補使用高倍望遠鏡觀測所達不到的精細化程度，基本能夠達到蜘蛛人的效果。不過如果葉片表面污染嚴重或者灰塵堆積則會影響檢測結果。無人機應用到葉片巡檢當中能夠極大增加葉片目視檢測的效率，減小停機損失。
旋翼無人機由于具備懸停和低速飛行能力，適合進行風電機葉片巡檢。多旋翼無人機以其操控簡易，維修方便，經濟性好，適合作為風電葉片巡檢的主力工具。
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