風(fēng)電機組塔筒內(nèi)壁除銹機器人的設(shè)計

摘 要：針對海上風(fēng)電機組塔筒內(nèi)部環(huán)境長期潮濕悶熱以及鹽霧腐蝕導(dǎo)致的銹蝕問題，本文設(shè)計一款智能化的塔筒內(nèi)壁除銹機器人。該機器人集成了遠程控制系統(tǒng)、移動機組、銹斑檢測系統(tǒng)、打磨系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)，進行全自動化銹斑檢測、打磨和防銹噴涂，提高效率，降低運維成本。其具備遠程監(jiān)控和操控功能，可保障操作安全和準確性。海上風(fēng)電機組塔筒除銹檢測機器人是一款集智能化、高效性和安全性于一體的新能源運維產(chǎn)品，為海上風(fēng)電機組的長期穩(wěn)定運行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組塔筒內(nèi)壁除銹；風(fēng)機維護；人工智能；延長風(fēng)電機組塔筒壽命

中圖分類號：TM 242 " " " " " " 文獻標志碼：A

風(fēng)能是一種可再生清潔能源，發(fā)展迅速。根據(jù)國家氣象部門統(tǒng)計，我國近海風(fēng)能儲量達7.5億kW，遠海儲量更龐大。據(jù)測算，預(yù)計“十四五”期間，我國海上風(fēng)電的累計裝機容量將達到46.8 GW，其中新增裝機容量為37.8 GW，年均新增裝機容量達到7.6 GW。2024年，全球海上風(fēng)電運維市場規(guī)模有望超過100億元。

海上風(fēng)電處于鹽霧腐蝕、海浪載荷、海冰沖撞和臺風(fēng)破壞等復(fù)雜環(huán)境中，其中腐蝕問題十分嚴峻，導(dǎo)致風(fēng)機疲勞損傷增加了23.9%，影響使用壽命。塔筒腐蝕會降低其強度和承載能力，構(gòu)成安全隱患，海洋腐蝕縮短機組壽命，增加投資和維護成本。因此，海上風(fēng)電必須考慮防腐蝕。我國海上風(fēng)機運維起步晚，技術(shù)不成熟。我國主要采用高強度的復(fù)合鋼、疊涂防腐涂層以及犧牲陽極陰極保護這3種方式來防止生銹，但是其耗時、耗力，不能及時、高效地解決問題。

本文針對風(fēng)電機組塔架水下銹蝕問題提出一款效率高、功能強的海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人，可自主完成圖像數(shù)據(jù)搜集、處理以及除銹與預(yù)防等工作。其提高了除銹效率，降低了運維成本與風(fēng)險。

1 設(shè)計方案

1.1 總體設(shè)計思路

為了延長塔筒壽命，減少生銹腐蝕塔筒的概率，本文設(shè)計了一款由遠程控制系統(tǒng)、移動機組、銹斑檢測系統(tǒng)、打磨系統(tǒng)和噴涂系統(tǒng)組成的塔筒內(nèi)壁智能除銹機器人。該機器人主要由感知層、控制層和執(zhí)行層組成，包括攝像頭、傳感器、電動機、六足、磨砂輪、涂料刷和電磁鐵等器件。塔筒內(nèi)壁除銹機器人設(shè)計如圖1所示。

1.2 單元設(shè)計

1.2.1 硬件設(shè)計

1.2.1.1 防水與密封

本項目采用有效的密封設(shè)計，阻止外部水流和濕氣進入機器內(nèi)部，同時提高電機等關(guān)鍵元件的動力傳輸效率。動力部分的密封方案采用“O”形密封圈和聚四氟乙烯滑環(huán)的組合[4]，這種方案在“O”形密封圈的基礎(chǔ)上進行改進，具有結(jié)構(gòu)簡單、方便維護、耐磨、低成本和適用范圍廣泛等優(yōu)點。

1.2.1.2 穩(wěn)定性分析

為了保證機器人穩(wěn)定運行，應(yīng)有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于7 cm，大型水下機器人高度應(yīng)相應(yīng)增加。因此，根據(jù)總體布置分別計算機器人的重心和浮心坐標位置，即分別列出各部分的重心和浮心在總布置圖中所選定坐標系中的3個坐標值。重心位置如公式（1）～公式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中：Xg、Yg和Zg分別為物體的浮心在選定坐標系中的3個坐標值；∑Mx、 ∑My和 ∑Mz分別為物體各個部分的質(zhì)量乘以其相對于坐標原點的位置分量；∑W為所有質(zhì)量之和。

浮心位置如公式（4）～公式（6）所示。

（4）

（5）

（6）

式中：Xc、Yc和Zc分別為物體的浮心在選定坐標系中的3個坐標值。

穩(wěn)心高度計算過程如公式（7）所示。

h=Zc-Zg " " " " " " " " " （7）

即浮心與重心之間的垂直距離。

為保持機器平衡，使Xc=Xg，Yc=Yg。如果Xc=Xg，Yc=Yg不滿足，那么應(yīng)調(diào)整機器人總體布局，雖然不能絕對相等，但是應(yīng)使tgφ0=。

為保證機器人的穩(wěn)定性，基于靜力平衡原理，其重心（Center of Gravity）和浮心（Center of Buoyancy）在某些軸中的投影應(yīng)盡量相等或非常接近。具體來說，要保持機器人穩(wěn)定，理想情況是重心和浮心重合或者它們的縱向（X軸）和橫向（Y軸）投影相等，即Xc≈Xg；且Yc≈Yg。這樣可以最小化翻轉(zhuǎn)的風(fēng)險，使機器人在受到外部擾動后能自然恢復(fù)至平衡狀態(tài)。

當(dāng)Xc≠ Xg或Yc ≠Yg 時不滿足平衡條件，說明在該方向存在一個不平衡的力矩，可能會導(dǎo)致機器人傾斜或翻轉(zhuǎn)。在實際工程設(shè)計中，由于結(jié)構(gòu)布局、設(shè)備安裝位置等限制，因此很難使重心和浮心完全重合，但是調(diào)整總體布局（例如改變質(zhì)量分布、使用壓載物或者調(diào)整浮力模塊的位置等）可以盡量減少這種偏差，保證機器人的動態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。

1.2.2 軟件設(shè)計

1.2.2.1 銹蝕預(yù)測系統(tǒng)

海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人的銹蝕預(yù)測系統(tǒng)主要由利用EKF與LM算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成，其作用是預(yù)測塔架的銹蝕程度。其中，EKF算法計算已知數(shù)據(jù)、分析外部環(huán)境來進行模擬，預(yù)測塔架銹蝕可能發(fā)生的位置[1]。該算法彌補了海上風(fēng)電機組銹蝕問題處理實時性差的缺陷。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度更快，精度更高，收斂速度更快，可以采用梯度計算精確定位卡爾曼濾波算法預(yù)測的銹蝕部位。

1.2.2.2 除銹系統(tǒng)

利用MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對銹蝕圖像進行識別，并采用梯度算法預(yù)估可能會生銹的部位，規(guī)劃最佳路線。主控制板的作用是將信息傳遞至控制板一，由控制板一控制機器人的6個機械臂。利用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統(tǒng)對位置進行精確調(diào)整與控制，使機器人可以到達相應(yīng)位置。一旦到達位置，攝像頭就將銹蝕信息傳遞至主控制板。主控制板中的銹蝕檢測儀利用圖像數(shù)據(jù)的采集與處理技術(shù)判斷預(yù)估部位是否存在銹蝕。如果檢測不到銹蝕，那么機器移動至下一個預(yù)估生銹部位繼續(xù)檢測；如果存在銹蝕，那么觸發(fā)控制板二的除銹系統(tǒng)。利用3D傳感器和控制板二建立模型數(shù)據(jù)，獲取坐標，為后續(xù)檢測和修復(fù)提供依據(jù)。此時機器人靜止，機械臂控制磨砂輪配合恒力打磨系統(tǒng)對銹蝕部位進行打磨，高柔性智能力控打磨技術(shù)可以使曲面打磨精準、高效。打磨完畢，機械臂控制涂抹刷和高壓噴管按規(guī)定路線在打磨過的區(qū)域噴涂高性能環(huán)氧樹脂防銹涂料，避免塔架二次生銹。對噴涂后的涂料進行烘干處理，處理結(jié)束后進行檢測，保證涂料完全覆蓋并牢固附著在金屬表面。涂層工作結(jié)束后，傳感器傳遞信息至控制層，表明工作完成，機器人離開至下一個銹蝕預(yù)測點。除銹機器人工作邏輯如圖2所示。

1.2.2.3 遠程控制模塊

該模塊由Wi-Fi+App和CPU組成，當(dāng)用手機或電腦發(fā)出信號后，Wi-Fi接收發(fā)來指令，利用Wi-Fi與CPU進行串口通信。本設(shè)計利用傳感器檢測機器人的信號變化，進行實時通信，傳感器采集信號后發(fā)送至NodeMCU單片機，信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，由Wi-Fi發(fā)出通信數(shù)據(jù)，NodeMCU單片機使用顯示器顯示接收的數(shù)據(jù)，以檢測加熱溫度的變化。

1.2.2.4 圖像識別與數(shù)據(jù)處理

該機器人在頂部安裝了攝像頭，搜集水下圖像信息，并將其傳遞至主控制板STM32的信息處理模塊。將傳統(tǒng)圖像處理方法SURF與Ramsac算法結(jié)合，提取特征點，對圖像進行識別、拼接和分析，輔助機器人在水下進行定位和測量銹蝕距離，從而更加靈活地移動機器人[2]。采用最新的深度學(xué)習(xí)目標檢測算法YOLOv5進行視覺智能識別，判斷待檢測部位是否存在銹蝕。機器人深度測量采用位于前端的位置傳感器，使用壓電陶瓷換能器產(chǎn)生超聲波，并計算從發(fā)射至接收反射波的時間，將數(shù)據(jù)傳輸至控制板輸入端。根據(jù)時間測距法可計算機器人的高度，并進行相應(yīng)的操作。

1.2.2.5 水下一體化除銹系統(tǒng)

為了對曲面進行精準、高效打磨，該除銹系統(tǒng)將3D傳感器、高柔性智能力控制打磨技術(shù)和離線恒力控制相結(jié)合。首先，機器人利用計算機視覺掃描銹蝕表面，建立待打磨部位的彩色點云模型，采用RANSAC平面擬合和區(qū)域分割的方法獲得模型中點的坐標數(shù)據(jù)。智能力控制打磨技術(shù)主要利用內(nèi)置傳感器和攝像頭實時監(jiān)測壓力、自身姿勢等信息，搭配力控打磨工具實時調(diào)整打磨壓力，保證打磨高精度、高質(zhì)量和高效率。利用RobotArt離線編程構(gòu)建剛度模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接觸模型和概率動力學(xué)模型以保持打磨工具與被打磨表面之間的恒定跟蹤壓力[3]。

1.2.2.6 吸附式螺旋移動以及控制

該海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人移動方式為吸附式移動，其包括6條關(guān)節(jié)式機械臂，每條臂有3個自由度，保證機器人的魯棒性。這些機械臂在頂端配備電磁鐵，利用通電和斷電來產(chǎn)生足夠大的磁力，保證當(dāng)運動時機器人可以牢固地吸附在塔筒壁上，不發(fā)生位移，在風(fēng)電機組塔筒壁上靈活地吸附式移動。具體形態(tài)如圖3所示。

在移動過程中，該機器人采用三角步態(tài)的強耦合姿態(tài)運動方式[5]，如圖4所示。因此，機械臂一、機械臂三和機械臂五保持不動，構(gòu)成穩(wěn)定支撐相，機械臂二、機械臂四和機械臂六為擺動相，同時向前擺動以驅(qū)動機器人本體。機械臂的小臂與地面夾角不小于10°且不大于40°，向內(nèi)側(cè)傾斜，每步移動距離不低于50 mm，當(dāng)機體運動時距離地面最低高度為100 mm，保持與塔筒面平行，沒有過大起伏。當(dāng)占空系數(shù)≥0.5時，可以保證在移動的過程中擺動相和支撐相不會發(fā)生重疊并且機器人始終緊貼在塔筒壁上，不會出現(xiàn)掉落的情況。使用基于ZMP判據(jù)的步態(tài)模仿方法驗證了該移動方式的穩(wěn)定性。歸一化的能量穩(wěn)定裕度法可以更加準確地描述機器人在豎直曲面中的穩(wěn)定性。

該機器人采用STM32單片機為核心控制系統(tǒng)，進行固定路線勻速螺旋式下潛。機器人到達塔底后繞塔底一周，再返回塔面按照原路線向上行駛。這種移動方式不僅可以對已經(jīng)處理過的塔壁進行二次檢測，還能夠檢驗防腐涂料的覆蓋完整性，保證防腐效果。如果在上升過程中發(fā)現(xiàn)防腐涂料噴涂不完整，那么機器人會再次進行噴涂。機器人的螺旋式運行軌跡如圖5所示。

1.2.2.7 遠程監(jiān)控操作系統(tǒng)

該水下除銹機器人預(yù)計采用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺，進行遠程監(jiān)控和操作。硬件采用SAMSUNG公司的32位ARM9TDMI微處理器，該處理器速度較快，主頻高。軟件采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。當(dāng)工作時，攝像頭采集現(xiàn)場視頻圖像，使用vide041inux編程接口獲取視頻流，運用以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的算法進行無損壓縮以縮小文件大小。使用Aqua-Fi水下無線系統(tǒng)和激光將數(shù)據(jù)傳輸至岸上，對水下工作進行遠程實時監(jiān)控。

2 理論設(shè)計計算

設(shè)水下塔筒高40 m，直徑7 m，表層涂料厚0.6 mm，磨砂輪半徑為0.05 m，空載轉(zhuǎn)速10 000 r/min，該海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人對1 m2的塔筒壁除銹并上涂層需要5 min～

8 min，工作時間約為每天1 h～2 h，機器人質(zhì)量為3 kg，六足與筒壁的滾動摩擦因數(shù)為0.35，當(dāng)機器工作時，其能耗計算如下。

2.1 耗能計算

電工計算過程如公式（8）～公式（10）所示。

W=Pt " " " " （8）

式中：W為消耗的總能量；P為磨砂輪功率；t為工作時間。

T=FR （9）

P=Tn/9 550 " " （10）

P=821.3×10 000/9 550=860 W

式中：T為轉(zhuǎn)矩；F為作用在物體上的力；R為磨砂輪半徑；n為轉(zhuǎn)速。

磨砂輪耗能計算過程如公式（11）所示。

W1≈5.16×104 J " " （11）

機器人步幅約為3 cm，抬腿高度約為0.2 cm，設(shè)為字母L；工作距離為80 m，機器人需要克服吸附力266次，每次有3條足運動，機器人需要克服吸附力約80次。海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人工作一次運動克服電磁鐵需要消耗的能量計算過程如公式（11）～公式（16）所示。

F=B2S/2μ0 " " " " "（12）

F=∫B bS/2μ0dB2 " " " " " " " " （13）

F平=1/4∫B bS/μ0dB2 " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（14）

W吸=nF平L （15）

W2=（f/μ+mg-f?。+（f/μ-mg+f浮）·h=34 285.714 J " " " "（16）

式中：B為機器人抬起一條腿所需的力；S為機器人工作時移動的距離；μ0為真空導(dǎo)率；∫B b為B和b這2個量的微小變化；dB2為相對于自變量 B2的積分；F平為機器人克服吸附力所需要的平均力；W吸為機器人克服吸附力所做的功；f為摩擦力；μ為滑動摩擦因素；m為機器人質(zhì)量；g為重力加速度；f浮為物體在液體或氣體中受到的浮力；h為工作高度或者工作距離。

海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人工作一次最少需要的能量如公式（17）所示。

W=W1+W2=85 885.7 J （17）

可得該海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人的能耗大約為86 000 J。

2.2 吸附力計算

該機器人磁鐵吸附于風(fēng)機筒壁吸附力的計算過程如公式（18）～公式（20）所示。

F浮=ρgV=4.076 8 N （18）

f≥（mg-F浮）/μ=（30×9.8-4.076 8）/0.35=74.06 N " " " " "（19）

F吸附≥f （20）

式中：ρ為密度；V為機器人排開的流體（空氣）體積；F吸附為機器人磁鐵需要提供的最小吸附力。

為防止機器人在海中遇到狀況而脫離管壁，電磁鐵吸附力約為150 N，分攤至支持的3條足上，每條吸附力須達到2.5 kg。

根據(jù)以上計算結(jié)果并綜合其他各因素，該海上風(fēng)電機組塔筒水下除銹機器人選用7.4 V 2.6 AH大容量三元鋰電池。由于單樁塔架位于淺海區(qū)域，環(huán)境對電磁鐵影響很小，因此不考慮環(huán)境水流對機器的影響，可采用吸附力為2 500 N的電磁鐵使該機器人進行吸附式移動。

3 創(chuàng)新點

本文設(shè)計的除銹機器人有以下4個方面的創(chuàng)新。1）基于卡爾曼濾波算法的銹蝕檢測儀檢測測塔筒生銹的區(qū)域。2）點云模型結(jié)合智能化力控打磨技術(shù)進行3D曲面高精度打磨。3）電磁鐵完成吸附式螺旋移動，保證設(shè)備的穩(wěn)定性和移動功能。4）由主、從單片機控制，將所有除銹步驟按流程執(zhí)行，使檢測、除銹和預(yù)防工作一體化。

4 結(jié)語

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，風(fēng)電機組運維也面臨挑戰(zhàn)。因此，本文設(shè)計了安全、智能的塔筒除銹方案，該方案實用、高效，解決了時效性差、成本高和危險性大等問題，具備廣泛推廣價值。

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作者簡介：王向影（2003—），女，漢族，江蘇宿遷人，本科，研究方向為新能源產(chǎn)品的設(shè)計。

電子郵箱：2809783166@qq.com。

通信作者：卿曉梅（1983—），女，漢族，四川簡陽人，碩士，高級實驗師，研究方向為新能源產(chǎn)品設(shè)計和新材料計算。

電子郵箱：165417841@qq.com。