一种风电机组视频净空自动标定方法与流程

1.本发明涉及风力发电机组技术领域，尤其涉及一种风电机组视频净空自动标定方法。


背景技术：

2.视频净空监测系统是用于监测风力发电机组塔架净空距离的系统。该系统可以实时监测到风机塔架净空距离，以及变化趋势，并传递给风电机组主控系统用于控制和保护。
3.视频净空监测系统图像测距识别算法基本原理一般如下：通过图像处理技术捕获和识别叶尖等效点，并根据标定活动得到的塔筒投影点计算叶尖距离塔筒投影点的像素数量，再根据叶尖高度的像素比例尺计算叶尖到塔筒投影点的实际空间距离。
4.目前像素比例尺和塔筒投影点通常都是通过人工在地面标定来获得，并且需要专门的工具和熟练的经验才能完成。给现场施工带来诸多不便，亟待开发出一套简单易用的自动标定的流程和方法。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种风电机组视频净空自动标定方法，主要是通过机组视频净空计算的叶片划过的弦长以及所对应的像素点数量来计算像素比例尺，通过机组设计参数和仿真净空来计算塔筒投影点，不需要施工人员具有丰富的经验以及专门的标定工具，通过参数设置和图像处理方便准确有效地完成所需标定工作，最终计算求得所需的像素比例尺和塔筒投影点结果。
6.本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种风电机组视频净空自动标定方法，包括以下步骤：
7.s1、读取风电机组配置；
8.s2、载入净空监控视频片段，获取叶尖距离时序；
9.s3、根据叶尖距离时序计算叶轮转速；
10.s4、根据叶尖距离时序及风电机组配置计算得到过程记录矩阵，过程记录矩阵的每行数据包括时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率；
11.s5、利用过程记录矩阵计算像素比例尺；
12.s6、利用风电机组设计参数和仿真净空数据，在图像空间中根据几何关系计算塔筒投影点。
13.步骤s1所述的风电机组配置包括叶片尺寸参数。
14.步骤s2具体通过以下过程获取叶尖距离时序：
15.s2.1、载入净空监控视频片段；
16.s2.2、对于视频数据片段中的每一帧，以图片中间顶点a为开始点，叶尖轨迹点p为中点，求得线段ap的像素距离值；
17.s2.3各帧计算得到的像素距离值即为叶尖距离时序。
18.步骤s3具体通过以下过程计算叶轮转速：
19.s3.1、以净空监控视频片段中各帧的序号为横轴、以该帧计算得到的线段ap的像素距离值的相反数为纵轴，制作像素距离值相反数-序号波形图；
20.s3.2、识别像素距离值相反数-序号波形图中的波峰，保存每组波峰处的像素距离值和时间数据；
21.s3.3、对于每组波峰处的像素距离值和时间数据，分别通过以下公式计算叶轮转速rs：
22.rs＝1/(num
×
period
×
3)
×
60
23.其中num表示当前波峰所表示的叶尖轨迹点以及波峰前后连续叶尖轨迹点的数目之和，period表示相邻叶尖轨迹点的时间间隔。
24.步骤s3计算得到叶轮转速后，进行叶轮转速的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断叶轮转速的结果具备有效性：
25.条件a1、转速最大误差小于5％；
26.条件a2、转速大于1.2倍并网转速并小于0.95额定转速；
27.条件a3、像素距离值相反数-序号波形图中的波峰不少于6个；
28.否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。
29.步骤s3.1中，进行视频采集点的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断视频采集点具备有效性：
30.条件b1、单次计算所用的叶尖轨迹点中，波峰前的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递增，波峰后的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递减；
31.条件b2、相邻叶尖轨迹点之间的距离比不超过150％；
32.条件b3、满足条件b1、条件b2的波峰不少于3个；
33.否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。
34.步骤s4具体通过以下过程计算得到过程记录矩阵：
35.s4.1、对于每组波峰，获取波峰前后的连续的叶尖轨迹点，计算叶尖划过的像素距离c；
36.s4.2、取与步骤s4.1相同的时间间隔，利用余弦定理获取每组波峰前后叶尖在净空中划过的实际长度c：
[0037][0038]
其中，a为叶片长度，rs为转速；
[0039]
s4.3、通过以下公式计算各组波峰处对应的临时像素比例尺scale：
[0040]
scale＝c/c
[0041]
s4.4、通过以下公式计算每组波峰处的置信度ci：
[0042]
ci＝1-rse*w1-p2le*w2
[0043]
其中rse表示叶轮转速误差，通过全部叶轮转速求均方根得到，w1表示叶轮转速误差权重，p2le表示像素比例尺误差，通过各组像素比例尺求均方根得到，w2表示像素比例尺误差权重；
[0044]
s4.5、利用最小二乘法直线拟合方法获得叶尖轨迹点p的轨迹斜率；
[0045]
s4.6、将每组波峰处的时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率进行记录，构成过程记录矩阵。
[0046]
步骤s5具体包括以下过程：当过程记录矩阵的长度小于阈值，状态字设置为1；否则状态字设置为2；当状态字为1时，过程记录矩阵的临时像素比例尺取均值作为粗标定像素比例尺结果，否则取置信度前50％的临时像素比例尺取均值作为最终标定的像素比例尺结果。
[0047]
步骤s6计算塔筒投影点具体包括以下过程：设p点为在锁叶轮状态下根据图像识别技术识别的叶尖点，根据叶片设计预弯值在叶片轨迹斜率方向移动预弯距离等效的像素点数量寻到q点，直线pq的斜率为k1，根据风电机组机组空转时的净空值cl沿k1垂直方向k2移动空转净空值等效的像素数量寻到o点，即为塔筒投影点，完成塔筒投影点标定。
[0048]
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
[0049]
本发明利用视频净空监测系统识别和计算被监测叶片划过的图像，在机舱利用图像识别手段，通过叶轮旋转弧长与像素数量的比值计算像素比例尺，通过机组设计和仿真数据利用图像的几何关系计算塔筒投影点，利用机组设计和仿真参数即能自动的计算获得标定所需的像素比例尺和塔筒投影点，快捷方便，无需特殊工具，无需人员具有丰富的施工经验。
附图说明
[0050]
图1是本发明的标定过程示意图。
[0051]
图2是视频净空监测系统原理示意图。
[0052]
图3是叶尖距离示意图。
[0053]
图4是像素距离值相反数-时间波形图。
[0054]
图5是三角形边角定义示意图。
[0055]
图6是塔筒投影点坐标计算原理示意图。
[0056]
图7是塔筒投影点坐标示意图。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0058]
参照图2，本发明的原理为：塔筒投影点为叶尖水平方向在塔筒的投影点在相机中的成像点，即图像计算净空距离的起始点。像素比例尺为图像中叶尖高度单位像素所代表的实际空间距离值。像素比例尺scale的计算方法为：
[0059]
scale＝cl/cl
[0060]
其中cl为现实净空值，cl为成像净空值。
[0061]
基于上述原理，本发明提供了一种风电机组视频净空自动标定方法，参照图1，包括以下步骤：
[0062]
s1、读取风电机组配置，包括叶片长度、叶片设计预弯值和空转净空值等尺寸参数。
[0063]
s2、载入净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。具体包括以下过程：
[0064]
s2.1、载入净空监控视频片段。
[0065]
s2.2、参照图3，对于视频数据片段中的每一帧，以图片中间顶点a为开始点，叶尖轨迹点p为中点，求得线段ap的像素距离值。
[0066]
s2.3各帧计算得到的像素距离值即为叶尖距离时序。
[0067]
s3、根据叶尖距离时序计算叶轮转速。具体包括以下过程：
[0068]
s3.1、参照图4，以净空监控视频片段中各帧的序号为横轴、以该帧计算得到的线段ap的像素距离值的相反数为纵轴，制作像素距离值相反数-序号波形图。
[0069]
s3.2、识别像素距离值相反数-序号波形图中的波峰，保存每组波峰处的像素距离值和时间数据。
[0070]
s3.3、对于每组波峰处的像素距离值和时间数据，分别通过以下公式计算叶轮转速rs：
[0071]
rs＝1/(num
×
period
×
3)
×
60
[0072]
其中：
[0073]
rs表示叶轮转速，单位为rpm(转每分)；
[0074]
num表示当前波峰所表示的叶尖轨迹点以及波峰前后连续叶尖轨迹点的数目之和，单位为无量纲；
[0075]
period表示相邻叶尖轨迹点的时间间隔，单位为s。即若视频为每秒25帧图像，period则为0.04s。
[0076]
计算得到叶轮转速后，可进行叶轮转速的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断叶轮转速的结果具备有效性：
[0077]
条件a1、转速最大误差小于5％；
[0078]
条件a2、转速大于1.2倍并网转速并小于0.95额定转速；
[0079]
条件a3、像素距离值相反数-序号波形图中的波峰不少于6个；
[0080]
否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。
[0081]
判断叶轮转速的结果具备有效性后，进行视频采集点的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断视频采集点具备有效性：
[0082]
条件b1、单次计算所用的叶尖轨迹点中，波峰前的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递增，波峰后的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递减；
[0083]
条件b2、相邻叶尖轨迹点之间的距离比不超过150％；
[0084]
条件b3、满足条件b1、条件b2的波峰不少于3个；
[0085]
否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。
[0086]
s4、根据叶尖距离时序及风电机组配置计算得到过程记录矩阵，过程记录矩阵的每行数据包括时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率。具体包括以下过程：
[0087]
s4.1、对于每组波峰，获取波峰前后的连续的叶尖轨迹点，计算叶尖划过的像素距离c。
[0088]
参照图5，已知一个三角形的定点位置、两条边a和b所夹角度γ，以及两条边的长度，根据余弦定理：
[0089][0090]
可求得第三条边c的长度。风电机组各叶片长度相同，a＝b，因此可简化计算得到：
[0091][0092]
由此可进入步骤s4.2继续计算。
[0093]
s4.2、取与步骤s4.1相同的时间间隔，利用余弦定理获取每组波峰前后叶尖在净空中划过的实际长度c：
[0094][0095]
其中，a为叶片长度，rs为转速；
[0096]
s4.3、通过以下公式计算各组波峰处对应的临时像素比例尺scale：
[0097]
scale＝c/c
[0098]
s4.4、通过以下公式计算每组波峰处的置信度ci：
[0099]
ci＝1-rse*w1-p2le*w2
[0100]
其中rse表示叶轮转速误差，通过全部叶轮转速求均方根得到，w1表示叶轮转速误差权重，取值0.7，p2le表示像素比例尺误差，根据有效波峰个数和叶尖轨迹点直线拟合的斜率综合求得，w2表示像素比例尺误差权重，取值0.3。
[0101]
s4.5、利用最小二乘法直线拟合方法获得叶尖轨迹点p的轨迹斜率；
[0102]
s4.6、将每组波峰处的时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率进行记录，构成过程记录矩阵，如下表所示：
[0103][0104]
表1过程记录矩阵
[0105]
当过程记录矩阵的长度小于阈值，状态字设置为1；否则状态字设置为2；当状态字为1时，过程记录矩阵的像素比例尺取均值作为粗标定像素比例尺结果，否则取置信度前50％的像素比例尺取均值作为最终标定的像素比例尺结果。
[0106]
s5、利用过程记录矩阵计算像素比例尺，具体包括以下过程：当过程记录矩阵的长度小于阈值，状态字设置为1；否则状态字设置为2；当状态字为1时，过程记录矩阵的临时像素比例尺取均值作为粗标定像素比例尺结果，否则取置信度前50％的临时像素比例尺取均值作为最终标定的像素比例尺结果。
[0107]
s6、利用风电机组设计参数和仿真净空数据，在图像空间中根据几何关系计算塔筒投影点。参照图6，具体包括以下过程：设p点为在锁叶轮状态下根据图像识别技术识别的
叶尖点，根据叶片设计预弯值在叶片轨迹斜率方向移动预弯距离等效的像素点数量寻到q点，直线pq的斜率为k1，根据风电机组机组空转时的净空值cl沿k1垂直方向k2移动空转净空值等效的像素数量寻到o点，即为塔筒投影点，完成塔筒投影点标定。实际应用如图7所示。
[0108]
本发明提供的一种风电机组视频净空自动标定方法，主要是通过机组视频净空计算的叶片划过的弦长以及所对应的像素点数量来计算像素比例尺，通过机组设计参数和仿真净空来计算塔筒投影点，不需要施工人员具有丰富的经验以及专门的标定工具，通过参数设置和图像处理方便准确有效地完成所需标定工作，最终计算求得所需的像素比例尺和塔筒投影点结果。

技术特征：
1.一种风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于包括以下步骤：s1、读取风电机组配置；s2、载入净空监控视频片段，获取叶尖距离时序；s3、根据叶尖距离时序计算叶轮转速；s4、根据叶尖距离时序及风电机组配置计算得到过程记录矩阵，过程记录矩阵的每行数据包括时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率；s5、利用过程记录矩阵计算像素比例尺；s6、利用风电机组设计参数和仿真净空数据，在图像空间中根据几何关系计算塔筒投影点。2.根据权利要求1所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s1所述的风电机组配置包括叶片尺寸参数。3.根据权利要求1所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s2具体通过以下过程获取叶尖距离时序：s2.1、载入净空监控视频片段；s2.2、对于视频数据片段中的每一帧，以图片中间顶点a为开始点，叶尖轨迹点p为中点，求得线段ap的像素距离值；s2.3各帧计算得到的像素距离值即为叶尖距离时序。4.根据权利要求3所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s3具体通过以下过程计算叶轮转速：s3.1、以净空监控视频片段中各帧的序号为横轴、以该帧计算得到的线段ap的像素距离值的相反数为纵轴，制作像素距离值相反数-序号波形图；s3.2、识别像素距离值相反数-序号波形图中的波峰，保存每组波峰处的像素距离值和时间数据；s3.3、对于每组波峰处的像素距离值和时间数据，分别通过以下公式计算叶轮转速rs：rs＝1/(num
×
period
×
3)
×
60其中num表示当前波峰所表示的叶尖轨迹点以及波峰前后连续叶尖轨迹点的数目之和，period表示相邻叶尖轨迹点的时间间隔。5.根据权利要求4所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s3计算得到叶轮转速后，进行叶轮转速的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断叶轮转速的结果具备有效性：条件a1、转速最大误差小于5％；条件a2、转速大于1.2倍并网转速并小于0.95额定转速；条件a3、像素距离值相反数-序号波形图中的波峰不少于6个；否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。6.根据权利要求5所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：判断叶轮转速的结果具备有效性后，进行视频采集点的有效性判断，若计算同时满足以下条件则判断视频采集点具备有效性：条件b1、单次计算所用的叶尖轨迹点中，波峰前的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递增，波峰后的连续叶尖轨迹点在y轴的位置递减；
条件b2、相邻叶尖轨迹点之间的距离比不超过150％；条件b3、满足条件b1、条件b2的波峰不少于3个；否则返回步骤s2，载入新的净空监控视频片段，获取叶尖距离时序。7.根据权利要求1所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s4具体通过以下过程计算得到过程记录矩阵：s4.1、对于每组波峰，获取波峰前后的连续的叶尖轨迹点，计算叶尖划过的像素距离c；s4.2、取与步骤s4.1相同的时间间隔，利用余弦定理获取每组波峰前后叶尖在净空中划过的实际长度c：其中，a为叶片长度，rs为转速；s4.3、通过以下公式计算各组波峰处对应的临时像素比例尺scale：scale＝c/cs4.4、通过以下公式计算每组波峰处的置信度ci：ci＝1-rse*w1-p2le*w2其中rse表示叶轮转速误差，通过全部叶轮转速求均方根得到，w1表示叶轮转速误差权重，取值0.7，p2le表示像素比例尺误差，根据有效波峰个数和叶尖轨迹点直线拟合的斜率综合求得，w2表示像素比例尺误差权重,取值0.3；s4.5、利用最小二乘法直线拟合方法获得叶尖轨迹点p的轨迹斜率；s4.6、将每组波峰处的时间、临时像素比例尺、置信度、转速、转速误差、像素比例尺误差和斜率进行记录，构成过程记录矩阵。8.根据权利要求7所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s5具体包括以下过程：当过程记录矩阵的长度小于阈值，状态字设置为1；否则状态字设置为2；当状态字为1时，过程记录矩阵的临时像素比例尺取均值作为粗标定像素比例尺结果，否则取置信度前50％的临时像素比例尺取均值作为最终标定的像素比例尺结果。9.根据权利要求1所述的风电机组视频净空自动标定方法，其特征在于：步骤s6计算塔筒投影点具体包括以下过程：设p点为在锁叶轮状态下根据图像识别技术识别的叶尖点，根据叶片设计预弯值在叶片轨迹斜率方向移动预弯距离等效的像素点数量寻到q点，直线pq的斜率为k1，根据风电机组机组空转时的净空值cl沿k1垂直方向k2移动空转净空值等效的像素数量寻到o点，即为塔筒投影点，完成塔筒投影点标定。

技术总结
本发明提供了一种风电机组视频净空自动标定方法，通过叶轮稳定旋转过程中叶片划过的弦长以及所对应的像素数获得像素比例尺，然后计算塔筒投影点。本发明提供的一种风电机组视频净空自动标定方法，主要是通过机组视频净空计算的叶片划过的弦长以及所对应的像素点数量来计算像素比例尺，通过机组设计参数和仿真净空来计算塔筒投影点，不需要施工人员具有丰富的经验以及专门的标定工具，通过参数设置和图像处理方便准确有效地完成所需标定工作，最终计算求得所需的像素比例尺和塔筒投影点结果。果。果。


技术研发人员：郭晓亮 王东利 李洪任 孙凯 李东辉 王海潮 梁伟林 王东飞
受保护的技术使用者：陕西中科启航科技有限公司
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/12