技术领域
[0001] 本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种风力发电机叶片除冰机器人及工作方法。
相关背景技术
[0002] 随着国家对环境保护的日益重视，国家对新能源尤其是清洁能源发展的支持力度持续加大。风能属于可再生能源，风力发电也就成为国内外研究的热点，中国产的风机已经成为主流机型在全世界范围内迅速推广。中国的风力发电机多分布在南方沿海、高山地带或者边疆地区，尤其是冬天，极易受叶片覆冰问题的困扰，导致发电机组功率降低，甚至影响风力发电机的使用寿命。传统的叶片除冰方式有人工、气囊式、电脉冲、超声波、电加热等，这些单一除冰方式或过于危险、或除冰效率低、或影响发电机叶片的使用寿命。
具体实施方式
[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042] 如图1‑2所示，风力发电机叶片除冰机器人包括中央控制器、攀爬行走机构、覆冰识别系统、多功能除冰机构和远程监控系统。风力发电机包括塔筒1、叶片2和机舱3，机器人进行除冰作业时，将结冰的叶片2调整至与塔筒1平行的竖直状态，此时除冰机器人通过攀爬行走机构移动并固定于塔筒1靠近叶片2一侧的表面上，然后通过包括双目立体相机9的覆冰识别系统获取覆冰的空间位置信息，最后使用多功能除冰机构对结冰叶片进行除冰作业。
[0043] 风力发电机叶片除冰机器人的电力通过线缆18和移动电源19供应。
[0044] 防冻液的储存罐15放置在风力发电机塔筒1底部周围的地面上，用软管20连接到防冻液喷洒装置13上，通过软管20上设置的增压泵16进行防冻液的输送。
[0045] 远程监控系统包括地面显示屏17，地面显示屏17与中央控制器通讯连接，中央控制器与双目立体相机9通讯连接，或者地面显示屏17与双目立体相机9直接通讯连接，从而便于地面显示屏17实时获取来自双目立体相机9的作业图像。
[0046] 作为一种优选，中央控制器型号可采用NVIDIA Jetson AGX Xavier，攀爬行走机构包括底盘控制器4，多功能除冰机构包括机械臂控制器5，中央控制器与底盘控制器4和机械臂控制器5进行通讯连接，实现对攀爬行走机构和多功能除冰机构的实时控制。
[0047] 如图3所示，攀爬行走机构还包括车身21、永磁吸附履带6及步进电机7。所述底盘控制器4、机械臂控制器5、永磁吸附履带6及步进电机7分别安装于车身21上。中央控制器固定地安装在所述车身21内部。永磁吸附履带的永磁材料可选择钕铁硼磁铁。车身21两侧的4个步进电机7分别通过相邻的齿轮8将扭矩传递至车身两侧的一对永磁吸附履带6上。当底盘控制器4接收到中央控制器的指令，可控制各步进电机7独立地工作，实现车身的前进、后退、差速转向、停止，使除冰机器人可在风力发电机塔筒1外壁表面自由攀爬行走。
[0048] 覆冰识别定位系统通过双目立体相机9和深度学习实现。双目立体相机9可选择ZED 2i。双目立体相机9固定设置于多功能除冰机构自由端的一侧，用于对风力发电机叶片上的覆冰进行识别、定位及冰层厚度监测。
[0049] 如图4所示，多功能除冰机构固定设置于车身21的一侧，其包括六自由度机械臂10，六自由度机械臂10的末端设置有功能转换圆盘14，功能转换圆盘14的外侧壁上间隔
120°分别设置有微波除冰装置11、暖风干燥装置12和防冻液喷洒装置13，三者通过功能转换圆盘14相于机械臂末端的转动进行位置切换。微波除冰装置11、暖风干燥装置12和防冻液喷洒装置13既能够独立工作也能够同时工作，在面对不同部位的覆冰或不同厚度的覆冰时，选用上述不同的装置朝向不同的覆冰。微波除冰装置11通过电磁转换装置产生微波来加热其前方的覆冰。暖风干燥装置12将加热后的空气吹向其前方的覆冰。防冻液喷洒装置
13将增压泵16送来的冰点远低于零度(如冰点为‑45℃)的溶液喷洒到其前方的覆冰上，以加速覆冰的融化。
[0050] 一种风力发电机叶片除冰机器人工作方法，包括以下步骤：
[0051] S11.将待处理的风力发电机叶片调整至与塔筒1平行的竖直状态；
[0052] S12.攀爬行走机构通过永磁吸附履带6攀爬、移动并固定于塔筒1靠近叶片一侧表面上的设定位置；
[0053] S13.通过覆冰识别系统获取叶片上覆冰的位置信息；
[0054] S14.将位置信息传送至中央控制器，再由中央控制器通过机械臂控制器5控制六自由度机械臂10移动到指定位置；
[0055] S15.通过微波加热使风力发电机叶片的覆冰表层融化；
[0056] S16.中央控制器控制功能转换圆盘14旋转并使用暖风干燥装置12对准微波加热后的覆冰吹出暖风、以便加速覆冰表层的融化速度直至冰层厚度达到2mm；
[0057] S17.继续转动功能转换圆盘14并使用防冻液喷洒装置13对准暖风加热后的覆冰、喷洒防冻液促使残余的覆冰自然融化和脱落，并且防止覆冰在完全融化前的二次结冰，该解冻方式能够明显减少覆冰融化的作业时间。
[0058] 当需要多次除冰时，可以重复上述步骤。
[0059] 上述除冰步骤中，利用微波加热方式能够使冰层整体迅速且均匀地升温，使覆冰表层开始融化，然而当微波对覆冰加热时也会同时对叶片进行加热，因此微波加热过程必须控制在设定时间内，以防被加热的叶片温度过高而损坏。之后利用暖风装置对覆冰表面进行吹风，促使冰层从表面开始逐步融化且不会对叶片产生影响。当冰层厚度小于或等于2mm时，冰层与叶片表面之间已出现明显缝隙，此时喷洒的防冻液能够更快地渗入冰层与叶片表面之间的缝隙，加快剩余覆冰的自然融化及脱落，并且喷洒过程结束后无需等待，多功能除冰机构能够立即更换作业对象，从而节省了作业时间。
[0060] 功能转换圆盘14通过自身的旋转来切换微波除冰装置11、暖风干燥装置12和防冻液喷洒装置13的位置，通过上述除冰步骤S15‑S17的配合，能够实现面向功能转换圆盘14的各块覆冰轮流被微波除冰装置11、暖风干燥装置12和防冻液喷洒装置13的对准并完成相应的作业步骤，实现除冰过程的流水化作业，提高了作业的效率。与此同时，若攀爬行走机构和六自由度机械臂10分别进行移动轨迹的提前规划与设定，则叶片表面各处的覆冰都能以上述流水化作业的方式依次进行除冰作业，进一步提高了作业的效率。
[0061] 作为一种优选，S13中获取覆冰的空间位置信息采用以下步骤：
[0062] S21.通过双目立体相机9采集风力发电机叶片覆冰图像；
[0063] S22.使用Labelme标注软件对采集的覆冰图像进行标记，构建包含训练集和测试集的覆冰数据集；
[0064] S23.选择一阶段深度学习算法YOLO v8对覆冰数据集进行训练，生成覆冰AI识别模型；
[0065] S24.中央控制器调用训练所生成的覆冰AI识别模型进行叶片覆冰的识别、冰层厚度计算并在拍摄的图像中绘制覆冰位置识别框；
[0066] S25.中央控制器通过位置识别框在图像中的位置计算得出所识别的覆冰相对于相机所在位置的空间坐标，为除冰操作提供精确的定位信息并传输给机械臂控制器5。
[0067] 为了进一步拓展除冰机器人的使用场景，作为一种优选，在双目立体相机9的一侧设有与中央控制器通讯连接的超声波传感器(图中未显示)，其用于监测双目立体相机9面向的叶片覆冰并利用超声波测量该覆冰的冰层厚度、对覆冰进行定位，以便使除冰机器人在光线不足的外界条件下或者当双目立体相机9识别的图像出错时，仍然能正常工作。
[0068] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
