一種平面法線方位角測量方法及其應用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種平面法線方位角測量方法及其應用。
【背景技術(shù)】
[0002]方位角又稱地平經(jīng)度，是從某點的指北方向線起，依順時針方向到目標方向線之間的水平夾角。風力發(fā)電機的風向標基準軸線指向與葉輪旋轉(zhuǎn)平面法線平行，對風力機準確對風尤其關(guān)鍵。因此，準確調(diào)整風向標基準軸線則需要準確測定葉輪旋轉(zhuǎn)平面的法線的方位角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種平面法線方位角測量方法，使其能夠簡單、準確、有效地測定任意平面法線方位角。
[0004]本發(fā)明的再一個目的是提供所述平面法線方位角測量方法在風力發(fā)電機的風向標基準軸線調(diào)整中的應用。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種平面法線方位角測量方法，包括以下步驟:A.調(diào)平激光發(fā)射裝置，測量其激光基準線的方位角θ ；B.啟動激光發(fā)射裝置，向待測平面發(fā)射水平的激光束，并在保持激光束水平的同時改變激光束方向，使其偏轉(zhuǎn)不同角度；C.采集待測平面反射的激光信號，計算激光束到待測平面的投射距離；D.找出投射距離最小時對應的激光束偏轉(zhuǎn)角度β ;Ε.根據(jù)γ = θ+β計算所述待測平面法線的方位角γ。
[0007]進一步地，所述步驟A中的方位角Θ通過電子羅經(jīng)測量獲得。
[0008]進一步地，所述步驟B中的激光偏轉(zhuǎn)是通過與所述激光發(fā)射裝置連接的偏轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。
[0009]進一步地，所述步驟B中的激光偏轉(zhuǎn)是通過步進電機驅(qū)動所述激光發(fā)射裝置實現(xiàn)的。
[0010]進一步地，所述步驟C中計算激光束到待測平面的投射距離通過距離傳感器測得。
[0011]進一步地，當待測平面處于電磁干擾區(qū)時，所述步驟A中的方位角Θ通過如下方式校正:先在非電磁干擾區(qū)獲得激光基準線的方位角Qtl，再到待測平面所處的電磁干擾區(qū)放置激光發(fā)射裝置并調(diào)平后，測量激光發(fā)射裝置位移產(chǎn)生的角度α，則校正后方位角Θ =
θ 0+ α 0
[0012]進一步地，所述激光發(fā)射裝置位移產(chǎn)生的角度α通過電子陀螺儀測量獲得。
[0013]所述的平面法線方位角測量方法的應用，用于通過測量滑環(huán)斷面的法線的方位角，并將其值作為葉輪旋轉(zhuǎn)平面的軸線方位角值來調(diào)整風力發(fā)電機的風向標基準軸線。
[0014]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點:
[0015](I)可簡單、準確、有效地獲得任意平面的法線方位角。
[0016](2)平面法線方位角測量裝置，可避免環(huán)境中電氣設(shè)備磁場的干擾，并且實現(xiàn)測量過程自動化，最大限度降低人為因素影響及提高生產(chǎn)效率。
[0017](3)應用于風力發(fā)電機，通過測量滑環(huán)斷面的方位角，可以準確獲得葉輪旋轉(zhuǎn)平面的軸線方位角，為風機數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。
【附圖說明】
[0018]上述僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，以下結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0019]圖1是平面法線方位角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明的平面法線方位角測量方法的原理圖。
[0021]圖3是待測平面法線在水平面投影線oc的確定過程示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明一種平面法線方位角測量方法，包括以下步驟:A.調(diào)平激光發(fā)射裝置，測量其激光基準線的方位角θ ；B.啟動激光發(fā)射裝置，向待測平面發(fā)射水平的激光束，并在保持激光束水平的同時改變激光束方向，使其偏轉(zhuǎn)不同角度；C.采集待測平面反射的激光信號，計算激光束到待測平面的投射距離；D.找出投射距離最小時對應的激光束偏轉(zhuǎn)角度β ;E.根據(jù)γ = θ+β計算所述待測平面法線的方位角γ。
[0023]當待測平面處于電磁干擾區(qū)時，步驟A中的方位角Θ通過如下方式校正:先在非電磁干擾區(qū)獲得激光基準線的方位角Θ ^，再到待測平面所處的電磁干擾區(qū)放置激光發(fā)射裝置并調(diào)平后，測量激光發(fā)射裝置位移產(chǎn)生的角度《，則校正后方位角θ = θ(1+α。
[0024]請參閱圖1所示，本發(fā)明的平面法線方位角測量方法可通過以下形式的測量系統(tǒng)實現(xiàn)。測量系統(tǒng)包括具有調(diào)平裝置的支架，所述支架上安裝有主機系統(tǒng)，主機系統(tǒng)包括控制裝置、分別與控制裝置連接的激光發(fā)射裝置、激光偏轉(zhuǎn)裝置、反射光接收裝置、電子羅經(jīng)、電子陀螺儀以及水平儀。主機系統(tǒng)可配置殼體、實體按鍵及顯示屏等，并采用可充電電池為各部件供電。
[0025]具體而言，各部件功能如下:
[0026]激光發(fā)射裝置:發(fā)射激光脈沖。
[0027]激光偏轉(zhuǎn)裝置:改變激光傳輸方向，將轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)回傳給控制裝置。反射光接收裝置:接收反射激光脈沖。
[0028]電子羅經(jīng):測量激光發(fā)射裝置的激光基準線(未經(jīng)偏轉(zhuǎn)的初始激光方向)的方位角，與控制裝置通訊，回傳方位角測量結(jié)果。安裝時，電子羅經(jīng)與激光發(fā)射裝置的基準線平行即可。
[0029]電子陀螺儀:測量設(shè)備移動造成的激光發(fā)射裝置產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)角度α，即初始激光束的方位角偏轉(zhuǎn)角度α。
[0030]支架通過可伸縮支撐桿調(diào)平，并由水平儀(優(yōu)選電子水平儀)顯示是否調(diào)成水平。
[0031]控制裝置:控制激光偏轉(zhuǎn)裝置動作、接收并處理激光偏轉(zhuǎn)裝置偏轉(zhuǎn)角度數(shù)據(jù)、控制激光發(fā)射裝置、處理反射光接收裝置信號并得出距離讀數(shù)、處理電子陀螺儀測量數(shù)據(jù)、控制顯示屏輸出、計算待測平面法線方位角、記錄測量時間及測量結(jié)果、與PC及電子羅經(jīng)通信。
[0032]上述測試系統(tǒng)中，可增加激光束如設(shè)置多個激光發(fā)射裝置實現(xiàn)高精度距離測量，從而提高整套裝置的測量精度；偏轉(zhuǎn)裝置可設(shè)置為偏轉(zhuǎn)鏡，也可以替換為其他偏轉(zhuǎn)光束的方案，如通過步進電機驅(qū)動激光發(fā)射裝置轉(zhuǎn)動，或者驅(qū)動整套裝置轉(zhuǎn)動。反射光接收裝置可采用距離傳感器。進一步地，還可以增加GPS定位裝置，記錄當前測量位置及測量時間。
[0033]請配合參閱圖2所示，設(shè)置測試系統(tǒng)的參考坐標系oxyz (直角坐標系)，其中y軸與未偏轉(zhuǎn)的激光束重合，xy平面與水平面平行，激光偏轉(zhuǎn)裝置采用偏轉(zhuǎn)鏡，偏轉(zhuǎn)鏡可以繞z軸旋轉(zhuǎn)。應用上述的系統(tǒng)測量平面法線方位角，測量過程如下:
[0034]I)當待測平面所在地點電磁干擾較大時，先在弱/無電磁干擾環(huán)境下調(diào)平支架，激光發(fā)射裝置被調(diào)平，其發(fā)射的初始激光束oa (未經(jīng)偏轉(zhuǎn)的激光束射向)為水平向，由電子羅經(jīng)測得oa的方位角Θ，然后移動設(shè)備到待測平面所在地點并調(diào)平。由于設(shè)備移動oa線偏轉(zhuǎn)了角度α (由電子陀螺儀測得)，此時0&與7軸重合。測出待測平面法線在xy平面的投影線oc (偏轉(zhuǎn)后的激光束射向)與y軸的夾角β (受偏轉(zhuǎn)鏡控制)，則待測平面法線的方位角 ? = θ + α + β。
[0035]2)當待測平面所在地點無電磁干擾，或電磁干擾較弱時，設(shè)備調(diào)平后直接測量圖中y軸方位角Θ，測出待測平面法線在Xy平面的投影線0C與y軸的夾角β，則待測平面法線的方位角γ = θ + β。
[0036]上述過程中，找到待測平面法線在xy平面上投影oc線的過程如下:
[0037]激光束經(jīng)偏轉(zhuǎn)在待測平面沿著一條直線段ef掃描。由于偏轉(zhuǎn)鏡繞z軸旋轉(zhuǎn)，ef在xy平面內(nèi)。通過距離傳感器測得oc線長度最短(oc垂直于ef)，則oc線就是待測平面法線在水平面上的投影。相關(guān)證明如下:
[0038]如圖3所示，建立兩套右手直角坐標系，分別為測試裝置坐標系oxyz，待測平面坐標系cx2y2z2。其中oxyz坐標系x軸為未經(jīng)偏轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)的激光束傳播方向，x，y平面與水平面平行。待測平面坐標系的y2軸為待測平面與測試裝置坐標系xy平面的相交線。兩套坐標系原點連線OC與γ2垂直。
[0039]因為ζ2與y2垂直，oc連線與y2垂直，所以y2是oc，z2軸所確定平面的法線。又因為過C，只有一個平面與y2垂直，且x2z2與y2垂直，所以oc在x2z2平面內(nèi)。
[0040]因為xy平面過x2z2平面法線，即y2，所以x2z2平面與xy平面垂直。又因為xy平面與水平面平行，所以x2z2平面與水平面垂直。
[0041]因此，根據(jù)投影線的定義，oc是x2軸在水平面上的投影。
[0042]上述的平面法線方位角測量方法應用于風力發(fā)電機，可通過準確測量滑環(huán)斷面的法線的方位角，將其值作為葉輪旋轉(zhuǎn)平面的軸線方位角值，并據(jù)此調(diào)整風力發(fā)電機的風向標基準軸線，從而為風機數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。
[0043]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改、等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種平面法線方位角測量方法，其特征在于，包括以下步驟: A.調(diào)平激光發(fā)射裝置，測量其激光基準線的方位角Θ; B.啟動激光發(fā)射裝置，向待測平面發(fā)射水平的激光束，并在保持激光束水平的同時改變激光束方向，使其偏轉(zhuǎn)不同角度； C.采集待測平面反射的激光信號，計算激光束到待測平面的投射距離； D.找出投射距離最小時對應的激光束偏轉(zhuǎn)角度β； Ε.根據(jù)γ = θ+β計算所述待測平面法線的方位角γ。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，所述步驟A中的方位角Θ通過電子羅經(jīng)測量獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，所述步驟B中的激光偏轉(zhuǎn)是通過與所述激光發(fā)射裝置連接的偏轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，所述步驟B中的激光偏轉(zhuǎn)是通過步進電機驅(qū)動所述激光發(fā)射裝置實現(xiàn)的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，所述步驟C中計算激光束到待測平面的投射距離通過距離傳感器測得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，當待測平面處于電磁干擾區(qū)時，所述步驟A中的方位角Θ通過如下方式校正:先在非電磁干擾區(qū)獲得激光基準線的方位角Θ ^，再到待測平面所處的電磁干擾區(qū)放置激光發(fā)射裝置并調(diào)平后，測量激光發(fā)射裝置位移產(chǎn)生的角度α，則校正后方位角θ = θ-α。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的平面法線方位角測量方法，其特征在于，所述激光發(fā)射裝置位移產(chǎn)生的角度α通過電子陀螺儀測量獲得。
8.權(quán)利要求1-7任一項所述的平面法線方位角測量方法的應用，其特征在于，用于通過測量滑環(huán)斷面的法線的方位角，并將其值作為葉輪旋轉(zhuǎn)平面的軸線方位角值來調(diào)整風力發(fā)電機的風向標基準軸線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面法線方位角測量方法及其應用，所述方法包括以下步驟：A.調(diào)平激光發(fā)射裝置，測量其激光基準線的方位角θ；B.啟動激光發(fā)射裝置，向待測平面發(fā)射水平的激光束，并在保持激光束水平的同時改變激光束方向，使其偏轉(zhuǎn)不同角度；C.采集待測平面反射的激光信號，計算激光束到待測平面的投射距離；D.找出投射距離最小時對應的激光束偏轉(zhuǎn)角度β；E.根據(jù)γ＝θ+β計算所述待測平面法線的方位角γ。本發(fā)明可簡單、有效、準確地獲得任意平面的法線方位角。應用所述方法于風力發(fā)電機，通過測量滑環(huán)斷面的方位角，可以準確獲得葉輪旋轉(zhuǎn)平面的軸線方位角，為風機數(shù)據(jù)分析、優(yōu)化提供必要的數(shù)據(jù)支撐。
【IPC分類】G01C1-00
【公開號】CN104697487
【申請?zhí)枴緾N201510153022
【發(fā)明人】羅紹卓, 羅林
【申請人】北京天源科創(chuàng)風電技術(shù)有限責任公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年4月2日