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

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)壁除銹；風(fēng)機(jī)維護(hù)；人工智能；延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組塔筒壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 242 " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)家氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)近海風(fēng)能儲(chǔ)量達(dá)7.5億kW，遠(yuǎn)海儲(chǔ)量更龐大。據(jù)測(cè)算，預(yù)計(jì)“十四五”期間，我國(guó)海上風(fēng)電的累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到46.8 GW，其中新增裝機(jī)容量為37.8 GW，年均新增裝機(jī)容量達(dá)到7.6 GW。2024年，全球海上風(fēng)電運(yùn)維市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò)100億元。

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

本文針對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔架水下銹蝕問(wèn)題提出一款效率高、功能強(qiáng)的海上風(fēng)電機(jī)組塔筒水下除銹機(jī)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(yùn)維成本與風(fēng)險(xiǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

為了延長(zhǎng)塔筒壽命，減少生銹腐蝕塔筒的概率，本文設(shè)計(jì)了一款由遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)組、銹斑檢測(cè)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(jī)器人。該機(jī)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(dòng)機(jī)、六足、磨砂輪、涂料刷和電磁鐵等器件。塔筒內(nèi)壁除銹機(jī)器人設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 單元設(shè)計(jì)

1.2.1 硬件設(shè)計(jì)

1.2.1.1 防水與密封

本項(xiàng)目采用有效的密封設(shè)計(jì)，阻止外部水流和濕氣進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部，同時(shí)提高電機(jī)等關(guān)鍵元件的動(dòng)力傳輸效率。動(dòng)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(jìn)行改進(jìn)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便維護(hù)、耐磨、低成本和適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1.2 穩(wěn)定性分析

為了保證機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機(jī)器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于7 cm，大型水下機(jī)器人高度應(yīng)相應(yīng)增加。因此，根據(jù)總體布置分別計(jì)算機(jī)器人的重心和浮心坐標(biāo)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(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)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(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)值；∑Mx、 ∑My和 ∑Mz分別為物體各個(gè)部分的質(zhì)量乘以其相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)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(biāo)系中的3個(gè)坐標(biāo)值。

穩(wěn)心高度計(jì)算過(guò)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(jī)器平衡，使Xc=Xg，Yc=Yg。如果Xc=Xg，Yc=Yg不滿(mǎn)足，那么應(yīng)調(diào)整機(jī)器人總體布局，雖然不能絕對(duì)相等，但是應(yīng)使tgφ0=。

為保證機(jī)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(lái)說(shuō)，要保持機(jī)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(xiǎn)，使機(jī)器人在受到外部擾動(dòng)后能自然恢復(fù)至平衡狀態(tài)。

當(dāng)Xc≠ Xg或Yc ≠Yg 時(shí)不滿(mǎn)足平衡條件，說(shuō)明在該方向存在一個(gè)不平衡的力矩，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人傾斜或翻轉(zhuǎn)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)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(jī)器人的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)穩(wěn)定性。

1.2.2 軟件設(shè)計(jì)

1.2.2.1 銹蝕預(yù)測(cè)系統(tǒng)

海上風(fēng)電機(jī)組塔筒水下除銹機(jī)器人的銹蝕預(yù)測(cè)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(cè)塔架的銹蝕程度。其中，EKF算法計(jì)算已知數(shù)據(jù)、分析外部環(huán)境來(lái)進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)塔架銹蝕可能發(fā)生的位置[1]。該算法彌補(bǔ)了海上風(fēng)電機(jī)組銹蝕問(wèn)題處理實(shí)時(shí)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(jì)算精確定位卡爾曼濾波算法預(yù)測(cè)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(duì)銹蝕圖像進(jìn)行識(shí)別，并采用梯度算法預(yù)估可能會(huì)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(jī)器人的6個(gè)機(jī)械臂。利用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統(tǒng)對(duì)位置進(jìn)行精確調(diào)整與控制，使機(jī)器人可以到達(dá)相應(yīng)位置。一旦到達(dá)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(cè)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(cè)不到銹蝕，那么機(jī)器移動(dòng)至下一個(gè)預(yù)估生銹部位繼續(xù)檢測(cè)；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(biāo)，為后續(xù)檢測(cè)和修復(fù)提供依據(jù)。此時(shí)機(jī)器人靜止，機(jī)械臂控制磨砂輪配合恒力打磨系統(tǒng)對(duì)銹蝕部位進(jìn)行打磨，高柔性智能力控打磨技術(shù)可以使曲面打磨精準(zhǔn)、高效。打磨完畢，機(jī)械臂控制涂抹刷和高壓噴管按規(guī)定路線在打磨過(guò)的區(qū)域噴涂高性能環(huán)氧樹(shù)脂防銹涂料，避免塔架二次生銹。對(duì)噴涂后的涂料進(jìn)行烘干處理，處理結(jié)束后進(jìn)行檢測(cè)，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(jī)器人離開(kāi)至下一個(gè)銹蝕預(yù)測(cè)點(diǎn)。除銹機(jī)器人工作邏輯如圖2所示。

1.2.2.3 遠(yuǎn)程控制模塊

該模塊由Wi-Fi+App和CPU組成，當(dāng)用手機(jī)或電腦發(fā)出信號(hào)后，Wi-Fi接收發(fā)來(lái)指令，利用Wi-Fi與CPU進(jìn)行串口通信。本設(shè)計(jì)利用傳感器檢測(cè)機(jī)器人的信號(hào)變化，進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，傳感器采集信號(hào)后發(fā)送至NodeMCU單片機(jī)，信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，由Wi-Fi發(fā)出通信數(shù)據(jù)，NodeMCU單片機(jī)使用顯示器顯示接收的數(shù)據(jù)，以檢測(cè)加熱溫度的變化。

1.2.2.4 圖像識(shí)別與數(shù)據(jù)處理

該機(jī)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(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別、拼接和分析，輔助機(jī)器人在水下進(jìn)行定位和測(cè)量銹蝕距離，從而更加靈活地移動(dòng)機(jī)器人[2]。采用最新的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)算法YOLOv5進(jìn)行視覺(jué)智能識(shí)別，判斷待檢測(cè)部位是否存在銹蝕。機(jī)器人深度測(cè)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(jì)算從發(fā)射至接收反射波的時(shí)間，將數(shù)據(jù)傳輸至控制板輸入端。根據(jù)時(shí)間測(cè)距法可計(jì)算機(jī)器人的高度，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

1.2.2.5 水下一體化除銹系統(tǒng)

為了對(duì)曲面進(jìn)行精準(zhǔn)、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(jī)器人利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)掃描銹蝕表面，建立待打磨部位的彩色點(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力、自身姿勢(shì)等信息，搭配力控打磨工具實(shí)時(shí)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(dòng)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(dòng)以及控制

該海上風(fēng)電機(jī)組塔筒水下除銹機(jī)器人移動(dòng)方式為吸附式移動(dòng)，其包括6條關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，每條臂有3個(gè)自由度，保證機(jī)器人的魯棒性。這些機(jī)械臂在頂端配備電磁鐵，利用通電和斷電來(lái)產(chǎn)生足夠大的磁力，保證當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)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(jī)組塔筒壁上靈活地吸附式移動(dòng)。具體形態(tài)如圖3所示。

在移動(dòng)過(guò)程中，該機(jī)器人采用三角步態(tài)的強(qiáng)耦合姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方式[5]，如圖4所示。因此，機(jī)械臂一、機(jī)械臂三和機(jī)械臂五保持不動(dòng)，構(gòu)成穩(wěn)定支撐相，機(jī)械臂二、機(jī)械臂四和機(jī)械臂六為擺動(dòng)相，同時(shí)向前擺動(dòng)以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體。機(jī)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(dòng)距離不低于50 mm，當(dāng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)時(shí)距離地面最低高度為100 mm，保持與塔筒面平行，沒(méi)有過(guò)大起伏。當(dāng)占空系數(shù)≥0.5時(shí)，可以保證在移動(dòng)的過(guò)程中擺動(dòng)相和支撐相不會(huì)發(fā)生重疊并且機(jī)器人始終緊貼在塔筒壁上，不會(huì)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(yàn)證了該移動(dòng)方式的穩(wěn)定性。歸一化的能量穩(wěn)定裕度法可以更加準(zhǔn)確地描述機(jī)器人在豎直曲面中的穩(wěn)定性。

該機(jī)器人采用STM32單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，進(jìn)行固定路線勻速螺旋式下潛。機(jī)器人到達(dá)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(dòng)方式不僅可以對(duì)已經(jīng)處理過(guò)的塔壁進(jìn)行二次檢測(cè)，還能夠檢驗(yàn)防腐涂料的覆蓋完整性，保證防腐效果。如果在上升過(guò)程中發(fā)現(xiàn)防腐涂料噴涂不完整，那么機(jī)器人會(huì)再次進(jìn)行噴涂。機(jī)器人的螺旋式運(yùn)行軌跡如圖5所示。

1.2.2.7 遠(yuǎn)程監(jiān)控操作系統(tǒng)

該水下除銹機(jī)器人預(yù)計(jì)采用基于Aqua-Fi的嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)，進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)，攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，使用vide041inux編程接口獲取視頻流，運(yùn)用以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的算法進(jìn)行無(wú)損壓縮以縮小文件大小。使用Aqua-Fi水下無(wú)線系統(tǒng)和激光將數(shù)據(jù)傳輸至岸上，對(duì)水下工作進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 理論設(shè)計(jì)計(jì)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(jī)組塔筒水下除銹機(jī)器人對(duì)1 m2的塔筒壁除銹并上涂層需要5 min～

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

2.1 耗能計(jì)算

電工計(jì)算過(guò)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(shí)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(jì)算過(guò)程如公式（11）所示。

W1≈5.16×104 J " " （11）

機(jī)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(jī)器人需要克服吸附力266次，每次有3條足運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人需要克服吸附力約80次。海上風(fēng)電機(jī)組塔筒水下除銹機(jī)器人工作一次運(yùn)動(dòng)克服電磁鐵需要消耗的能量計(jì)算過(guò)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浮）·h+（f/μ-mg+f?。=34 285.714 J " " " "（16）

式中：B為機(jī)器人抬起一條腿所需的力；S為機(jī)器人工作時(shí)移動(dòng)的距離；μ0為真空導(dǎo)率；∫B b為B和b這2個(gè)量的微小變化；dB2為相對(duì)于自變量 B2的積分；F平為機(jī)器人克服吸附力所需要的平均力；W吸為機(jī)器人克服吸附力所做的功；f為摩擦力；μ為滑動(dòng)摩擦因素；m為機(jī)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(jī)組塔筒水下除銹機(jī)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(jī)組塔筒水下除銹機(jī)器人的能耗大約為86 000 J。

2.2 吸附力計(jì)算

該機(jī)器人磁鐵吸附于風(fēng)機(jī)筒壁吸附力的計(jì)算過(guò)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(jī)器人排開(kāi)的流體（空氣）體積；F吸附為機(jī)器人磁鐵需要提供的最小吸附力。

為防止機(jī)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?jǐn)傊林С值?條足上，每條吸附力須達(dá)到2.5 kg。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果并綜合其他各因素，該海上風(fēng)電機(jī)組塔筒水下除銹機(jī)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(duì)電磁鐵影響很小，因此不考慮環(huán)境水流對(duì)機(jī)器的影響，可采用吸附力為2 500 N的電磁鐵使該機(jī)器人進(jìn)行吸附式移動(dòng)。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

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

4 結(jié)語(yǔ)

隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維也面臨挑戰(zhàn)。因此，本文設(shè)計(jì)了安全、智能的塔筒除銹方案，該方案實(shí)用、高效，解決了時(shí)效性差、成本高和危險(xiǎn)性大等問(wèn)題，具備廣泛推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王向影（2003—），女，漢族，江蘇宿遷人，本科，研究方向?yàn)樾履茉串a(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

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通信作者：卿曉梅（1983—），女，漢族，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樾履茉串a(chǎn)品設(shè)計(jì)和新材料計(jì)算。

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