CN115291196B - 一种激光净空雷达安装姿态的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，该标定方法包括以下步骤：S1、实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定；S2、测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定。本发明通过在雷达出厂前利用工装标定好光束与雷达外壳参考面的角度，安装时，通过倾角仪和直尺直接测量参考面的角度和雷达外壳指向即可确定光束的角度和光束整体指向，即可实现雷达的姿态标定，具有成本低、操作简单、效率高、标定工具便携、无需多人配合及环境适应性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体来说，涉及一种激光净空雷达安装姿态的标定方法。
背景技术
激光净空雷达是一种基于激光测距的技术，其使用的激光束为肉眼不可见的红外光，而激光雷达的姿态无法借助于其自身发射的激光束进行调整，因此需要对其姿态进行调整。激光净空雷达姿态调整的目的在于使其发射的测距激光束指向特定位置(预设的叶片净空位置DCLn，叶片净空是指风力发电机组的叶片运转时叶片尖端与同高度的风机塔筒之间的距离)，其可以通过测量某个光源在风机上的相对位置和该光束的角度就可以来确定该光束指向的位置。对于多光束激光净空雷达，其多个光束的相对夹角在雷达出厂前已经确定，只要标定了其中一束光的指向位置和光束整体指向，其他光束也就指向了各自的特定位置。
目前，现有的激光雷达姿态调整一般包括采用红外摄像头标定雷达姿态和采用人眼可见的指示激光标记雷达红外激光，然而，上述两种方法在应用时存在以下缺陷：
1、采用红外摄像头标定雷达姿态，使预先标记好的光束位置与地面标记重合，其虽然具有精度高，受塔筒晃动影响小的优点，但是每台雷达需要配备红外摄像头，并记录每台雷达的光束标定文件。标定时，需要通过特定的测量工装在地面找到雷达光束对应的地面靶标位置，地面靶标找好后，才能到风机机舱上调整雷达的姿态。调整雷达姿态时需要连接雷达摄像头并将每台雷达的光束标定文件导入定制的图像软件中，同时显示地面标靶位置和雷达光束标定位置之后，再调整雷达的姿态，最终使雷达光束标定位置与地面靶标重合。该方法整个标定过程操作复杂、标定作业时间长、每台雷达需要配摄像头、标定作业时需要特定的工装，工装的制作成本高且携带麻烦。
2、采用人眼可见的指示激光标记雷达红外激光，使指示激光与地面标记重合，其虽然具有简单、直观的优点，但是需要一套可以调整指示激光指向的结构，在室内调整使之与需要标记的红外激光重合，调整过程繁琐；若涉及指向标定，需要至少2个指示激光(两点一线)，成本高、复杂度增加；安装调整雷达、使指示激光与地面标记重合时，因为地面距离太远，调整雷达的人员看不清，需要地面人员配合报送调整方向；因在白天户外使用时太阳光光照强度可能会很大，指示激光必须要有足够大的亮度(即激光束功率)才能保证地面上光斑有辨识度，一般需要100mW以上，此时激光源会有非常可观的功耗及发热量，激光源发热进一步导致其指向因热胀冷缩而变化，导致标定误差增大，且大功率的指示激光也有一定的安全隐患。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，用于解决激光净空雷达安装姿态的标定问题，净空雷达安装时需要根据风机设定的净空阈值(DCL)调整雷达的横滚、俯仰、偏航角，使雷达的测距激光束发射在预设的叶片净空位置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，该标定方法包括以下步骤：
S1、实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定；
S2、测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定。
进一步的，所述实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定包括以下步骤：
S11、利用紧固件实现激光测距模块与雷达外壳之间的连接，并保持每个激光测距模块的指向相对于雷达外壳固定；
S12、选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度；
S13、判断预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度是否满足预设阈值，若是，安装雷达时则默认光束垂直于预设参考面，若否，则调整激光测距模块的安装角度。
进一步的，所述选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度包括以下步骤：
S121、选定雷达外壳的某一外表面并定义为雷达外壳预设参考面；
S122、将倾角仪放置在水平平台上，并使得倾角仪的两侧面紧贴垂直工装；
S123、打开倾角仪自带可见指向光，并在距离垂直工装预设距离的平面上标记出指示光的落点，得到第一标记点；
S124、将雷达放置在水平平台上，并使得雷达外壳的预设参考面紧贴垂直工装；
S125、根据倾角仪可见光源相对于倾角仪外壳端面的距离及光束光源位置相对于预设参考面的位置计算倾角仪光源与光束光源在水平方向及垂直方向的距离值；
S126、利用红外观察镜或感光卡标记光束在距离垂直工装预设距离的平面上的光斑位置，得到第二标记点；
S127、利用直尺测量出第一标记点和第二标记点在水平方向及垂直方向的距离值；
S128、根据三角函数公式计算预设参考面与光束在水平方向及垂直方向的相对角度。
进一步的，所述垂直工装、所述倾角仪及所述水平平台均为标准仪器和平台，且所述垂直工装、所述倾角仪及所述水平平台的水平度、垂直度及倾角测量精度均满足测量要求。
进一步的，所述预设参考面与光束在水平方向的相对角度的计算公式如下：
式中，α表示预设参考面与光束在水平方向的相对角度；
A表示第一标记点和第二标记点在水平方向的距离值；
a表示倾角仪光源与光束光源在水平方向的距离值；
L表示垂直工装与平面的距离；
所述预设参考面与光束在垂直方向的相对角度的计算公式如下：
式中，β表示预设参考面与光束在垂直方向的相对角度；
B表示第一标记点和第二标记点在垂直方向的距离值；
b表示倾角仪光源与光束光源在垂直方向的距离值。
进一步的，所述调整激光测距模块的安装角度包括以下步骤：
设定光束在水平方向及垂直方向允许的角度偏差均为△，垂直工装与平面距离为L；
以O点为圆心，R为半径作圆，通过在激光测距模块与安装板连接处增加相应的垫片，使得光束的光斑落在圆圈内，实现激光测距模块安装角度的调节。
进一步的，所述半径R的计算公式如下：
式中，L表示垂直工装与平面距离；
△表示光束在水平方向及垂直方向允许的角度偏差。
进一步的，所述测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定包括以下步骤：
S21、雷达在风机上安装时，通过测量雷达外壳预设参考面上任意两点到机舱罩中间拼接线的距离，并调整雷达整体指向，使得雷达与风机主轴方向平行；
S22、利用雷达的安装位置、光束预设的净空阈值、叶尖处的塔筒半径及叶片长度计算雷达光束的俯仰角及横滚角；
S23、将倾角仪放置在雷达外壳预设参考面上，一边调整雷达一边观察倾角仪显示的角度值，直至将雷达调整到需求的角度即可到达测距激光束相应的指向需求，实现雷达的姿态标定。
进一步的，所述机舱罩中间拼接线与风机主轴方向平行。
进一步的，所述倾角仪在安装时与预设参考面的两垂直边线重合。
本发明的有益效果为：
1)通过雷达测距激光束光源与雷达外壳采用刚性连接，使得雷达组装好之后，光源与雷达外壳的相对位置不会发生变化，从而可以在雷达出厂前利用工装标定好光束与雷达外壳参考面的角度，安装时，通过倾角仪和直尺直接测量参考面的角度和雷达外壳指向即可确定光束的角度和光束整体指向，从而实现雷达的姿态标定，具有成本低、操作简单、效率高、标定工具便携、无需多人配合及环境适应性好的优点。
2)本发明采用测量雷达外壳参考面的标定方法，雷达不需要增加额外的成本，且倾角仪和直尺测量工具为通用的测量仪器，每台雷达安装时均可使用，本方法可以降低雷达整体的制造成本和减少资源的浪费。此外，本发明采用测量雷达参考面标定的方法仅需要在风机机舱上进行调整作业，无需进行复杂的地面标定，操作步骤简单。
3)本发明在进行雷达安装姿态调整时，作业人员只需将倾角仪放置在参考面上，根据倾角仪上显示的数值直接调整雷达姿态，相比于指示光标定方法中一人调整姿态另一人观察并反馈信息来说更直接更高效。此外，通过机加工的方式保证了激光束与参考面的相对角度，精度高，一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法的流程示意图；
图2是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中激光净空雷达的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中参考面1的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中倾角仪自带可见指示光的原理示意图；
图5是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中垂直工装的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中倾角仪光源与光束1光源在水平与垂直方向的距离示意图；
图7是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中标记点1和标记点2在水平和垂直方向的距离示意图；
图8是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中激光测距模块的调整原理示意图；
图9是根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法中净空激光雷达的光束原理示意图。
图中：
①、雷达外壳；②、雷达调节机构；③、测距模块安装板；④、测距模块安装面；⑤、激光测距模块；⑥、垂直工装；⑦、紧固件；⑧、水平平台；⑨、倾角仪；⑩、净空雷达；风机机舱；/>塔筒。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，主要探讨的方法在于如何使得激光净空雷达调整姿态时可以使激光束更精确地指向预设的叶片净空位置，同时可使得多光束激光净空雷达指向特定方向(一般为与风机主轴方向平行)，而不在于如何通过可调机械结构来实现雷达的姿态调整，本实施例中默认雷达具备可精细调整其姿态(指向、横滚、俯仰)的机械结构，且本实施例中主要指标定方法不讲具体的调整结构。
其所探讨的方法的核心为，激光束光源与雷达外壳采用刚性连接，且雷达外壳为刚性件，雷达组装好之后，光源与雷达外壳的相对位置不会发生变化，在雷达出厂前利用工装标定好光束与雷达外壳某一外表面(参考面)的角度，安装时，通过倾角仪和直尺直接测量参考面的角度和雷达外壳指向即可确定光束的角度和光束整体指向，从而实现雷达的姿态标定。雷达光束的角度可以根据已知的雷达安装位置(Xlidar)、光束预设的净空阈值(DCLn)、叶尖处的塔筒半径(RTIP)，叶片长度(HTIP)等参数计算而出，光束的整体指向一般情况下为平行于风机主轴。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-9所示，根据本发明实施例的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，该标定方法包括以下步骤：
S1、实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定；
其中，所述实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定包括以下步骤：
S11、利用紧固件实现激光测距模块与雷达外壳之间的连接，并保持每个激光测距模块的指向相对于雷达外壳固定；
具体的，如图2所示，雷达的整体外壳及测距模块安装板(以下简称安装板)均为机加工的刚性结构件，激光测距模块位于雷达外壳内部，通过紧固件与安装板连接后，安装板再通过紧固件与雷达外壳连接，因而每个测距模块的指向相对于雷达外壳都是固定的。
对于多光束激光净空雷达，各测距模块均以一定的安装角度固定在安装板上，一旦安装好之后，各光束之间的相对位置及相对姿态不会发生变化。因此，如果光束1标定好之后，则其他测距模块光束的指向也标定完成。
此外，本实施例中默认光束1与光束2至光束n组成平面已调整好且与安装板前端面平行，且光束1垂直安装在安装板上，其调整过程不在本实施例探讨范围内(而实际由于加工精度高、一致性好，一般不调整)。
S12、选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度；
具体的，如图3-7所示，所述选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度包括以下步骤：
S121、选定雷达外壳的某一外表面并定义为雷达外壳预设参考面(参考面1)；
S122、将倾角仪放置在水平平台上，并使得倾角仪的两侧面紧贴垂直工装；
S123、打开倾角仪自带可见指向光，并在距离垂直工装较远的平面(P)上标记出指示光的落点，得到第一标记点(标记点1)；
本实施例中默认垂直工装、倾角仪及水平平台均为标准仪器和平台，其水平度、垂直度及倾角测量精度均满足测量要求。
S124、将雷达放置在水平平台上，并使得雷达外壳的预设参考面(参考面1)紧贴垂直工装；
S125、由于倾角仪可见光源相对于倾角仪外壳端面距离已知，且光束1光源位置相对于参考面1位置已知，因此可以根据倾角仪可见光源相对于倾角仪外壳端面的距离及光束光源位置相对于预设参考面的位置计算出倾角仪光源与光束1光源在水平方向及垂直方向的距离a值和b值；
S126、利用红外观察镜或感光卡等标记光束1在较远平面上的光斑位置，得到第二标记点(标记点2)；
S127、利用直尺测量出第一标记点(标记点1)和第二标记点(标记点2)在水平方向及垂直方向的距离A值和B值；
S128、根据三角函数公式计算预设参考面(参考面1)与光束1在水平方向及垂直方向的相对角度α和β值：
式中，α表示预设参考面与光束在水平方向的相对角度；
A表示第一标记点和第二标记点在水平方向的距离值；
a表示倾角仪光源与光束光源在水平方向的距离值；
L表示垂直工装与平面的距离；
β表示预设参考面与光束在垂直方向的相对角度；
B表示第一标记点和第二标记点在垂直方向的距离值；
b表示倾角仪光源与光束光源在垂直方向的距离值。
S13、判断预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度是否满足预设阈值，若是，安装雷达时则默认光束垂直于预设参考面，若否，则调整激光测距模块的安装角度。
由于雷达外壳、安装板、测距激光模块等均为机加件，可保证较高的相对精度，角度α和β值基本在90°±0.2°(规定)范围内，由于±0.2°(规定)角度偏差对于叶片净空值的计算影响较小，可不略不计，因而在实际应用中不需要测试并计算出α和β值，只要检验光束1与参考面1的相对角度是否在90°±0.2°(规定)范围内即可，如果在此范围内，安装雷达时则默认光束1垂直于参考面1，如果不在，则调整激光测距模块1。具体的，所述调整激光测距模块的安装角度包括以下步骤：
如图8所示，假设光束1在水平方向及垂直方向允许的角度偏差均为△值，垂直工装与平面(P)距离为L，以O点为圆心，R为半径作圆，通过在激光测距模块与安装板连接处增加相应的垫片，使得光束1的光斑落在圆圈内，实现激光测距模块安装角度的调节。其中，O点到标记点1的水平距离为a，垂直距离为b，半径
式中，L表示垂直工装与平面距离；
△表示光束在水平方向及垂直方向允许的角度偏差。
在雷达安装时，只需计算出光束1的指向角度，再结合参考面1与光束1水平方向和垂直方向的相对角度α和β值，则可知道雷达安装时参考面1的姿态，保证了参考面的指向即保证了光束的指向。
S2、测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定。
其中，如图9所示，所述测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定包括以下步骤：
S21、雷达在风机上安装时，通过测量雷达外壳预设参考面上任意两点到机舱罩中间拼接线的距离，并调整雷达整体指向，使得雷达与风机主轴方向平行；此处默认机舱罩中间拼接线与风机主轴方向平行。
S22、根据已知的雷达安装位置(Xlidar)、光束预设的净空阈值(DCLn)、叶尖处的塔筒半径(RTIP)及叶片长度(HTIP)等参数，利用雷达的安装位置、光束预设的净空阈值、叶尖处的塔筒半径及叶片长度计算雷达光束的俯仰角θ1及横滚角(一般情况下，横滚角要求0°，即雷达安装时要求调水平)；
S23、将倾角仪放置在雷达外壳预设参考面(参考面1)上(倾角仪放置时，需要与参考面两垂直边线重合)，一边调整雷达一边观察倾角仪显示的角度值，直至将雷达调整到需求的角度即可到达测距激光束相应的指向需求，实现雷达的姿态标定。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过雷达测距激光束光源与雷达外壳采用刚性连接，使得雷达组装好之后，光源与雷达外壳的相对位置不会发生变化，从而可以在雷达出厂前利用工装标定好光束与雷达外壳参考面的角度，安装时，通过倾角仪和直尺直接测量参考面的角度和雷达外壳指向即可确定光束的角度和光束整体指向，从而实现雷达的姿态标定，具有成本低、操作简单、效率高、标定工具便携、无需多人配合及环境适应性好的优点。
同时，本发明采用测量雷达外壳参考面的标定方法，雷达不需要增加额外的成本，且倾角仪和直尺测量工具为通用的测量仪器，每台雷达安装时均可使用，本方法可以降低雷达整体的制造成本和减少资源的浪费。此外，本发明采用测量雷达参考面标定的方法仅需要在风机机舱上进行调整作业，无需进行复杂的地面标定，操作步骤简单。
同时，本发明在进行雷达安装姿态调整时，作业人员只需将倾角仪放置在参考面上，根据倾角仪上显示的数值直接调整雷达姿态，相比于指示光标定方法中一人调整姿态另一人观察并反馈信息来说更直接更高效。此外，通过机加工的方式保证了激光束与参考面的相对角度，精度高，一致性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，该标定方法包括以下步骤：
S1、实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定；
S2、测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定；
其中，所述实现激光光束与预设参考面在雷达出厂前的角度标定包括以下步骤：
S11、利用紧固件实现激光测距模块与雷达外壳之间的连接，并保持每个激光测距模块的指向相对于雷达外壳固定；
S12、选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度；
S13、判断预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度是否满足预设阈值，若是，安装雷达时则默认光束垂直于预设参考面，若否，则调整激光测距模块的安装角度；
所述选定雷达外壳的某一外表面定义为雷达外壳预设参考面，并将预设参考面与光束进行标定，标定出预设参考面与光束在水平方向和垂直方向的相对角度包括以下步骤：
S121、选定雷达外壳的某一外表面并定义为雷达外壳预设参考面；
S122、将倾角仪放置在水平平台上，并使得倾角仪的两侧面紧贴垂直工装；
S123、打开倾角仪自带可见指向光，并在距离垂直工装预设距离的平面上标记出指示光的落点，得到第一标记点；
S124、将雷达放置在水平平台上，并使得雷达外壳的预设参考面紧贴垂直工装；
S125、根据倾角仪可见光源相对于倾角仪外壳端面的距离及光束光源位置相对于预设参考面的位置计算倾角仪光源与光束光源在水平方向及垂直方向的距离值；
S126、利用红外观察镜或感光卡标记光束在距离垂直工装预设距离的平面上的光斑位置，得到第二标记点；
S127、利用直尺测量出第一标记点和第二标记点在水平方向及垂直方向的距离值；
S128、根据三角函数公式计算预设参考面与光束在水平方向及垂直方向的相对角度。
2.根据权利要求1所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述垂直工装、所述倾角仪及所述水平平台均为标准仪器和平台，且所述垂直工装、所述倾角仪及所述水平平台的水平度、垂直度及倾角测量精度均满足测量要求。
3.根据权利要求1所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述预设参考面与光束在水平方向的相对角度的计算公式如下：
式中，α表示预设参考面与光束在水平方向的相对角度；
A表示第一标记点和第二标记点在水平方向的距离值；
a表示倾角仪光源与光束光源在水平方向的距离值；
L表示垂直工装与平面的距离；
所述预设参考面与光束在垂直方向的相对角度的计算公式如下：
式中，β表示预设参考面与光束在垂直方向的相对角度；
B表示第一标记点和第二标记点在垂直方向的距离值；
b表示倾角仪光源与光束光源在垂直方向的距离值。
4.根据权利要求1所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述调整激光测距模块的安装角度包括以下步骤：
设定光束在水平方向及垂直方向允许的角度偏差均为△，垂直工装与平面距离为L；
以O点为圆心，R为半径作圆，通过在激光测距模块与安装板连接处增加相应的垫片，使得光束的光斑落在圆圈内，实现激光测距模块安装角度的调节。
5.根据权利要求4所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述半径R的计算公式如下：
式中，L表示垂直工装与平面距离；
△表示光束在水平方向及垂直方向允许的角度偏差。
6.根据权利要求1所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述测量雷达安装参数，并确定雷达光束参数，实现雷达的姿态标定包括以下步骤：
S21、雷达在风机上安装时，通过测量雷达外壳预设参考面上任意两点到机舱罩中间拼接线的距离，并调整雷达整体指向，使得雷达与风机主轴方向平行；
S22、利用雷达的安装位置、光束预设的净空阈值、叶尖处的塔筒半径及叶片长度计算雷达光束的俯仰角及横滚角；
S23、将倾角仪放置在雷达外壳预设参考面上，一边调整雷达一边观察倾角仪显示的角度值，直至将雷达调整到需求的角度即可到达测距激光束相应的指向需求，实现雷达的姿态标定。
7.根据权利要求6所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述机舱罩中间拼接线与风机主轴方向平行。
8.根据权利要求6所述的一种激光净空雷达安装姿态的标定方法，其特征在于，所述倾角仪在安装时与预设参考面的两垂直变边线重合。
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