JP6190535B2 - 移動監視システム及び移動監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物の移動を監視するシステム及び方法に関する。

例えば建物や大型機械のような可動構造物は、環境的影響又はそれ自体の運行動作によって運動又は振動するようになっている場合があり、これにより構造物が破損し、或いは、運用が妨げられるおそれがある。破損を防止し、保守計画を立て或いは、残留寿命を推定するために、こうした動きを観測して監視することが可能である。

風力タービンの監視には、圧電技術を用いた一軸加速度センサのような既知のセンサ、歪みゲージ、測光システム又はレーザ測定システムが用いられる。こうした手段を用いることにより、単純な位置変化や固体伝搬音の周波数解析を行うことができ、これによって軸受、歯車部品、回転ブレードなどのタービン部品の破損の可能性を検知することができる。
［先行技術文献］
［特許文献１］国際公開公報ＷＯ２０１２／０４９４９２
［特許文献２］米国公開公報２００９／３２６８５１
［特許文献３］国際公開公報ＷＯ２０１３／１１０２１５
［特許文献４］ドイツ公開公報１０ ２００６ ００５ ２５８

ここで、測定値は、システムの移動を一軸しか検知せず、選択した測定部位についてしか検知しないという欠点がある。

本発明の課題は、構造物の移動を監視するシステム及び方法を提供することであり、構造物を効果的かつ確実に監視することができ、構造物の部品の修復対策、保守計画及び／又は残留寿命推定の基礎となるシステムと方法を提供することである。

この課題は、請求項１に係る構造物の移動監視システム及び他の独立請求項に係る構造物の移動監視方法によって解決される。他の実施形態は従属請求項に示されている。

構造物の移動監視システムは、前記構造物に搭載された少なくとも１つの慣性測定デバイスを備え、当該慣性測定デバイスは、地上に固定した慣性システムにおいて回転速度と加速度値を検出する。また、当該システムは、回転速度と加速度値に基づきナビゲーションアルゴリズムにより監視値を測定する中央ユニットと、監視値を出力する出力ユニットとを備える。

構造物は、外部影響（環境的影響）又は内部影響（運行挙動）によって運動及び／又は振動が発生する可能性がある任意の物体である。例えば、高層ビル又は送電鉄塔のような建物であってもよく、あるいは、建設機械やクレーンなどのような機械であってもよい。さらに、例えば観覧車、洋上プラットフォーム、風力タービンのように、建物のように構築されて機械のように運用される構造物であってもよい。

このような構造物は、風、海流、衝撃波又は例えば地震中における地表面の動きのような環境的影響によって運動するようになっている場合がある。一方、このような構造物は、構造物の一部の作業動作、駆動振動又は歯車震動のような構造物自体の運行動作によって運動するようになっている場合もある。さらに、環境的影響と構造物の内部動作との間に相互作用が生じ、これによって動作挙動が複雑になる場合もある。

このような動作及び振動が構造物に損傷を与え、疲労亀裂又は破断のような材料の疲労につながることがある。更に、これが構造物の運行挙動に影響し、このようにして応用分野や運行効率を限定するかもしれない。

また、例えば経年劣化、摩耗、構造的損傷、機械的損傷又は環境的影響によって期間中に構造物が変化する可能性もある。例えば、風力タービンのような複雑な動的構造物の場合、回転ブレード上の氷結又は回転ブレード内の水蓄積があるかもしれない。応力及び材料の疲労によって材料特性が変わることもあり、構造物の一部が柔らかくなったり、割れたりすることがあるかもしれない。このような構造物の変化は構造物の動作挙動に反映される。例えば、振動又は移動の周波数又は振幅が変わる場合もある。こうした変化は、慣性測定装置が測定した回転速度及び加速度値に基づき検出することができる。これによって、例えば保守、維持又は運行について対策の必要性を認識し、甚大な損傷が発生する前にこうした対策を行うことができる。

従って、運行安全性及び運行効率を理由として、構造物の移動の監視が必要とされている。

移動を監視する際、１以上の慣性測定装置が構造物又は構造物の一部に固定されてもよく、これによって地上に固定した慣性システムに対し、搭載位置で発生する回転速度や加速度値を検出することができる。このため、ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical system）及び／又はＦＯＧ ＩＭＵ−（fiber optic gyro inertial measurement units）型の慣性センサ（加速度及び回転速度センサ）を備えたシステムを用いてもよい。

例えば、単方向又は双方向通信用の無線又は有線回線を介して、検出された加速度値及び回転速度を中央ユニットに送信してもよい。

中央ユニットでは、測定した回転速度及び加速度値に基づいて、ナビゲーションアルゴリズムを使うことにより、例えば測定した回転速度及び加速度を連続的に積分又は加算することにより、空間内における慣性測定装置の速度及び角速度とともに方位及び位置を測定してもよい。

そうするために、例えば車両、チップ及び／又は航空ナビゲーションの分野で知られている一般的なナビゲーションアルゴリズムを、例えば検出した回転速度及び加速度のシューラー補償とともに用いてもよい。

測定した回転速度及び加速度値に基づいて、構造物の算出された（角）速度、方位及び／又は位置移動を検出し監視することができる。特に、測定部位に現れる移動、振動、撓みを測定することができる。

更に、これに基づき監視値を測定することができる。監視値は、例えば測定回転速度、測定加速度値、算出された（角）速度、方位及び／又は位置、若しくは、これらから推定される移動、捻れ及び／又は撓みの周波数及び／又は振幅のような他の値により構成される。

無線又は有線通信によって監視値を出力ユニットに送信してもよい。出力ユニットは、最も単純な場合には監視値又はその進展を出力する表示装置により構成されるが、時間に依存して監視値の進展を収集して保存するデータ記憶装置のような更なる構成部品を備えていてもよい。代わりに又は更に、出力ユニットは複雑な警告警報システムを備えていてもよい。

更に、制御ループシステムとして、出力ユニットを構造物のアクチュエータと組み合わせることも可能である。この場合、監視値に応じて作動変数のような制御情報をアクチュエータに送信してもよい。風力タービンを監視する場合、例えば回転ブレードの撓みを測定できる監視値に応じて、回転ブレードの相対的方位を制御することにより、回転ブレードの過負荷を回避することができる。

監視値及び他の監視情報に基づいて構造物の移動や振動を測定することができるので、例えば誤作動、疲労又は破損の可能性を検出することができる。これによって例えば構造物又はその構成部品の残留寿命を推定することができ、保守計画の基礎として使用してもよい。このような推定は、近づくのが難しい構造物（例えば洋上風力タービン）の監視、及び、作業負荷が高く保守費用が高い機械（大規模プレス工場のプレス機）の場合に特に有益である。更に、継続的な監視が定期的に記録され、保守の必要性が直ちに示されるため、このような特性値は、セキュリティ要件の観点から重要である。

ある実施形態によれば、慣性測定装置５は、互いに線形独立である及び／又は互いに直交する検出軸を有する３つの回転速度センサと、互いに線形独立である及び／又は互いに直交する検出方向を有する３つの加速度センサとをそれぞれ備える。

例えば、回転速度センサは、互いに直交し、加速度センサの検出方向に対応する３つの検出軸ｘ、ｙ及びｚを有してもよい。回転速度センサ（ジャイロセンサ）を用いて回転移動を算出することができる一方、加速度センサ（並進センサ）を用いて並進移動を算出することができる。このように、６自由度に従う慣性測定装置の任意の移動を測定することができる。

ある実施形態によれば、中央ユニットは、構造物ごとに予め定められた境界条件に基づいて、慣性測定装置の測定誤差を測定及び／又は補正するように構成される。

特に、所定の慣性位置から始まる一般的な慣性ナビゲーションでは、慣性センサ（回転速度及び加速度センサ）において生じ得る誤差又は測定の不正確さ（例えばゼロ点誤差）が積分又は加算された結果として、方位又は位置誤差が継続的に増加する。この増加はドリフトと呼ばれている。

位置及び方位のドリフトと、それによる監視値のドリフトとを制限又は補償するために、ナビゲーションアルゴリズムの適用中に構造物のための安定要件及び条件を考慮に入れることができる。こうした条件は、例えば境界条件の形式でナビゲーションに組み込まれてもよい。このようにして、ナビゲーションアルゴリズムは、これらの要件や条件によって支援されていてもよい。これに基づいて、算出結果の誤差又は監視値の誤差を推定及び／又は補償することができる。

境界条件の考慮は、最も単純な場合、境界条件（例えば構造物の既知の地理的位置）と算出値（速度、角速度、位置及び方位）との比較で構成されていてもよい。これに基づき慣性測定装置（回転速度及び加速度センサ）の誤差（例えばゼロ点誤差）を推定することができ、測定精度を継続的に改善することができる。例えば、ナビゲーションアルゴリズム内のカルマンフィルタによって複数又は複雑な境界条件を考慮することを実現してもよい。

他の実施形態によれば、中央ユニットは、構造物の略静止位置と、衛星測位信号に基づき測定される構造物の少なくとも一部の位置と、構造物の少なくとも一部の移動の自由度の制約と、構造物の少なくとも一部の傾斜角と、構造物の少なくとも一部及び／又は慣性測定装置の（例えば測定値又は算出値から予め定められる又は導出できる）移動の平均値と、構造物に作用する風速、風向、流速、流向及び／又は衝撃波方向とを含むグループの少なくとも１つの情報に基づき前記境界条件を求めるように構成してもよい。

このように、構造物の実際の条件、その設置環境、及び、環境条件に関する各種知識は、ナビゲーションアルゴリズムの支援に用いることができ、あるいは、位置又は方位におけるドリフトの推定又は補正に用いることができる。

このような境界条件は、原則として車両用には存在しないため、一般的な車両ナビゲーションでは知られていない。従って、一般的な車両ナビゲーションにおいて、誤差補正又はドリフト回避のために境界条件は使用されていない。しかしながら、例えば静止配置された動的構造物の監視中に、このような条件が存在すれば、誤差補正に用いることができる。

境界条件によって誤差推定及び誤差補正を改善することにより、測定値を高精度で表示又は算出することが可能になり、或いは、発生する誤差を推定及び補正することができるので、安価ではあるがドリフトしやすい慣性測定装置を用いることが可能になる。

特に、風力タービンや洋上基地などの建物及び／又は大型システムは静止していることが多い、つまり、地上に固定した慣性システムにおいて固定位置に設置されていることが多い。このようなシステムでは、境界条件によってナビゲーションアルゴリズムを支援することができる。

測位信号を用いて構造物の位置を測定することができれば、位置が固定されていない構造物についても、対応する支援が可能である。例えば、全地球ナビゲーション衛星システム（ＧＮＳＳ）の受信機、例えば、ＧＰＳ受信機、ＧＬＯＮＡＳＳ受信機、Ｃｏｍｐａｓｓ受信機又はＧａｌｉｌｅｏ受信機を用いて、衛星測位信号を受信して評価してもよい。これに代えて、別の信号、例えばローカルな光学測位信号を用いて位置を測定してもよく、或いは、カメラで撮影した画像を分析する光学的認識方法を用いてもよい。このようにして測定された位置を用いることにより、センサのドリフト、算出された位置及び方位の誤差、又は、監視値の系統誤差を認識して補正することができる。

また、構造物の少なくとも一部の移動の自由度を制約することにより、境界条件を予め定めてもよい。例えば、回転ブレードの回転及び／又は振動中には、回転ブレードに沿った位置、従って例えばある点の中心までの距離は、ほとんど変化しない。従って、この点の移動は、中心に対する回転ブレードの固定により、自由度が制限されている。この制約を境界条件として用いることにより、例えば、センサの系統的測定誤差を認識又は補正することができる。

更に、構造物の少なくとも一部の傾斜角を境界条件として定めてもよい。例えば、風力タービンの塔の傾斜により、風力タービンのハウジングに設置された慣性測定装置の位置がずれるかもしれない。構造物の既知の静止位置のみを検出してナビゲーションアルゴリズムを支援するならば、慣性測定装置の並進移動は位置ドリフトとみなされ、塔の重大な傾斜が認識されない可能性がある。傾斜角を考慮することによって位置ドリフト及び傾斜を認識し、これらを分離して監視又は補正することができる。

更に、境界条件は、構造物及び／又は慣性測定装置の少なくとも一部の移動の平均値に基づいて定めてもよい。例えば、慣性測定装置が搭載された構造物の一部が、例えば風荷重又は衝撃波によって振動するようになっていることが可能である。振動は、慣性測定装置の位置を変化させ、加速として検出される。それにもかかわらず慣性測定装置のゼロ点誤差又は系統的変動を検出できるようにするためには、所定期間中における移動の平均値を固定し、それを境界条件として用いて、例えばカルマンフィルタに基づき、測定誤差を求めて補正してもよい。

更に、構造物に作用する環境的影響に基づいて境界条件を定めてもよい。特に、例えば、洋上風力タービン又は洋上基地に対する風速、風向、流速、流向及び／又は衝撃波方向のような環境的影響は、風力タービン又は洋上基地の移動及び／又振動を生じさせ、そこに装着された慣性測定装置によって測定される。従って、このような環境的影響が構造物の位置及び方位の測定に影響を与え、慣性測定装置のゼロ点誤差、つまり、系統的ドリフトとして誤解されるかもしれない。しかしながら、測定補正中に環境的影響に基づき定められた境界条件を考慮すれば、測定補正が可能であり、慣性測定装置の位置又は方位のずれを認識することも可能になる。

他の実施形態によれば、当該システムは、構造物に搭載された複数の慣性測定装置を備え、中央ユニットは、複数の慣性測定装置のいずれか２つの間における相対的移動に基づき監視値を測定するように構成される。

複数の慣性測定装置を使用することにより、複数の測定位置（慣性センサの搭載位置）において構造物の移動又は振動を測定することができる。これによって、構造物内における相対的移動を正確に検出することができ、測定位置間における偏向、捻れ及び／又は撓みを測定することができる。このような移動は、材料に直接的な影響を与えるので、監視、保守間隔決定及び／又は寿命推定に重要な情報となる。

変形例によれば、構造物は、互いに連結された複数の構成部品を備え、少なくとも２つの構成部品に慣性測定装置がそれぞれ設けられている。

複数の構成部品に慣性測定装置を設置することにより、構成部品の相互間における相対的移動を監視することができ、これによって、構成部品の互いに対する移動と、それによる例えば構成部品間の連結装置の負荷とが検出可能になる。

複数の慣性測定装置を用いて、例えば、塔と、塔の頂点に設けられたハウジングと、ハウジング上のロータであって発電機を駆動する回転ブレードを有するものとを備えた風力タービンを監視してもよい。

回転ブレードに設けられた複数の慣性測定装置を用いて、例えば、回転ブレードの撓みを検出してもよい。これに基づき警告メッセージを生成することができ、及び／又は、風に対する回転ブレードの方位を能動的に制御することができる。これによって破損の認識及び／又は回避が可能になる。

更に、塔に搭載した慣性測定装置に対し、ハウジングに搭載した慣性測定装置の方位を測定してもよい。これに基づき、検出した風向を考慮してハウジングの方位を評価又は補正してもよい。

構造物上の又は構造物の異なる部分の複数の慣性測定装置を使用することによって、高次モードで構造物の移動を検出して評価することが可能になり、効果的に構造物を監視することが可能になる。

他の変形例によれば、構造物は風力タービンであり、慣性測定装置が風力タービンの回転ブレード上に設置される。ここで、慣性測定装置は、その回転経路の接線が回転速度センサ（斜め／斜角組み付け）の検出方向に対し直交及び／又は平行にならないように設置してもよい。更に又は代わりに、中央ユニットは、ロータの旋回中に慣性測定装置に周期的に作用する重力加速度と、ロータの旋回中に慣性測定装置に周期的に作用する地球の自転と、ロータの回転パルス発生器の出力信号とを含むグループの少なくとも１つの情報に基づいて境界条件を定めるように構成してもよい。

回転ブレード上にセンサを斜めに組み付けると、検出軸又は方向が回転ブレードの回転接線と同一線上に配置されないことが確実になる。このため、全ての測定軸は、回転ブレードの旋回中に、比較できる程度に加速又は回転される。

慣性測定装置が回転ブレード上に配置されているため、風力タービンの作動中に慣性測定装置は回転ブレードとともに回転する。そして、ロータの旋回中には±１ｇの重力加速度が周期的に慣性測定装置に作用する。同様に、ロータの旋回中には地球の自転が周期的に慣性測定装置に作用する。これらの影響は、慣性測定装置が検出する加速度や回転速度に反映され、よって慣性測定装置の出力信号に反映される。

ロータの旋回中に周期的に作用する重力加速度及び地球の自転が出力信号に重畳され、出力信号において検出され補償される。特に、重力加速度や地球の自転を上記の誤差補正用の境界条件として使用してもよい。ここで、慣性測定装置の系統誤差、特に慣性測定装置のジャイロスケール因子誤差を検出、推定又は補償することができる。これによって、ジャイロスケール因子誤差による誤差の増加を防止することができる。

このような誤差補正を特にセンサ較正時に用いてもよい。回転ブレード上に慣性測定装置を斜めに組み付けることにより、このようにして、全ての測定軸又はそれに対応するセンサを較正することができる。

代わりに又は更に、ロータの回転パルス発生器の出力信号を用いて、ロータの旋回を検出し、これに基づき測定結果に関する重力加速度又は地球の自転の影響を評価し、慣性測定装置を較正してもよい。

他の実施形態によれば、構造物は風力タービンでもある。慣性測定装置は風力タービンのハウジング上に設置される。さらに、中央ユニットは、ハウジングのロータリエンコーダに基づき境界条件を定めるように構成される。

例えば、塔及びハウジングの連結位置にロータリエンコーダを設置してもよい。ロータリエンコーダの出力信号は、慣性測定装置の出力信号と比較することができ、慣性測定装置の誤差推定又は較正用の境界条件として用いてもよい。これによって、慣性測定装置のジャイロスケール因子を検出して補正することができる。引き続いて、例えば風向に関して、アジマス方向におけるハウジングの方位を検出して適用することができる。これによって風力を最適に利用することができる。他の実施形態によれば、中央ユニットは、構造物の数学モデルの出力値と、構造物の状態情報と、環境パラメータと、慣性測定装置の搭載位置とは異なる構造物の位置における回転速度、加速度、角速度、速度、方位及び／又は位置と、構造物の振動移動の振幅及び／又は周波数と、構造物の異なる２箇所間の捻れとを含むグループの少なくとも１つの情報に基づき監視値を測定するように構成される。

特に、例えば有限要素に基づき生成され、構造物の物理的状態を反映する数学モデルに対し、慣性測定装置が測定した加速度及び回転速度値を入力することができ、これを記憶装置に保存できる。例えば、中央ユニットが記憶装置にアクセスして測定値を入力し、引き続き当該測定値に基づき構造物の動的挙動を算出してもよい。これによって、数学モデルが刺激され、構造物の動的挙動（移動、振動）がシミュレートされる。

代わりに又は更に、歯車設定及び／又は風力タービンの発電電力などの作動パラメータのような構造物の状態情報を用いて監視値を測定してもよい。また、この情報は、構造物の数学モデルに入力してもよく、あるいは、数学モデルのシミュレートされた動的挙動と比較してもよい。このように状態情報を用いて、一方で数学モデルを刺激し、他方で数学モデルを検証してもよい。

例えば、監視値を測定するための環境パラメータとして、構造物の少なくとも一部の位置に関する（衛星）測位信号、ハウジングの方位、ロータの回転角、回転ブレードのピッチ、風向及び風強度、波方向及び波強度、流動、気温、並びに、例えば風力タービンの電力出力を考慮してもよい。例えば、測定風向に関する情報を用いてアジマス方向におけるハウジングの方位を評価又は補正してもよい。

更に、中央ユニットは、慣性測定装置の搭載位置とは異なる構造物の位置の移動を測定するように構成してもよい。三次元の回転速度及び加速度を数学モデルに入力することによって、これを成し遂げてもよく、回転速度及び加速度は、構造物の前記位置とは異なる位置に搭載された１つ又は複数の慣性測定装置によって測定される。これに基づき、構造物の他の位置に関する移動を算出することができる。例えば、構造物の異なる２箇所間、例えば回転ブレード又は塔の異なる２箇所間の捻れ、そして、それによる構造物の機械的な負荷を検出することができる。このようにして高次モードの移動を測定又は算出することができる。これによって構造物全体の移動及び振動の効果的なモデル化及び監視が可能になる。

更に、構造物の振動移動の振幅及び／又は周波数に基づいて監視値を測定してもよい。特に、例えば三次元の測定加速度値に基づいて、構造物又はその一部の振動、そして、それによる構造物の構造伝搬音を検出することができる。これによって構造物、例えば風力タービンの駆動部分の機械的損壊（例えば、構造伝搬音を変化させる歯車の、スプロケットの及び／又は軸受内の破断や摩耗）を認識することができる。

回転ブレード上に設置された慣性測定装置に基づく構造伝搬音の分析によって、回転ブレード上の氷結や回転ブレードの亀裂が例えば検出され、対応する保守管理対策を始めることができる。

他の変形例によれば、中央ユニットは、監視値の閾値を取り込み、閾値の少なくとも１つを超えた後に出力ユニットに情報を送信するように構成してもよい。更に、中央ユニットは、監視値に基づいて構造物のアクチュエータを調整する作動変数の提案を出力ユニットに送信するように構成してもよい。代わりに又は更に、中央ユニットは、監視値に基づき作動変数をアクチュエータに送信するように構成してもよい。

この変形例によって、閾値の監視、閾値超過の警告及び制御提案の決定から構造物の動的挙動の能動的規制までに及ぶ複数の監視が可能になる。

これによって目前に迫った破損を認識して通知することができる。風力タービンの保守において、氷結、ロータの不均衡又は歯車の破損を認識して通知することによって安全な運用を可能にし、保守及び維持の必要性を認識することができる。

更に、出力ユニットの出力によって、例えば風力タービンの制御案を生成することによって、保守要員を支援してもよい。例えば、回転ブレードの方位修正又は歯車の設定修正を提案することができる。これによって破損の回避と利用率の改善が可能になる。

また、中央ユニットは、監視値を出力する他にも、構造物のアクチュエータに作動変数を送信してもよい。これによって監視値に基づき検出された重大な状態に迅速に反応でき、例えば、歯車の破損後に回転ブレードを迅速かつ能動的に風が当たらないように移動させることができる。更に、現実の需要に適合させると同時に材料を保護する電力出力の制御が行われる。

測定された監視値の重要度レベルに応じて、作動変数のアクチュエータへの送信は、保守要員の人的確認に依存していてもよい。

構造物の移動監視方法は、構造物に搭載された少なくとも１つの慣性測定装置の地上に固定された慣性システムにおける回転速度及び加速度値を検出し、回転速度及び加速度値に基づきナビゲーションアルゴリズムにより監視値を測定し、監視値を出力するように構成される。

例えば、上述したシステムの任意の実施形態において当該方法を実行してもよい。

ある変形例によれば、上記方法は、回転速度及び加速度値を構造物の数学モデルに入力し、測定した回転速度及び加速度値の進展とモデルにより算出された回転速度及び加速度値とのそれぞれの比較に基づき数学モデルを検証し、数学モデルに基づいて監視値を測定するように構成される。

この方法によって、例えば測定値を用いて数学モデルを刺激し、予め定められた期間中、例えば段階的に、モデルの動的挙動を上記刺激に基づいて算出することができる。慣性測定装置の加速度及び回転速度センサの対応する測定値は、対応する期間中に並行して検出することができる。検出回転速度及び算出回転速度の比較により、或いは、回転速度に基づいて算出される又は算出可能な角速度、速度、方位又は位置の比較により、数学モデルを検証することができる。

例えば、偏差が常に所定閾値より小さい場合、数学モデルは適切であると考えられる。そうではない場合、数学モデル又は算出方法を適合させる必要が認められる。検証した数学モデルに基づいて監視値を測定して出力することができる。

上記方法の他の変形例によれば、構造物は、ロータ及び回転ブレードを有する風力タービンの少なくとも一部を備え、慣性測定装置が回転ブレードの１つに設置される。当該方法は、ロータの旋回中に慣性測定ユニットに周期的に作用する重力加速度に基づいて、ロータの旋回中に慣性測定装置に周期的に作用する地球の自転に基づいて、及び／又は、ロータのロータリエンコーダに基づいて（上述した方法に従って）慣性測定ユニットを較正するように構成される。

回転ブレードの１つに斜めに組み付けられた慣性測定装置については、較正中に慣性測定装置のゼロ点誤差及びジャイロスケール因子を推定して補正することができる。この方法は風力タービンの始動中に特に有益である。

他の変形例によれば、構造物は、回転ブレード付きのロータを有する風力タービンの少なくとも一部を備え、慣性測定装置はロータに設置される。この方法は、検出した回転速度及び加速度値に基づいて、ロータの不均衡を検出することが含まれる。

この方法は、特にロータの平衡を保つために用いることができる。不均衡を検出して補正することができるので、風力タービンの効果的な耐疲労運用が可能になる。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴について、添付図面を考慮して実施例に基づき以下のとおり説明する。

複数の慣性測定装置の測定結果に基づきナビゲーションアルゴリズムによって風力タービンを監視するシステムを示した図である。 数学モデルに基づいて風力タービンを監視するシステムを示した概略図である。

図１には、構造物を構成する風力タービン１の移動監視システムが示されている。

風力タービン１は、地面に立設された塔２を備え、当該塔２の上には、回転ブレード４ａ、４ｂ及び４ｃを有するロータ４を備えたハウジング３が配設されている。風力タービン１又はその部品２、３、４、４ａ、４ｂ及び４ｃ上には、１つ又は複数の慣性測定装置５がそれぞれ設けられる。これらは図中において小さな箱として描かれ、明確性の理由により符号を付して個別に参照することは行っていない。

慣性測定装置５は、互いに線形独立である及び／又は互いに直交する検出軸を有する３つの回転速度センサと、互いに線形独立である及び／又は互いに直交する検出方向を有する３つの加速度センサとをそれぞれ備える。これらの出力信号は、例えば車両、船舶、飛行ナビゲーションとして知られているナビゲーションアルゴリズムにより、地上に固定された慣性システムの各慣性測定装置５の角速度及び速度又は方位及び位置の演算を決定するために用いることができる。

このような演算の基礎として、伝送装置６は、慣性測定装置５が測定した数値を収集するとともに、必要であれば、別のセンサ装置７が測定した環境パラメータ及び風力タービンの状態情報を収集する。環境パラメータは、例えば（例えば洋上構造物についての）風方向、風強度、気温、波方向及び／又は波強度であってもよい。状態情報は風力タービンの状態であり、例えばハウジング３の方位、ロータ４の回転角度、回転ブレード４ａ、４ｂ、４ｃのピッチ又は撓み、発電エネルギーの電力出力を含んでもよい。更に、状態情報には、例えば、衛星８から受信する測位信号を含んでもよく、当該信号をセンサ装置７で受信し伝送装置６に送信してもよい。

収集データは、例えば、無線又は有線通信により、伝送装置６から監視装置１０の受信機９に送られてもよい。監視装置１０は、風力タービン１の周辺に局所的に配置してもよいが、風力タービン１から離れた位置に配置してもよい。監視装置１０の局所的な配置には、風力タービン１内又は風力タービン１上の配置、若しくは、その周辺近傍の配置が含まれる。例えば、監視装置１０は、風力タービン１が含まれる風力発電所の監視制御センタに設置してもよい。風力タービン１から離れた配置は、例えば洋上風力タービンにとって有利である。

監視装置１０は、送信データに基づいて、特に、慣性測定装置５が測定した回転速度及び加速度値に基づいて、監視値を測定する中央ユニット１１を備えていてもよい。例えば、中央ユニット１１は、シューラー補償を伴う一般的なナビゲーションアルゴリズムを実行してもよい。

これにより、各慣性測定装置は、移動の角速度及び速度、並びに、空間内における位置及び方位を計算することができる。更に、各慣性測定装置の相互間の相対的移動を測定して評価することができる。これに基づいて、監視値、例えば１つの回転ブレード４ｃのピッチ又は風荷重による塔２の捻れを測定することができる。

監視値を出力ユニット１２に送り、例えば作業者に対し、監視値を利用可能とし、或いは、表示してもよい。代わりに監視値を記憶装置１３に取り込み、記録目的のために保存してもよい。

構造物の移動監視用の一般的なナビゲーションアルゴリズムを使用する場合、構造物の構造特性から生じる制約や条件をナビゲーションアルゴリズム、特に、誤差推定又は誤差補正に含めることができる。

とりわけ、誤差は、一般に慣性測定装置５の測定値に重畳され、例えば、使用した加速度及び回転速度センサのゼロ点誤差又はスケール因子誤差に基づいている。方向速度及び角速度又は位置及び方位の測定中に、こうした誤差が積分されてドリフトの拡大につながる。

構造物を監視する際、構造物の物理的状態をナビゲーションアルゴリズムの境界条件と考え、例えばカルマンフィルタによる誤差補正において考慮してもよい。このような境界条件として、例えば、しっかりした地面に建てられた建物又は構造物に対して原理的に固定されている構造物の（地理的）位置がある。洋上構造物の場合、例えば、その位置を衛星測位信号（ＧＰＳ）により測定してもよい。更に、境界条件を上記のとおり環境情報から求めてもよいし、別のセンサ、例えば塔傾斜センサにより求めてもよい。

境界条件によって慣性測定装置の測定結果の系統誤差を推定して補正することが可能になる。これによって、位置及び方位を正確に測定することが可能になり、監視値を測定する際の基礎として役立つ。また、誤差の推定及び補正を改善する境界条件は上述のとおりであり、図１に示された実施形態に用いてもよい。

更に、監視装置１０の中央ユニット１１は、監視値の複数の閾値を取り込み、これらの閾値のうち少なくとも１つを超えた場合、情報を出力ユニット１２に送るように構成してもよい。閾値を予め設定しておくことにより、目前に迫った破損と、保守及び調整の必要性とを検出して通知することができる。

中央ユニット１１は、監視値に基づいて風力タービン１のアクチュエータを調整する作動変数を提案してもよい。このような提案は、例えば出力ユニット１２によって作業者に示されてもよい。提案には、例えば、検出された風向に応じたハウジング３の配向、発電出力に関連する回転ブレードの配向、及び／又は、例えば目前の破損を理由とする又は破損時における風力タービンの停止が含まれる。

更に、中央ユニット１１は、伝送装置１４を介して、作動変数を風力タービン１の受信装置１5に送信してもよい。風力タービン１では、受信した作動変数に応じて風力タービンのアクチュエータを制御し、例えば、ハウジング３の回転又は回転ブレード４ａ、４ｂ、４ｃの配向を開始してもよい。

更に、中央ユニット１１は、例えば、風力タービン１の動的挙動を算出する数学モデルに基づいて監視値を測定し、例えば、記憶装置１３に保存する。慣性測定装置５によって測定される回転速度及び加速度、又は、そこから求められる速度、角速度、位置及び方位は、数学モデルに入力され、数学モデルは、それに基づいて風力タービンの動的挙動を算出し、シミュレートし、或いは、動的に表現してもよい。

また、センサ装置７により測定され、伝送装置６により送信される環境パラメータ及び状態情報のような別のデータを用いて、モデルに刺激を与えてもよい。

慣性測定装置５の別の測定値又は別の状態情報のバックグランドに対して、算出された動的挙動を検査及び評価してもよく、こうした値によって数学モデルの刺激及び支援を同時に行うことができる。

数学モデルは、例えば、塔２の捻れや回転ブレード４ａ、４ｂ、４ｃの撓みのような風力タービン１の高次モードの移動の検出及び評価に用いてもよい。

必要とする計算精度や利用可能な計算能力を考慮して、数学モデルの演算ステップの詳細レベルを決定してもよい。監視装置１０、特に中央ユニット１１が十分な計算能力を有する場合、演算及び評価を略リアルタイムで又は僅かな遅延のみで行ってもよい。

作動中に、風力タービン監視システム又はそこに組み込まれた監視方法は、測定された移動、振動、周波数及び／又は振幅を所定閾値と比較することにより、条件監視システムとして使用してもよい。条件監視においては、閾値を超えた場合に警告を出力してもよい。

更に、測定算出値を制御量と考え、一方では作用力に対する、そして、他方では出力電力に対する風力タービン１の最適調整を行ってもよい。これによって良好な利用と、機材を保護する運用とを両立することができる。

長期間における負荷変化の評価及び異なる負荷の評価により、風力タービン１又はその構成部品の残留寿命を求め、及び／又は、保守対策を計画することが可能になる。

上述したとおり、測定算出値を用いて、構造物の開発及び検査中に、また、始動中に、例えば、過剰な負荷又は不均衡の検出及び補正を行ってもよい。

図２には、監視システム、例えば図１の監視システムの実施形態の概略図が示されている。

上記経路には、センサ及びその配置が示されている。塔２、ハウジング３及び回転ブレード４ａ、４ｂ、４ｃは、ｎ個の慣性測定装置（ＩＭＵ：inertial measurement unit）をそれぞれ備え、各慣性測定装置は、当該各構成部品の異なる位置にそれぞれ搭載される。

慣性測定装置５は、図２の中央部分に示された各構成部品のナビゲーション装置にデータを送り、ナビゲーション装置内でナビゲーションアルゴリズムに基づくナビゲーション演算が行われる。ここで、例えば慣性測定装置の速度、角速度、位置及び方位を測定することができる。ナビゲーションは、構造物の適切な追加データ又は境界条件、例えばＧＰＳ信号、ハウジングの方位、ロータの回転角度及び／又は回転ブレードのピッチによって支援される。上述したとおり、この情報は、例えば、誤差推定、誤差補正及び／又はセンサの較正に用いることができる。

図２の下部には、モデルに基づくデータのフィルタリングが示され、そこには、ナビゲーション演算の結果と、更に環境パラメータ（風向、風強度、気温、波方向、波強度）及び風力タービン１の状態情報（ハウジングの方位、ロータの回転角度、回転ブレードのピッチ、電力出力）とが入力される。この工程において、データは継続して略リアルタイムで処理されてもよい。従って、モデルに基づくフィルタリングは、モデルが支援するデータ評価を「オンライン」で可能にするシミュレーション、つまり、例えば予め設定されたリアルタイム状態に応じた遅延のないシミュレーションに対応する。

モデルが支援するフィルタリングでは、風力タービンの数学モデルを用いて、風力タービン１の動的挙動が計算される。上述したとおり、ナビゲーションデータはモデルを刺激、支援及び検証することができる。モデルが支援するフィルタリングは、例えば、選択箇所の移動状態に関する情報、予め定義された閾値を過えた後の警告、及び／又は、寿命特性を出力する。これらの結果を例えば出力ユニット１２に送り、作業者が入手できるようにしてもよい。これを実際に条件監視、保守計画及び／又は風力タービン１の能動型調整において行ってもよい。

その結果、慣性測定システムと、建物及び施設の監視分野における一般的なナビゲーションアルゴリズムとを使用することにより、各構造物の効果的な監視及び調整が可能になる。このような建物及び施設に有効な境界条件を用いて、慣性ナビゲーションにおいて通常発生する誤差（ゼロ点誤差やスケール因子誤差）の推定及び補償を行うことができる。これに基づいて、効果的でかつ施設を保護する風力タービン運用及び対費用最適化保守計画を達成することができる。

Claims (12)

1. 構造物（１）の移動監視システムにおいて、
   前記構造物に搭載され、地上に固定された参照システムの回転速度及び加速度値を測定する複数の慣性測定装置（５）と、
   前記回転速度及び加速度値に基づき慣性ナビゲーションアルゴリズムによって監視値を求める中央ユニット（１１）とを備え、
   前記中央ユニット（１１）は、前記構造物ごとに予め決定される境界条件に基づいて、前記慣性測定装置（５）の測定誤差を測定及び／又は補正するように構成され、
   前記中央ユニット（１１）は、前記複数の慣性測定装置（５）のうち少なくとも２つの装置間の相対的移動に基づき前記監視値を求めるように構成される移動監視システム。
2. 前記慣性測定装置（５）は、それぞれが互いに独立及び／又は互いに直交する３つの検出軸と、それぞれが互いに線形独立及び／又は互いに直交する３つの検出方向とを有する請求項１に記載の移動監視システム。
3. 前記中央ユニット（１１）は、
   前記構造物（１）の略静止位置と、
   衛星測位信号に基づき測定される前記構造物（１）の少なくとも一部の位置と、
   前記構造物（１）の少なくとも一部の移動の自由度の制約と、
   前記構造物（１）の少なくとも一部の傾斜角と、
   前記構造物（１）の少なくとも一部及び／又は前記慣性測定装置（５）の移動の平均値と、
   前記構造物（１）に作用する環境的影響とを含むグループの少なくとも１つの情報に基づき前記境界条件を定める請求項１又は２に記載の移動監視システム。
4. 前記構造物（１）は、互いに結合された複数の構成部品（２、３、４、４ａ、４ｂ、４ｃ）を有し、
   １つの慣性測定装置が前記構成部品（２、３、４、４ａ、４ｂ、４ｃ）の少なくとも２つにそれぞれ搭載される請求項１〜３のいずれかに記載の移動監視システム。
5. 風力タービン（１）の移動監視システムにおいて、
   前記風力タービン（１）の回転ブレード（４ａ、４ｂ、４ｃ）上に設置され、地上に固定された参照システムの回転速度及び加速度値を測定する少なくとも１つの慣性測定装置（５）と、
   前記回転速度及び加速度値に基づき慣性ナビゲーションアルゴリズムによって監視値を求める中央ユニット（１１）とを備え、
   前記中央ユニット（１１）は、前記構造物ごとに予め決定される境界条件に基づいて、前記慣性測定装置（５）の測定誤差を測定及び／又は補正するように構成され、
   前記中央ユニット（１１）は、
   前記ロータ（４）の旋回中に前記慣性測定装置（５）に周期的に作用する重力加速度と、
   前記ロータ（４）の旋回中に前記慣性測定装置（５）に周期的に作用する地球の自転と、
   前記ロータ（４）の回転パルス発生器の出力信号とを含むグループの少なくとも１つの情報に基づいて前記境界条件を定めるように構成される移動監視システム。
6. 前記慣性測定装置（５）は、その回転経路の接線が前記回転速度センサの前記検出方向のいずれに対しても直交及び／又は平行にならないように設置される請求項５に記載の移動監視システム。
7. 前記構造物が風力タービン（１）であり、前記慣性測定装置が前記風力タービン（１）のハウジング（３）上に設置され、
   前記中央ユニット（１１）は、前記ハウジング（３）のロータリエンコーダに基づいて前記境界条件を定めるように構成される請求項１〜６のいずれかに記載の移動監視システム。
8. 前記中央ユニット（１１）は、
   前記構造物（１）の数学モデルの出力値と、
   前記構造物（１）の状態情報と、
   環境パラメータと、
   前記慣性測定装置（５）の搭載部位とは異なる前記構造物の部位の回転速度、加速度、角速度、速度、方位及び／又は位置と、
   前記構造物の異なる２つの部位間の捻れと、
   前記構造物の振動移動の振幅及び／又は周波数とを含むグループの少なくとも１つの情報に基づいて前記監視値を求めるように構成される請求項１〜７のいずれかに記載の移動監視システム。
9. 前記中央ユニット（１１）は、
   前記監視値の閾値を取り込み、前記閾値の少なくとも１つを超えれば、前記出力ユニット（１２）に情報を送り、
   前記監視値に基づき前記構造物（１）のアクチュエータを調整する作動変数の提案を前記出力ユニット（１２）に送り、及び／又は
   前記監視値に基づき前記作動変数を前記アクチュエータに送るように構成される請求項１〜８のいずれかに記載の移動監視システム。
10. 地上に固定された参照システムにおいて、構造物（１）に搭載した少なくとも１つの慣性測定装置（５）の回転速度及び加速度値を測定し、
    前記回転速度及び加速度値に基づき慣性ナビゲーションアルゴリズムにより監視値を求め、
    前記構造物ごとに予め定められる境界条件に基づき、前記測定された回転速度及び加速度値の測定誤差を測定及び／又は補正する移動監視方法であって、
    前記構造物が、回転ブレード（４ａ、４ｂ、４ｃ）付きのロータ（４）を有する風力タービン（１）の少なくとも一部を備え、前記慣性測定装置（５）が前記回転ブレード（４ａ、４ｂ、４ｃ）の１つに設置され、
    前記ロータ（４）の旋回中に前記慣性測定装置（５）に周期的に作用する重力加速度に基づき、前記ロータ（４）の旋回中に前記慣性測定装置（５）に周期的に作用する地球の自転に基づき、及び／又は、前記ロータ（４）のロータリエンコーダに基づき、前記慣性測定装置（５）を較正する移動監視方法。
11. 回転速度及び加速度値を前記構造物の数学モデルに入力し、
    前記測定された回転速度及び加速度値と、前記モデルを用いて算出された回転速度及び加速度値とのそれぞれの比較に基づき前記数学モデルを検証し、
    前記数学モデルに基づき前記監視値を求める請求項１０に記載の移動監視方法。
12. 前記構造物が、ロータ（４）を有する風力タービン（１）の少なくとも一部を備え、前記慣性測定装置（５）が前記ロータ（４）に設置され、
    前記検出された回転速度及び加速度値に基づいて前記ロータ（４）の不均衡を検出する請求項１０又は１１に記載の移動監視方法。

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