与风力涡轮机维护有关的改进

技术领域

本发明涉及改进风力涡轮机的维护过程的方法和系统，特别地是以提高参与这些维护过程的机务人员的安全性为目的。

背景技术

作为风力涡轮机装置的商业可行性的基础的重要因素是需要降低总能量成本。因此，风力涡轮机制造商不断努力降低风力涡轮机设备的成本，提高该设备的可靠性，以便减少风力涡轮机停机时间以及降低安装成本。

除了风力发电厂的安装成本以外，还有持续的维护成本。随着向海上装置的更多移动，由于进入电厂变得更成问题，从而推高了维护成本。虽然降低维护成本很重要，但是确保参与维护作业的人员的安全至关重要。因此，维护人员必须经适当地认证才能胜任其所从事的工作，并且需要遵循精心制定的维护过程，以便将事故风险降至最低。作为预防措施，目前，风力涡轮机的标准配件是装配有救援包，将这种设备设置为耐火服、呼吸设备、救火设备、海上救生衣、攀登设备等。这样的救援包向维护人员提供了多种设备，以应对不太可能发生的事故。然而，这样的设备很昂贵，并且为风电厂中的每一个风力涡轮机提供救援包是非常大的成本。除此之外，事实上救援包还可能需要每年进行一次或更多次重新认证。此类认证任务可能需要单独访问风力涡轮机，这特别是在海上环境中是一项有重要意义的任务。

正是在这种背景下设计了本发明。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于对风力涡轮机执行维护作业的方法，所述方法包括以下步骤：接近风力涡轮机停泊维护载具，发起对风力涡轮机的维护作业，从维护载具部署UAV，其中，UAV具有包括救援包的有效载荷，将UAV定位成使得救援包被放置在风力涡轮机上。

作为本发明的结果，只有当维护作业在进行中时，才“按需”向风力涡轮机提供救援包。这避免了需要提供救援包作为每个风力涡轮机上的标准设备项，因此实现了显著的成本降低。而且，由于与救援包相关联的典型认证要求，因此以这种方式按需提供救援包避免了创建单独现场访问来重新认证救援包，这是因为可以根据需要在维护载具上进行任何重新认证。另一个益处是，可以根据需要扩展救援包，以包括更多的设备，或者针对要维护的风力涡轮机所处的特定环境定制救援包内的设备。

为了向维护人员提供可随时存取的救援包，优选地，将UAV定位或控制成降落在风力涡轮机上，以将救援包放置在风力涡轮机上的预定存取点(access point)。该存取点可以是在机舱上，这是因为机舱通常是风力涡轮机上最容易到达的点，并且在那里执行大多数维护任务。预定存取点接近机舱的舱口，以确保在紧急情况期间维护人员能够特别容易且快速地存取救援包。

可以响应于维护作业的发起，从维护载具部署UAV。另选地，可以响应于紧急通知、信号、消息或呼叫，从维护载具部署UAV。

在一个实施方式中，控制UAV在将救援包放置在风力涡轮机上之后立即返回至维护载具。因此，在这种场景中，一旦已经完成维护作业，就可以控制UAV从风力涡轮机取回救援包。有利地，在这种情形下，UAV可以在风力涡轮机处放下救援包，然后返回至基地载具，在那里可以使UAV执行进一步的任务。例如，可以控制UAV以将救援包带到需要维护的其它风力涡轮机。

在另选实施方式中，UAV可以在维护作业期间保持具有救援包，并且在已经完成维护作业之后将救援包返回至维护载具。

该救援包可以包括以下项中的一者或更多者：海上救生衣、除颤器套件、攀登设备、安全下降套件、灭火器、呼吸设备、急救包、防火服以及营养套餐。

在另一方面，本发明涉及一种对风力涡轮机执行维护作业的系统，该系统包括：维护载具，该维护载具承载具有包括救援包的相关有效载荷的UAV；以及控制站，该控制站被配置成：在维护作业之前或者期间部署UAV，将UAV引导至在其上执行维护的风力涡轮机，以及关于风力涡轮机定位UAV，以将救援包放置在风力涡轮机上。

附图说明

图1是用于在本发明的实施方式中使用的示例性无人飞行器系统的示意图；

图2是用于与图1的无人飞行器系统一起使用的控制站的示意图；

图3是描述本发明的实施方式的场景的视图；

图4是类似于图3的视图，示出了本发明的各个阶段；

图5是描绘本发明的实施方式的流程图。

具体实施方式

本发明的实施方式提供了无人驾驶航空器系统(unmanned aircraft system(UAS))和无人驾驶飞机(unmanned air vehicle(UAV))或无人机(drone)，以便提供对风力涡轮机执行维护作业的改进方法。

为简短起见，本讨论将参考“无人机”作为任何类型的无人驾驶飞机，无论是诸如多旋翼(multirotor)的相对小型旋翼飞机(例如，三旋翼直升机、四旋翼直升机、五旋翼直升机、六旋翼直升机、八旋翼直升机)还是大型无人驾驶直升机。

本发明的实施方式提供了一种改进风力涡轮机的维护作业的新颖方法。本发明允许在维护作业期间从位于风力涡轮机附近的维护载具“按需”提供救援包，使得可以仅当维护作业在进行中时，才将救援包递送至风力涡轮机。在海上风电厂的情况下，这种载具可以是服务作业船。本发明的一个益处是，维护载具能够向正在经历维护的风力涡轮机提供救援包，这避免了需要为各个风力涡轮机配备专用的救援包，从而大大降低了成本。

另一个益处是，由于救援包在不使用时位于维护载具上，这意味着可以在任何时间对救援包进行检查并重新认证。这与现有状况形成对比，在现有状况中，必须执行特定现场访问，以便在风力涡轮机上原地重新认证救援包。因此，本发明使得能够显著降低风力涡轮机运营商的运营成本。

为了使本发明置于上下文中，图1示出了可以在本发明的实施方式的实现中使用的UAV/无人机20的典型架构的系统图。概述而言，无人机20包括：控制系统22、一个或更多个推进单元24、动力系统26、通信系统27、传感器套件28、任务计划系统29以及导航系统30。无人机系统20可以与地面或远程计算机系统31(下文中称为“控制站”)结合操作，稍后参照图2更详细描述控制站。

控制系统22是主计算单元，该主计算单元通过基于来自传感器套件28和导航系统30两者的输入对推进单元24进行控制，来控制无人机20的飞行。控制系统22可以实现根据从控制站接收到的控制输入来实现遥控飞行，基于其内部任务计划算法实现自主飞行，或者实现使用机载任务计划和基于地面的引导的混合的半自主飞行。控制系统22的主要职责是作为下层控制器，该下层控制器负责基于远程控制动作或基于自身生成的飞行方向进行无人机的位置控制(高度和横向位置)、姿态控制(俯仰、翻滚和偏航)以及的速度控制(水平和垂直速度)。控制系统22包括合适的处理环境，该处理环境具有处理器32以及具有相关机载通信功能(诸如数据总线)的存储器34，因而它能够与其它机载系统进行通信。

为了直接控制飞行配置文件(profile)，控制系统22与一个或更多个推进单元24进行通信。这里示出了四个推进单元24，如同无人机系统20是多旋翼飞机那样。然而，更多或更少的推进单元也是合适的。例如，自主直升机可以具有单个推进单元，但是重型无人机可以具有六个或八个推进单元。推进单元可以是提供无人机的可控飞行的任何合适单元，并且可以是驱动合适转子叶片的电动机，通常是具有不同尺寸和空运能力的多旋翼飞机。然而，推进单元24例如也可以是燃气涡轮机或内燃机。

机载动力系统26被选择成适合于推进单元24。例如，对于电动机，机载动力系统26可以是电池组、燃料电池甚或外部电源插头，以便从外部源接收电力。相反地，在推进单元是燃气涡轮机或ICE的情况下，动力系统26可以是机载燃料箱。

通信系统27提供了向无人机20外部的系统发送数据和从该系统接收数据的装置。例如，无人机20可以向控制站31发送遥测数据，并且可以作为无人机群的一部分或独立运行的无人机，向在该地区运行的其它无人机发送位置、姿态以及速度数据。通信系统27还可以从外部系统接收数据，并且在这种情况下，如果无人机20在遥控飞行模式下运行，则该无人机可以从控制站31接收遥控命令。另选地，无人机可以从控制站31上传任务数据。通信系统27还可以允许与其它无人机进行传入和传出通信，以使可以与其它无人机协调飞行路径和任务目标，以实现共同的目的。通信系统可以通过本领域中已知的以下任何方式来引导信号，包括但不限于：蜂窝或其它基于电话的网络、遥控射频链路、UHF或L波段频率链路、微波频率链路或者其它合适的数据链路、网络或通信路径。

将传感器套件28可操作地连接至控制系统22，并且提供合适的传感器数据以辅助无人机的作业。例如，传感器套件28可以包括接近检测器、基于卫星的定位系统(例如包括GPS、PTK-GNSS、PPP-GNSS或者被设置用于定位控制的任何其它本地定位系统)、执行检查和导航任务的光学静止和视频相机、惯性导航系统(仅举几个例子)。通常，这种传感器套件28将适于承载特定任务所需的更多或更少的传感器。应注意，在这种情况下，GPS单元可以直接从卫星接收信号，以便固定无人机的位置，但是另一种选择是实现差分GPS系统(本领域已知的)，该差分GPS系统从基于地面的差分GPS信标接收信号，以便提供与直接GPS相比更高的定位准确度。应注意，此处将GPS单元36示出为与导航系统30是成一体的。

任务计划系统29提供到控制站31的链路，以存储已经在该任务计划系统上生成且无人机在使用中遵循的任务。任务计划系统29可以包括合适的存储装置和算法来存储、提供以及即时生成合适的任务目标、航路点、作业空间等。

导航系统30基于来自传感器套件28的GPS数据输入，向飞行控制系统22提供有关路径跟踪的控制输入。

除了上述系统以外，无人机20还包括安装有效载荷的安装装置38，这将在下面更详细地描述。

安装装置38可以被配置成保持或支承有效载荷，诸如救援包。这样的有效载荷可以被保持在相对于无人机20的主体的固定位置，或者在另选实施方式中，可以将有效载荷通过软线、系绳或吊索从无人机上悬挂下来。为了提供所承载的有效载荷类型的灵活性，安装装置38可以被配置成将有效载荷可拆卸地附接至无人机20，使得该有效载荷可以在使用后被移除或进行更换。

已经描述了无人机20的功能组件，现在将讨论转向如图2所示的控制站31。如上所述，控制站31为一个或更多个无人机20提供控制集线器，并且适当地配备有具有合适处理模块42和存储装置44的计算平台40。计算平台40实现合适控制站软件包46，以提供合适控制站设施来与其它无人机(如有必要)一起控制和协调无人机。例如，该软件包可以包括遥测馈送、状态信息更新、第一人称视觉(FPV)馈送、任务计划界面和算法等。用户界面48被提供为使得用户/操作员能够查看与无人机20有关的数据，并且将控制和参数数据输入到控制站31中。用户界面48可以包括显示屏、音频输出、用户输入装置(诸如键盘、操纵杆、鼠标、屏幕上按钮)或者这些的组合。

控制站31还具有通信系统49，以便向无人机20发送数据和从无人机20接收数据。控制站31可以是安装在维护载具中的基于地面的系统，该维护载具诸如是被称为“服务作业船”的船舶类型。

应意识到，无人机系统20的以上描述仅旨在作为自主飞行器的主要组件的示例，并且其它组件也可以被包括在典型系统中。一般而言，应注意，用于在本发明的实施方式中使用的无人机是已知的，并且能够以遥控飞行模式、半自主和全自主飞行模式执行，并且能够与其它无人机以固定位置关系按经协调的方式执行调动。

如上所述，本发明涉及使用无人机20将救援包运输至风力涡轮机上的维护人员可存取的位置。这样，在紧急情况下，维护人员可以存取救援包，因而无需将救援包作为风力涡轮机机舱内部的永久固定装置。

图3和图4是根据本发明的实施方式的可能作业场景。

首先参考图3，示出了处于海上位置的风力涡轮机60。该风力涡轮机60是由地基64支承在海面62上的。按照惯例，风力涡轮机60包括由地基64支承的塔66、以及在塔66的顶部上支承的机舱68。机舱68支承包括多个叶片72的转子70。如图所示，风力涡轮机是被称为水平轴风力涡轮机的类型，但是其它风力涡轮机类型也是可应用的。

在所示场景中，风力涡轮机60将要经历维护作业，因而被称为服务作业船或SOV的支持船74停泊在距风力涡轮机60合适的安全距离处。该距离本身不是关键的，而是很可能根据可应用地理区域内的安全要求来确定的并且约为50m。在整个维护作业过程中，SOV 74通常可以通过使用动态定位系统或通过系泊缆绳而留在该站点。

如图所示，SOV 74用作作业的维护基地载具，也用作被装载在SOV 74上的UAV20的起飞平台。读者此时应注意，图中的各个部分未按比例显示，因而与现实中的情况相比，UAV20被例示为相对于SOV是更大的。

UAV 20在这里被示出为定位在SOV 74的后甲板上。应注意，这是为了便于例示，并且应意识到，可以将UAV 20适当地装载于SOV 74的任何部分，UAV可以从该部分飞到空中。例如，可以将UAV 20存放在合适的储存容器(未示出)中，该容器通常提供对海洋环境的防护，但是可以在需要部署UAV 20的时刻打开。

伴随UAV 20的是如已经描述的控制站31。再一次，为了方便起见，控制站31在图3中被示出为位于SOV 74的后甲板上。然而，控制站31的电子硬件可以代替地位于SOV的干燥控制室中，或者实际上位于UAV 20的储存容器中。

将UAV 20与包括紧急救援包的有效载荷80相关联。该救援包可以是UAV 20的永久性或半永久性固定装置，以使救援包实际上形成UAV 20的单一部件。另选地，UAV 20可以装配有控制钩、或者可以将其自身联接至救援包的一对抓爪。不管选择哪种联接装置，都应意识到，UAV 20以这样的方式与救援包80相关联，即，该UAV能够将救援包提升到空中并将该救援包80运输至风力涡轮机60。

救援包80可以包括维护人员、技术人员或机务人员在紧急情况下可能需要的多种设备。因此，救援包80可以包括：用于扑灭火灾的合适设备(诸如呼吸设备/呼吸器、灭火装置)、急救设备(诸如急救包和除颤器)、以及紧急疏散设备(诸如攀爬系统、救生服和救生筏)。应注意，这样的设备仅以示例的方式被提及，而并非是限制性的。

如在图3中示出的，SOV 74已经朝风力涡轮机派遣了机务人员转运船82或CTV。CTV82是更适合接近风力涡轮机操纵的较小船，目的是在各种海况下将机务人员和设备转运至风力涡轮机。在一些情况下，SOV 74可以用于CTV 82的目的。

此时，维护作业已经开始。继续前进至图4，在“A”处可以看到，UAV 20已经起飞或部署，并且正在向风力涡轮机60行进。UAV 20的部署可以通过多种动作来发起。一种选择是，在维护作业开始时，由控制站31命令部署UAV20，以使在维护人员到达风力涡轮机60之前，使救援包80在风力涡轮机上的合适存取点处就位。这种部署命令可以由负责管理此类任务的机务人员手动触发，或者可以基于适当的预编程任务配置文件来触发。

另一种选择是可以通过检测紧急事件来触发部署。例如，风力涡轮机或维护人员可以装配有合适的应答器，以在紧急情况下呼叫UAV 20。响应于这样的紧急呼叫，UAV 20将在控制站31的控制下起飞，并且直接行进至风力涡轮机60，以尽快向人员提供救援包80。

可以由技术熟练的合适飞行员使用控制站31(例如SOV 74机载的)的控件手动驾驶UAV 20。另选地，可以通过控制站31实现存储在其上的合适任务配置文件来自动地控制UAV 20。

UAV 20继续飞向风力涡轮机，直到将救援包80放置在可存取的合适位置为止。这可以在图4中的位置“B”处看出。通常，风力涡轮机机舱具有舱口，以允许风力涡轮机内的人员到达机舱的外部。因此，对于UAV，一种选择是接近机舱存取舱口(未示出)将救援包降下。

可以在机舱68上设置专用着陆区，该专用着陆区提供了人员要存取救援包的存取点。可以将该着陆区预先选择为可从机舱存取舱口轻松存取。可以用可见标记标记着陆区，以帮助无人机飞行员定位着陆区并将UAV 20准确地设置在该区域上。另选地，UAV 20可以装配有合适硬件和控制例程，以识别着陆区并将该UAV自身向下引导至安全着陆。

着陆区还可以设置有充电装置，以使一旦UAV 20已经着陆，就对UAV的电池进行补充充电。这可以通过与物理充电插头对接或者维护组中的负责将UAV 20插入电源的成员来实现。另一另选方案是为着陆区装配非接触/无线充电装置，以使UAV20可以简单地通过降落在着陆区上的正确位置来补充充电其电荷。

除了提供救援包80之外，还设想在一些实施方式中，可以将UAV 20配置成执行第二功能。例如，在接收到紧急信号的情况下，UAV 20可以在递送救援包80的同时采取适当的动作。这里的一种选择是，如果紧急信号指示机舱68中存在火灾，则可以将UAV 20配置成向机舱递送灭火装置。因此，导致UAV 20的部署的紧急信号充当UAV 20采取动作以扑灭火灾的触发信号。还可以将UAV 20配置成，响应于当UAV 20已经在飞行中或者当其静止降落在机舱上时接收到的触发信号而动作。因此，UAV 20在运送途中甚或在其已经部署之前都可以对触发信号作出响应。在该实施方式中，UAV 20可以通过存取舱口投放本领域已知的灭火弹。在WO201403238中描述了这种设备。

如已经提到的，在维护作业期间发生紧急情况的风险是很低的，因而UAV 20主要是作为预防措施来将救援包80提供至风力涡轮机60的。因此，当维护作业已经完成时，UAV20将救援包80返回至SOV 74，如图4中的“C”和“D”所示。

可以通过各种动作来触发UAV 20到SOV 74的取回或恢复。一种选择是让维护人员在确认维护作业结束之后开始取回。因此，控制站31可以引导UAV 20自动回船。另一选择是在适当的时间经由控制站31在手动控制下将UAV 20引导回去。

图5是例示根据本发明的实施方式的在风力涡轮机上执行维护作业的方法100的步骤的视图。过程100中所示的步骤中的一些或全部步骤可以由控制站31根据预先计划的任务或者通过与合格操作员的互动来执行。

步骤102指示维护作业已经开始，因而控制站31可以在步骤104通过部署UAV20做出响应，在步骤104，该UAV将救援包80运送至风力涡轮机60。如已经提到的，另一选择是控制站31仅在已经接收到部署呼叫之后(例如，当已经检测到紧急事件时)，才将UAV 20派遣到风力涡轮机60。

一旦已经部署了UAV 20，控制站31就将UAV 20引导朝向风力涡轮机60，从而将UAV20降落在风力涡轮机60的合适着陆区上，如在步骤106处。如所讨论的，可以将着陆区定位在合适的存取点，在该存取点处，向维护人员提供存取救援包80的路线。

所述方法还包括：在步骤108，一旦已经完成了维护作业，就使UAV 60恢复到其基地。可以通过从维护组接收作业已经完成的信号或消息来触发恢复步骤。发起也可以是基于时间的。

UAV恢复可以通过飞行员向控制站31输入适当控制命令来完成，和/或可以在控制站31的自动控制下进行引航中的一些或全部。

在对所示实施方式的以上讨论中，已经提及了几种修改或变型。现在为了完整性，将讨论其它修改或变型。

尽管在所示实施方式中，CTV用于将机务人员从SOV转运到风力涡轮机，但是可以设想，也可以将SOV适当地调整大小并且装配成将机务人员转运至风力涡轮机。

在使用CTV的情况下，一个选择是，可以将UAV 20和控制站31中的至少一者承载在CTV上而不是SOV上。在因安全理由而必须将SOV留在距风力涡轮机相当远距离的站点的情况下，从节省电池寿命的角度来看，从CTV发射UAV可能是有益的。

在以上讨论中，UAV 20的飞行控制是由作为装载船的控制站31提供的。然而，可以设想，也可以将控制站存放在风力涡轮机60内，例如存放在机舱内。这样，一旦维护人员准备好开始他们的维护工作，该维护人员就可以将UAV引导至机舱。更进一步地，基于机舱的控制站也可以伴随有UAV。这样，维护人员可以在需要时使该UAV飞向SOV，以拾取救援包，并且一旦维护作业完成就将该救援包返回给船。

作为该场景的另选方案，不是存放在船上或风力涡轮机上，而是可以代替地将一个或更多个UAV以及相关控制站存放在风电厂内的合适位置处，例如，存放在变电站(substation)处。因此，UAV将成为被用于在SOV与风力涡轮机之间视情况运送救援包的通用“工人无人机”。

作为上述场景的另一个另选方案，可以在陆上风电厂中执行该方法和系统。