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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:胡鳴凱
研究生(外文):Ming-Kai Hu
論文名稱:風力發電機葉片3D掃描平台設計及製作
論文名稱(外文):Wind turbine blades 3D scanning platform design and production
指導教授:傅鶴齡傅鶴齡引用關係
指導教授(外文):Ho-Ling Fu
口試委員:范光照鄭錦榮
口試委員(外文):Kuang-Chao FanCheng Chin Jung
口試日期:2012-07-19
學位類別:碩士
校院名稱:中國文化大學
系所名稱:機械工程學系數位機電碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:70
中文關鍵詞:風機葉片3D 葉形量測掃瞄系統功率轉換效率即時模擬SMS系統 工程控制迴路
外文關鍵詞:Wind turbine blade3D shapeScanning measurement systemPower conversion efficiencySystem Engineeringcontrol loop
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本計畫首先將自行設計,研製一套3D 掃瞄量測系統,來量測在使用中之風機系統葉片,獲得葉片3D尺寸,分析其翼剖面所構成葉片之效益與精準度,並提升現有的數學模式,提升風機系統效益。
利用最小平方和法求取其間之實体差異,作為改進量測糸統之精度,進而提升其性能並降低未來3D 實體量測系統成本使之進入產業界更有吸引力。依設計須求自製一長行程線性量測平台,其組件包括:3.0 米X 軸移動台、光學尺、3D 取像探頭、探頭支撐架、PID 控制器、及無刷直流馬達等共六項次糸統。本量測系統特色為: 設計可量 0.5 米至3.米複材或特殊材貭之多曲度葉片、創新之控制PID 光機电整合控制介面、以簡易之無刷直流馬達透過軟体以省电式晶片控制各項介面信號、利用NI 影像擷取卡作影像斷點補償、配合線雷射光投影之非接觸式影像探頭等。葉片實際之3D 實體,利用雷射影像掃瞄探頭將取得之影像透過雙峰二值法及細線化技術得到葉片各截面的曲線,並由座標映對法轉換成3D 空間之資料,再利用曲面擬合法重建葉片之三維資料,在作葉片電腦切剖面,可透過空氣動力之技巧,以獲得所需之風力性能數據,以求取葉片最佳性能,為最終目的。

The project goal is to develop a 3D Scanning Measurement system (SMS) to scan and measure the profile of a wind turbine blade. Using the data from measurement to: (1) analyze the accuracy and efficiency of wind turbine blade, (2 )get the variance and standard deviation between the database and the shape model of the blade to improve the accuracy of SMS, Not only can the SMS performance be improved the performance of SDSWN but also the system cost can be down so as to attract the commercial competitiveness in the future. SMS included: (1) a 3.0meter X-axis moving platform, (2) a linear scale, (3) a 3D scanning head, (4) a head supporting frame, (5) a PID controller and (6) a ruthless DC motor. We are one year to establish the whole system with meaning; a nay is all applicant, successfully.
中文摘要 I
表索引 X
第一章緒論 1
1.1研究背景 1
1.2文獻回顧 6
1.2.1 接觸式及非接觸式量測 8
1.2.2掃描量測方式(改良式三角法) 10
1.3論文目的 11
第二章系統架構 12
整體系統 12
2.1馬達驅動及訊號回授 14
2.2高速影像擷取及影像處理 17
2.3光學尺及編碼器計數卡 20
第三章定速定位及平台穩定校正 23
3.1平台準直度測試 23
3.2 平台定位及穩定參數測式 25
3.2.1平台定位 27
3.2.2P參數測試 29
3.2.3PI參數測試 31
3.2.4 PID參數測試 34
3.3最佳參數 35
3.4結論 36
第四章光學掃描校正及影像數位化 38
光學處理 38
4.1 二值化(雙峰法) 40
4.2 Stentiford &Zhang-Suen細線化法比較 45
4.2.1Zhang-Suen細線化法(上下夾擊法) 45
4.2.2 Stentiford 細線化法(左右夾擊法) 48
4.2.3細線化二方法Zhang-Suen& Stentiford比較討論 51
4.3數位曲線壓縮(特徵點) 53
4.4曲線控制點比較 54
4.5SKYSTREAM葉片(曲面形狀)點資料重建比較 56
4-6 SKYSTREAM葉片曲面修補 59
第五章結論 64
致謝 67
參考資料 68




圖索引
圖1- 1A.2007年北極冰山 B.2011年北極冰山 1
圖1- 2為2007年至2011年全球氣溫變化圖 2
圖1- 3指導教授傅鶴齡教授(左1)與美國風機總裁(左2.3)及本校前工學院院長於本校風機合影 4
圖1- 4各式風機葉尖速度比與轉換效益關係圖 5
圖1- 5影像量測平台利用PRO/E模擬系統圖 7
圖1- 6影像量測平台 7
圖1- 7主動式及非接觸式量測分類 9
圖1- 8各種結構光 10
圖1- 9主動式線雷射三角法量測物體幾何關係圖 11
圖2- 1整體系統架構 12
圖2- 2實際風機量測平台 13
圖2- 3整體控制流程 13
圖2- 4 12個PWM可使馬達轉360度角 14
圖2- 5 PWM訊號傳遞控制流程 14
圖2- 6實際馬達控制配線圖 15
圖2- 7實際訊號傳遞流程 16
圖2- 8客製化影像模組 17
圖2- 9客製化雙CCD模組實際運作 18
圖2- 10實際CCD掃描位置 18
圖2- 11影像量測流程 19
圖2- 12三角量測示意圖 19
圖2- 13實際安裝光學尺位置 21
圖2- 14光學尺及計數卡之關係圖 22
圖2- 15運作方式 22
圖3- 1偏移量測之原理 24
圖3- 2電子水平儀量測角度 24
圖3- 3平台全長2500M圖中為2-D之偏移量,由表3-1可得到其偏移量最大±0.3之內,但平台在1MM之內均可運作自如 25
圖3- 4極限開關 26
圖3- 5為平台特別設計之馬達、光學尺。人機介面圖示 27
圖3- 6平台定位流程 28
圖3- 7 未修正PID時之平台情況,平台不穩定性大於5%,產生抖動 28
圖3- 8參數,P=3 平台些許移動 30
圖3- 9參數,P=4 平台抖動嚴重,且不規則移動 31
圖3- 10參數,P=0.5 I=0.005 反應速度4.6秒 32
圖3- 11參數,P=0.7 I=0.008 反應速度1.8秒 33
圖3- 12參數,P=0.81 I=0.0047 反應速度1.4秒 33
圖3- 13參數,P=0.35 I=0.004 D=0.05 平台不受控制的移動 34
圖3- 14校正前PI控制300RPM輸出及 5%間隔 35
圖3- 15校正後PI控制300RPM輸出及 5%間隔 36
圖3- 16 300RPM之光學尺記錄之組數(本組數是以2000MM為統量,全長分0-100組,每組分為20MM) 37
圖4- 1實際量測SKYSTREAM葉片 38
圖4- 2曲面建構影像總流程 39
圖4- 3 SKYSTREAM風機葉片未經數位化處理之灰階影像圖 40
圖4- 4僅用濾波及一般二值化之數位影像圖 41
圖4- 5制定二值化參數[120,255],少數雜訊被過濾 42
圖4- 6制定二值化參數[150,255],大多雜訊被過濾 42
圖4- 7制定二值化參數[200,255],雜訊近乎過濾 43
圖4- 8制定二值化參數[240,255],過濾完成 43
圖4- 9二值化參數: [250,255] 影像結構被破壞無法使用, 44
圖4- 10二值影像經細線化後 45
圖4- 11細線化之分段示意圖 46
圖4- 12實際影像對照示意 47
圖4- 13 ZHANG-SUEN細線化及節點現象 48
圖4- 14 STENTIFORD四組原型比對模塊(非二值化使用) 48
圖4- 15 STENTIFORD 修改後之模塊(可用於二值影像中) 49
圖4- 16二值化影像[240,255]參數 49
圖4- 17經左右夾擊二值化夾擊後之圖(左)經數位化為如圖右 50
圖4- 18經第二次比對示意圖 50
圖4- 19 二次比對後進行迭代示意圖 50
圖4- 20 STENTIFORD細線化及端點現象 51
圖4- 21 ZHANG-SUEN細化後端點區域(較為清晰) 52
圖4- 22 STENTIFORD細化後端點區域(較為模糊) 52
圖4- 23由RPD演算法求出單線上5個特徵[14] 53
圖4- 24再演算法中加入參數使其導出12各點資料 54
圖4- 25曲線控制點(ZHANG-SUEN細化)之2D圖形 55
圖4- 26曲線控制點(STENTIFORD細化)之2D圖形 55
圖4- 27 ZHANG-SUEN3D擬合細化葉片部分區段受雜訊干擾(其2D圖為4-25) 57
圖4- 28 STENTIFORD 3D擬合細線化葉片(其2D圖為4-26) 57
圖4- 29 ZHANG-SUEN細線化之葉片點群資料圖示 58
圖4- 30 STENTIFORD細線化之葉片點群資料圖示 58
圖4- 31 SKYSTREAM雜訊、破碎接點 59
圖4- 32 使用軟體中之橋樑功能 60
圖4- 33利用橋樑功能,先設定A節點位置 60
圖4- 34利用搭橋功能,先設定B節點位置 61
圖4- 35利用A點及B二點建構出後的橋樑 61
圖4- 36利用工具中的填補功能,將橋樑後之區塊填補起來 62
圖4- 37選取填補之區塊 62
圖4- 38區塊填補完成後 63
圖4- 39手動修補完成後之3D曲面圖 63
圖5- 1SKYSTREAM葉片按不同長度切取之剖面 64
圖5- 2SKYSTREAM葉片由葉根向葉尖1300MM處切取之剖面 64
圖5- 3SKYSTREAM葉片由葉根向葉尖1055MM處切取之剖面 65
圖5- 4SKYSTREAM葉片由葉根向葉尖730MM處切取之剖面 65
圖5- 5SKYSTREAM葉片由葉根向葉尖545MM處切取之剖面 65
圖5- 6台大團隊范教授與文化大學團隊傅教授合影 67


表索引
圖表2- 1無刷直流馬達DBT566S32A規格表 16
圖表2- 2直流無刷馬達RPM、TORQUE、電壓 關係 17
圖表2- 3光學尺規格表 21
圖表3- 1平台偏移量之數據 25
圖表3- 2 P參數測試結果 30
圖表3- 3 PI參數測試結果 32
圖表3- 4 SKYSTREAM影像及速度關係圖表 37
圖表4- 1數位化A1區塊分布示意 47
圖表4- 2 ZHANG-SUEN&STENTIFORD比較 51
圖表4- 3 ZHANG-SUEN細化圖及STENTIFORD細化比較結果敘述 54
圖表4- 4端點、壓縮點、控制點作用及時機 56
圖表4- 5 STENTIFORD細線化及ZHANG-SUEN細線化比較 56



[1]http://nsidc.org/news/press/2007_seaiceminimum/20070810_index.html
[2]http://nsidc.org/news/press/20101004_minimumpr.html
[3] 羅勇,“全球氣候變化及其應對”,2010年5月
[4]http://www.columbia.edu/~mhs119/Temperature/T_moreFigs/
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[13] 范光照等編著,“逆向工程技術與應用”,高立圖書有限公司,2002年
[14] 游書銘,“三維風機葉片量測系統研討”碩士論文2011,12月
[15] Ho Ling Fu, Ming Kai Hu “3-D Image Measurement , Data Process and Data Reconstruction with Wind-turbine Blade Application” pp.
[16] 簡万菘,“精密機械概論-光學尺篇”
[17] 施能義,高嘉隆,“直流無刷馬達之模糊PID控制器設計”,2010年資訊科技國際研討會論文
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[19] J. Sauvola, M. PietikaKinen “Adaptive document image binarization” Pattern Recognition 33 (2000) 225-236
[20]廖振偉、史天元、張崑宗,“細化演算法比較”地籍測量,20(3):1-18
[21] 劉寶信,“電子構裝三維尺寸之雷射量測”,國立成功大學工程科學研究所,碩士論文,2003年
[22]Stentiford, F.W. M. and R. G. Mortimer., 1983, Some New Heuristics for Thinning Binary Handprinted Characters for OCR. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics.3(1):81-84
[23] 何昭慶,“三維影像量測曲面疊合技術研究”,國立台灣大學機械工程研究所,碩士論文,1997年
[24] 楊雨霖,“視覺輔助型鋼橫向剖面輪廓線上量測系統”,崑山科技大學機械機械工程研究所,碩士論文,2006年

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