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Vision-based autonomous navigation for wind turbine inspection using an unmanned aerial vehicle

René Parlange (2019)

Wind power generation is being rapidly adopted around the world as an alternative source of clean and renewable energy. Wind turbines require periodic inspection and maintenance to ensure a good performance and a prolonged lifetime. Traditionally, inspection involves the risk of a person falling while abseiling from the platform at the roof of the nacelle. Recently, UAVs have been controlled by operators to inspect the blades, taking pictures and video of their surface. However, this task requires expert pilots and causes them to experience fatigue quickly. Alternatively, autonomous UAVs are not subject to human tiredness and can follow trajectories in a repeatable manner. The proposed approach consists in developing an autonomous agent that is able to locate itself and build a map of its environment, performing simultaneous localization and mapping. To recognize the position of the blades and hub, the UAV detects line segments and removes noise by segmenting the wind turbine from the background of the scene with color thresholding. The blade lines are detected by fitting a geometrical model to the filtered lines. Then, by performing a backwards projection from a 2D image plane to a 3D scene, the path planner establishes a trajectory of waypoints along the blades for the UAV to inspect from a safe distance. Finally, knowing its current location, the autonomous navigation controller can follow these inspection points, gathering useful image data for further evaluation by an expert inspector. Experiments were carried out in a fully autonomous manner in simulation and in a real environment using scale wind turbines, as well as localization and navigation tests with a full-scale wind turbine.

La generación de energía eólica ha tenido una creciente adopción como una fuente alternativa de energía limpia y renovable. Las turbinas eólicas requieren inspecciones periódicas para asegurar su buen desempeño y una larga vida útil. Tradicionalmente, la inspección con acceso por cuerdas involucra el riesgo de que una persona caiga. Recientemente, los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) han sido controlados por operadores para inspeccionar las palas, tomando fotos y video de la superficie. Sin embargo, esta tarea requiere pilotos expertos y les causa fatiga rápidamente. Por otro lado, los VANTs autónomos no están sujetos al cansancio humano y pueden seguir trayectorias de forma repetible. El enfoque propuesto consiste en desarrollar un agente autónomo que sea capaz de localizarse y construir un mapa de su entorno. Para reconocer la posición de las palas y el rotor, el VANT detecta segmentos de líneas y separa la turbina del fondo de la escena con una máscara de segmentación obtenida estableciendo umbrales en espacios de color. Las líneas que constituyen las palas se detectan ajustando un modelo geométrico de la turbina a las líneas filtradas. Después, realizando una proyección inversa del plano de imagen 2D a una escena 3D, el planificador genera una trayectoria para que el VANT pueda inspeccionar la turbina desde una distancia segura. Finalmente, conociendo su ubicación actual, el controlador de vuelo sigue estos puntos de inspección, recolectando imágenes útiles para la evaluación posterior de un experto. Se llevaron a cabo experimentos con inspecciones autónomas en simulación y en entornos reales usando turbinas a escala, así como pruebas de localización y navegación con una turbina de tamaño real.

Master thesis

Wind turbine inspection Unmanned aerial vehicle Simultaneous localization and mapping Autonomous vagation RANSAC blade detector CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS CIENCIA DE LOS ORDENADORES LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Vision-based autonomous navigation for wind turbine inspection using an unmanned aerial vehicle

René Parlange (2019)

Wind power generation is being rapidly adopted around the world as an alternative source of clean and renewable energy. Wind turbines require periodic inspection and maintenance to ensure a good performance and a prolonged lifetime. Traditionally, inspection involves the risk of a person falling while abseiling from the platform at the roof of the nacelle. Recently, UAVs have been controlled by operators to inspect the blades, taking pictures and video of their surface. However, this task requires expert pilots and causes them to experience fatigue quickly. Alternatively, autonomous UAVs are not subject to human tiredness and can follow trajectories in a repeatable manner. The proposed approach consists in developing an autonomous agent that is able to locate itself and build a map of its environment, performing simultaneous localization and mapping. To recognize the position of the blades and hub, the UAV detects line segments and removes noise by segmenting the wind turbine from the background of the scene with color thresholding. The blade lines are detected by fitting a geometrical model to the filtered lines. Then, by performing a backwards projection from a 2D image plane to a 3D scene, the path planner establishes a trajectory of waypoints along the blades for the UAV to inspect from a safe distance. Finally, knowing its current location, the autonomous navigation controller can follow these inspection points, gathering useful image data for further evaluation by an expert inspector. Experiments were carried out in a fully autonomous manner in simulation and in a real environment using scale wind turbines, as well as localization and navigation tests with a full-scale wind turbine.

La generación de energía eólica ha tenido una creciente adopción como una fuente alternativa de energía limpia y renovable. Las turbinas eólicas requieren inspecciones periódicas para asegurar su buen desempeño y una larga vida útil. Tradicionalmente, la inspección con acceso por cuerdas involucra el riesgo de que una persona caiga. Recientemente, los Vehículos Aéreos No Tripulados (VANTs) han sido controlados por operadores para inspeccionar las palas, tomando fotos y video de la superficie. Sin embargo, esta tarea requiere pilotos expertos y les causa fatiga rápidamente. Por otro lado, los VANTs autónomos no están sujetos al cansancio humano y pueden seguir trayectorias de forma repetible. El enfoque propuesto consiste en desarrollar un agente autónomo que sea capaz de localizarse y construir un mapa de su entorno. Para reconocer la posición de las palas y el rotor, el VANT detecta segmentos de líneas y separa la turbina del fondo de la escena con una máscara de segmentación obtenida estableciendo umbrales en espacios de color. Las líneas que constituyen las palas se detectan ajustando un modelo geométrico de la turbina a las líneas filtradas. Después, realizando una proyección inversa del plano de imagen 2D a una escena 3D, el planificador genera una trayectoria para que el VANT pueda inspeccionar la turbina desde una distancia segura. Finalmente, conociendo su ubicación actual, el controlador de vuelo sigue estos puntos de inspección, recolectando imágenes útiles para la evaluación posterior de un experto. Se llevaron a cabo experimentos con inspecciones autónomas en simulación y en entornos reales usando turbinas a escala, así como pruebas de localización y navegación con una turbina de tamaño real.

Master thesis

Wind turbine inspection Unmanned aerial vehicle Simultaneous localization and mapping Autonomous vagation RANSAC blade detector CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA MATEMÁTICAS CIENCIA DE LOS ORDENADORES LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Análisis preliminar estructural de un álabe de doble raíz de materiales compuestos para una turbina eólica de 3Kw

Preliminary structural analysis of a blade of double root of composite materials for 3Kw wind turbine

VICTOR LOPEZ Isaac Hernández Arriaga María Guadalupe Navarro Rojero David Lozano Mandujano (2018)

Investigadores del gobierno y la industria, anticipan el incremento en un futuro muy cercano de parques eólicos de baja velocidad de viento en Estados Unidos, Canadá, Europa, China, India y Brasil. Además, el fabricante de turbinas eólicas Siemens ha declarado que "espera que un tercio del desarrollo global de la energía eólica en los próximos años tenga lugar en áreas con velocidades del viento de medias a bajas"[1]. El escenario anterior bien puede aplicarse a cualquier parte del mundo, pues la búsqueda del aprovechamiento eólico no puede limitarse a rangos de velocidades de viento altos. Los vientos de media y baja velocidad, bien pueden explotarse con tecnología diseñada para las características propias de ese recurso específico. El presente trabajo, muestra el análisis estructural mediante el Método de Elemento Finito de un álabe de doble Raíz de baja capacidad para bajas velocidades de viento (patente en trámite ante el IMPI). El álabe, se considera fabricado con materiales compuestos. Para justificar el diseño, se consideran los casos de la metodología de carga simplificada contemplada en la norma IEC 61400-2. Los resultados arrojan evidencia sobre la viabilidad de estos álabes para su aplicación comercial.

Researchers from the government and industry are anticipating the increase in the near future of wind farms with low wind speeds in the United States, Canada, Europe, China, India and Brazil. In addition, the manufacturer of wind turbines Siemens has declared that "it expects that a third of the global development of wind energy in the coming years will take place in areas with medium to low wind speeds" [1]. The previous scene can be applied to any part of the world, since the search for wind power can not be limited to ranges of high wind speeds. The medium and low speed winds can be exploited with technology designed for the specific characteristics of that specific resource. The present work, shows the structural analysis by means of the Method of Finite Element of a blade of double Root of low capacity for low speeds of wind (patent in proceeding before the IMPI). The blade is considered manufactured with composite materials. To justify the design, the cases of the simplified loading methodology contemplated in the IEC 61400-2 standard are considered. The results show evidence on the viability of these blades for commercial application.

Article

Álabe Turbina Eólica Blade Wind INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA ENERGÉTICA ENERGÍA ENERGÍA

Diseño de un herramental para la fabricación de un álabe de ventilador centrifugo de álabes curvados

VICTOR MANUEL RAMOS RODRIGUEZ (2019)

La empresa VENTILADORES AUTOMOTRICES MEXICANOS manufactura de forma manual el producto denominado ventilador centrifugo de álabe curvada en diferentes dimensiones de diámetro y altura, como producto de remplazo con una demanda menor. En la actualidad está incursionando en la manufactura de productos de línea lanzando al mercado dos configuraciones de diferentes tamaños. Una con 42 y otra con 36 álabes. El presente trabajo de tesis se enfoca en la fabricación del componente denominado álabe y consta de dos etapas. En la primera etapa se realiza un análisis estático al diseño original para conocer valores de deformación aplicando cargas externas de fuerza con la ayuda del módulo de simulación de SolidWorks. Una vez que se tiene este valor se proponen nuevas configuraciones de diseño. Sin variar la geometría se realizan pequeños refuerzos estructurales de estampado/acuñado. Posteriormente se evalúa su comportamiento y en base a los resultados se selecciona el diseño que tenga menor deformación. En una segunda etapa se realiza el diseño de un herramental de uso específico, el cual es propuesto como un troquel progresivo con alimentación manual dividido en cuatro operaciones. Estampado/acuñado, punzonado y conformado simultaneo, curvado y cizallado. Por la geometría de la pieza no se contempla material entre una y otra, por lo tanto, el desperdicio se elimina sustancialmente, haciendo más eficiente el uso de material. Con el apoyo del CAD SolidWorks se modelarán las piezas del troquel progresivo, posteriormente se generará un ensamble que nos permitirá verificar que no existan interferencias en la operación. Se presentan planos de fabricación y lista de materiales con la finalidad de plantear formalmente la manufactura de dicho herramental.

The company VENTILADORES AUTOMOTRICES MEXICANOS manufactures manually the product called curved blade centrifugal fan in different dimensions of diameter and height, as a replacement product with a lower demand. Currently, it is entering the manufacturing of line products by launching two configurations of different sizes. One with 42 and one with 36 blades This thesis work focuses on the manufacture of the component called blade and consists of two stages. In the first stage, a static analysis is performed on the original design to determine deformation values by applying external force loads with the help of the SolidWorks simulation module. Once this value is available, new design configurations are proposed. Without changing the geometry, small structural reinforcements of stamping / coining are made. Subsequently, its behavior is evaluated and based on the results, the design with the least deformation is selected. In a second stage, the design of a tool for specific use is carried out, which is proposed as a progressive die with manual feed divided into four operations. Stamped / minted, punching and conforming simultaneously, curved and sheared. Due to the geometry of the piece, material between one and the other is not contemplated, therefore, waste is substantially eliminated, making the use of material more efficient. With the support of the SolidWorks CAD, the progressive die pieces will be modeled, later an assembly will be generated that will allow us to verify that there is no interference in the operation. Manufacturing plans and list of materials are presented in order to formally state the manufacture of said tooling.

Master thesis

Álabe Estampado Acuñado Ventilador centrifugo Blade Stamped Coined Centrifugal fan INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA Y ACCESORIOS MÁQUINAS-HERRAMIENTA Y ACCESORIOS

Diseño y manufactura de álabes de turbinas de viento de eje horizontal de baja capacidad para bajas velocidades de viento

VICTOR LOPEZ GARZA (2020)

En el presente proyecto de investigación, se desarrolla y analiza una propuesta de diseño y manufactura de un álabe de turbina de viento de 2400 w, para bajas velocidades de viento. Esta propuesta de álabe se diseñó con la teoría clásica de diseño BEM y el software CAD Solidworks, actualmente se encuentra en proceso de solicitud de patente (MX/a/2017/015904) ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial IMPI y a la cual se le otorgó el título de diseño industrial (no. 55104) por el mismo organismo. Mientras que su desempeño se evaluó en el software de diseño y simulación de turbinas eólicas QBlade y en el software de dinámica de fluidos CFD, Ansys-CFX. Los resultados muestran que, en la propuesta de álabe de doble raíz para bajas velocidades de viento, en comparación con un álabe clásico o simple y tomando como base las ecuaciones de la teoría BEM, el torque del rotor aumenta hasta el 20%, y el empuje aumenta hasta el 21%. Mientras que en el software Ansys-CFX el torque del rotor aumenta hasta el 17% y el empuje aumenta hasta el 14%. Se plantea, además, una metodología de manufactura del álabe que incluye los modelos maestros y los moldes. Finalmente, para evaluar la integridad estructural del álabe, se modela en el software de elemento finito ACP de Ansys como un material compuesto, aplicando las hipótesis de carga que marca la norma IEC 61400-2, los resultados obtenidos según el criterio de falla Tsai Wu y la teoría simplificada de la norma muestran que el álabe es seguro estructuralmente.

In this research project, a proposal for the design and manufacture of a 2400w wind turbine blade for low wind speeds is developed and analyzed. This blade proposal, designed with the classic BEM design theory and CAD software Solidworks, is currently in the process of patent application (MX / a / 2017/015904) before the Mexican Institute of Industrial Property IMPI and to which He was awarded the title of industrial design (no. 55104) by the same agency. While its performance was evaluated in the QBlade wind turbine design and simulation software and in the CFD fluid dynamics software, Ansys-CFX. The results show that, in the proposal of double root blade for low wind speeds, compared to a classic or simple blade and based on the equations of the BEM theory, the rotor torque increases up to 20%, and the thrust increases up to 21%. While in Ansys- CFX software the rotor torque increases up to 17% and the thrust increases up to 14%. There is also a methodology for manufacturing the blade that includes the master models and molds. Finally, to assess the structural integrity of the blade, Ansys ACP finite element software is modeled as a composite material, applying the load assumptions set by IEC 61400-2, the results obtained according to the Tsai Wu fault criterion and the simplified theory of the norm show that the blade is structurally safe.

Doctoral thesis

Álabe Energía eólica Turbines Blade Wind energy INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS TURBINAS TURBINAS

Control de deposición de una película delgada en una fibra óptica utilizando el dip-coater para detectar el pH

Deposition control on an optical fiber thin film using the Dip-Coater to detect pH

DANIEL ALBERTO RAZO MEDINA ORLANDO ORTIZ JIMENEZ EDGAR ALVARADO MENDEZ MONICA TREJO DURAN (2016)

En este trabajo se presentan los resultados obtenidos al usar un dip-coater para llevar a cabo el desarrollo de una membrana o película de sol-gel en una fibra plástica mezclada con indicadores de pH, los cuales serán usados como elementos de reconocimiento. La concentración de pH fue detectada y cuantificada por medio de la absorbancia. Se explican los parámetros a considerar para tener un control de preparación y espesor de la membrana.

This work shows the experimental results obtained by using dip-coater to develop a sol-gel membrane or film on plastic fiber mixed with pH indicators. This will be used as recognition components. pH concentration was detected and quantified by use absorbance.

Parameters considered to have a preparation control and membrane thickness are explained.

Article

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA Fibra óptica Película delgada Dip-coater pH Detector Optic fiber Thin film

Detector de fuga de campo magnético

VICTOR MANUEL RUIZ SALAZAR (2011)

El proposito general de este proyecto en el centro de Ingeniería y Desarrollo Industrial (CIDESI) cursando la especialidad de Tecnólogo en Mecatrónica, es realizar un dispositivo portable funcional como detector de fuga de campo en superficies normalmente planas y con la cualidad de facilitar el barrido en las áreas reducidas de espacio, además de encontrar fallas en las superficies como disminución de espesor e inclusive corrosión en la misma pero sin dar datos cuantitativos, es un método puramente cualitatitivo e indica donde se encuentra una disminusión de espesor

Other

Academic Sepecialization

DETECTOR DE FUGA INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA DE LA INSTRUMENTACIÓN TECNOLOGÍA DE LA AUTOMATIZACIÓN

Diseño de un sistema MUX-f con amplificadores del tipo SQUID para aplicaciones en astronomía milimétrica

EDUARDO IBARRA MEDEL (2012)

En este trabajo se abordan las primeras etapas de diseño y caracterización de un

sistema de multiplexado en frecuencia con futuras aplicaciones para bolómetros TES donde

se aborda un método de amplificación modelando un SQUID. El propósito es alcanzar

una comprensión de las diferentes etapas que involucra un diseño en multiplexado de

bolómetros y determinar los posibles problemas de diseño y construcción que con ello

involucra. Se pretende también presentar una visión general de los diferentes alcances

científicos que involucra la creación de un instrumento de estas características y definir las

perspectivas y trabajo a futuro que conlleva.

En el capítulo uno se explican brevemente las prospectivas científicas y el uso potencial

de la aplicación de esta técnica en la construcción de arreglos multiplexados grandes de

detectores. En el capítulo dos y tres se muestran los principales aspectos del diseño, partiendo

de las características de los bolómetros hasta el arreglo multiplexado y su proceso

de amplificación y lectura. En el capítulo 4 se aborda la construcción y caracterización del

sistema y en los capítulos cinco y seis se habla del trabajo a futuro, los resultados y las

conclusiones.

Master thesis

Sensor Demodulation Amplitude modulation Multiplexing Detector circuits Magnetic field measurement Magnetic flux Stellar evolution CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA RADIOASTRONOMÍA

Decodificación para detección coherente de espectros dispersos

SIRGEI GARCIA BALLINAS (2007)

El ser humano siempre ha sido un explorador, por lo que tiene la necesidad de

identificar y recordar lugares que es la forma más simple de navegar, ésta era

la técnica que el hombre de la edad de piedra usaba para abrirse paso a través

de la selva, el bosque o el desierto teniendo como punto de referencia a un

determinado árbol, río o montaña.

Con el paso de los siglos, poco a poco la técnica se fue sofisticando haciendo

que la navegación fuera con las estrellas, la luna y el sol, puntos de referencia

que estando en medio del mar, eran de gran ayuda, por ejemplo para

determinar la posición de un barco se utilizaba como referencia la constelación

de la osa mayor y apoyados en instrumentos ópticos se realizaban cálculos

geométricos lo que generó las cartas de navegación. De esta forma el hombre

sabía donde estaba ubicado y hacia donde iría aunque con un error de algunos

kilómetros.

En la época moderna, y en la mitad del siglo pasado surge la medición por radio

frecuencia (LORAN acrónimo de LOng RAnge Navigation), la cual consistía en

poner varias antenas y programar un dispositivo con la posición de éstas y así

calcular la ubicación del usuario con un error de aproximadamente 300 metros.

Con la era espacial también la navegación tiene una gran transformación y así

teniendo como base a LORAN se crean los satélites de GPS (acrónimo de

Global Positioning System), de esta forma tenemos la posición no solo en latitud

y longitud sino también en altitud, con un error de menos de 100 metros, con

cobertura mundial y de libre acceso.

Master thesis

Detector circuits Global positioning system CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA ASTRONOMÍA Y ASTROFÍSICA COSMOLOGÍA Y COSMOGONIA RAYOS CÓSMICOS

Passive neutron area monitor with CR39

HECTOR RENE VEGA CARRILLO (2013)

In high-intensity, mixed and pulsed neutron fields the use of

spectrometers or area monitors with ac ve detectors is useless; in these

condi ons neutron measuring devices must have a passive detector. Here a

passive neutron area monitor with CR39 track detector was designed and the

response was calculated. Materials and Methods: The response of a passive

neutron area monitor with CR39 track detector has been calculated with the

MCNPX code. To increase the detec on efficiency a 10B converter was

included. The response was calculated using 47 monoenerge c neutron

sources. Results: A passive neutron area monitor using a CR39 with 10B

converter was designed where fluence and H*(10) responses were calculated.

Conclusion: The shape of the responses is similar to responses reported for

neutron monitors with ac ve detectors.

Producción Científica de la Universidad Autónoma de Zacatecas UAZ

Article

CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA Neutron dosimetry passive detector CR-39 Monte Carlo response.