In-situ health monitoring for wind turbine blade using acoustic wireless sensor networks at low sampling rates

PhD ThesisThe development of in-situ structural health monitoring (SHM) techniques represents a challenge for offshore wind turbines (OWTs) in order to reduce the cost of the operation and maintenance (O&M) of safety-critical components and systems. This thesis propos- es an in-situ wireless SHM system based on acoustic emission (AE) techniques. The proposed wireless system of AE sensor networks is not without its own challenges amongst which are requirements of high sampling rates, limitations in the communication bandwidth, memory space, and power resources. This work is part of the HEMOW- FP7 Project, ‘The Health Monitoring of Offshore Wind Farms’. The present study investigates solutions relevant to the abovementioned challenges. Two related topics have been considered: to implement a novel in-situ wireless SHM technique for wind turbine blades (WTBs); and to develop an appropriate signal pro- cessing algorithm to detect, localise, and classify different AE events. The major contri- butions of this study can be summarised as follows: 1) investigating the possibility of employing low sampling rates lower than the Nyquist rate in the data acquisition opera- tion and content-based feature (envelope and time-frequency data analysis) for data analysis; 2) proposing techniques to overcome drawbacks associated with lowering sampling rates, such as information loss and low spatial resolution; 3) showing that the time-frequency domain is an effective domain for analysing the aliased signals, and an envelope-based wavelet transform cross-correlation algorithm, developed in the course of this study, can enhance the estimation accuracy of wireless acoustic source localisa- tion; 4) investigating the implementation of a novel in-situ wireless SHM technique with field deployment on the WTB structure, and developing a constraint model and approaches for localisation of AE sources and environmental monitoring respectively. Finally, the system has been experimentally evaluated with the consideration of the lo- calisation and classification of different AE events as well as changes of environmental conditions. The study concludes that the in-situ wireless SHM platform developed in the course of this research represents a promising technique for reliable SHM for OWTBs in which solutions for major challenges, e.g., employing low sampling rates lower than the Nyquist rate in the acquisition operation and resource constraints of WSNs in terms of communication bandwidth and memory space are presente

Génération de modèles de haut niveau enrichis pour les systèmes hétérogènes et multiphysiques

Systems on chip are more and more complex as they now embed not only digital and analog parts, butalso sensors and actuators. SystemC and its extension SystemC AMS allow the high level modeling ofsuch systems. These tools are efficient for feasibility study, architectural exploration and globalverification of heterogeneous and multiphysics systems. At low level of abstraction, the simulationdurations are too important. Moreover, synchronization problems appear when cosimulations areperformed. It is possible to abstract the low level models that are developed by the specialists of thedifferent domains to create high level models that can be simulated faster using SystemC/SystemCAMS. The models of computation and the modeling styles have been studied. A relation is shownbetween the modeling style, the model size and the simulation speed. A method that generatesautomatically the high level model of an analog linear circuit from its low level representation isproposed. Then, it is shown how to include in the high level model some information allowing thepower consumption estimation. After that, the multiphysics systems modeling is studied. Twomethods are discussed: firstly, the one that uses the electrical equivalent circuit, then the one based onthe bond graph approach. It is shown how to generate a bond graph equivalent model from a low levelrepresentation. Finally, the modeling of a wind turbine system is discussed in order to illustrate thedifferent concepts presented in this thesis.Les systèmes sur puce sont de plus en plus complexes : ils intègrent des parties numériques, desparties analogiques et des capteurs ou actionneurs. SystemC et son extension SystemC AMSpermettent aujourd’hui de modéliser à haut niveau d’abstraction de tels systèmes. Ces outilsconstituent de véritables atouts dans une optique d’étude de faisabilité, d’exploration architecturale etde vérification du fonctionnement global des systèmes complexes hétérogènes et multiphysiques. Eneffet, les durées de simulation deviennent trop importantes pour envisager les simulations globales àbas niveau d’abstraction. De plus, les simulations basées sur l’utilisation conjointe de différents outilsprovoquent des problèmes de synchronisation. Les modèles de bas niveau, une fois crées par lesspécialistes des différents domaines peuvent toutefois être abstraits afin de générer des modèles dehaut niveau simulables sous SystemC/SystemC AMS en des temps de simulation réduits. Une analysedes modèles de calcul et des styles de modélisation possibles est d’abord présentée afin d’établir unlien avec les durées de simulation, ceci pour proposer un style de modélisation en fonction du niveaud’abstraction souhaité et de l’ampleur de la simulation à effectuer. Dans le cas des circuits analogiqueslinéaires, une méthode permettant de générer automatiquement des modèles de haut niveaud’abstraction à partir de modèles de bas niveau a été proposée. Afin d’évaluer très tôt dans le flot deconception la consommation d’un système, un moyen d’enrichir les modèles de haut niveaupréalablement générés est présenté. L’attention a ensuite été portée sur la modélisation à haut niveaudes systèmes multiphysiques. Deux méthodes y sont discutées : la méthode consistant à utiliser lecircuit équivalent électrique puis la méthode basée sur les bond graphs. En particulier, nous proposonsune méthode permettant de générer un modèle équivalent au bond graph à partir d’un modèle de basniveau. Enfin, la modélisation d’un système éolien est étudiée afin d’illustrer les différents conceptsprésentés dans cette thèse