CN103324205B

CN103324205B - 一种移动机器人太阳能发电跟踪系统

Info

Publication number: CN103324205B
Application number: CN201310237159.0A
Authority: CN
Inventors: 唐智杰; 罗均; 谢少荣; 彭艳
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2013-06-17
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-06-17
Also published as: CN103324205A

Abstract

本发明公开了一种移动机器人太阳能发电跟踪系统。它包括：中央主控制器、三维传感平台、太阳光强传感器、电源控制器、高性能电池、太阳能三维立体跟踪驱动机构和太阳能电池板，中央主控制器分别与三维传感平台、太阳光强传感器、电源控制器和太阳能三维立体跟踪驱动机构相连，53个太阳光强传感器中49个安装在三维传感平台上，实现三维49个角度的光强探测，4个太阳光强传感器安装在太阳能电池板四角，电源控制器与太阳能电池板和高性能电池相连，太阳能电池板安装在太阳能三维立体跟踪驱动机构上，本太阳能跟踪发电系统可实现太阳能三维立体快速跟踪，可广泛适用于移动机器人太阳能发电。

Description

一种移动机器人太阳能发电跟踪系统

技术领域

本发明涉太阳能发电领域，特别是涉及一种移动机器人太阳能发电跟踪系统，实现移动机器人供电的太阳能跟踪发电。

背景技术

大力发展可再生能源，实现多种能源互补，成为各国能源发展战略的新目标。太阳能是取之不尽、用之不竭的，是清洁、无污染、廉价的自然能源，将太阳能转换为电能是利用太阳能的重要技术基础。

移动机器人在实现未知环境探测任务时，能源问题是制约其任务完成情况的重要因素，太阳能供电已逐步应用于移动机器人系统。

太阳能发电的效率与太阳能电池板与太阳入射角之间的夹角有直接关系，为了有效提高太阳能发电效率，必须尽量使太阳能电池板与太阳入射角垂直，为此，太阳能跟踪系统应运而生。

在太阳能跟踪发电过程中，太阳能发电情况与光照和温度有密切关联，最大功率跟踪控制输出方法是一种实现太阳能发电效率最大化的一种方法，负载调整法作为一种最大功率输出的有效简便的方法逐渐被使用。

如何实现移动机器人在移动过程中快速高效跟踪太阳，实现太阳最大光强角度确定并实现环境自适应的最大功率发电是本发明所需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于移动机器人的高效高速移动机器人太阳能发电跟踪系统，具有环境自适应的最大功率输出和移动情况下最大光强角度快速确定最大功率跟踪的特点，运行可靠性高、实现成本低。

为解决上述技术问题，本发明的构思是：本发明采用三维立体光强感应技术与姿态传感技术相融合，并与太阳能电池板平面微调整相结合实现机器人移动情况下的太阳能三维立体跟踪技术，采用温度感应配合负载调整电路的环境自适应最大功率跟踪输出技术，最终实现了一种适应于移动环境下的太阳能快速三维立体跟踪和最大功率发电供电系统。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种移动机器人太阳能发电跟踪系统，它包括：一个中央主控制器、一个三维传感平台、53个太阳光强传感器、一个电源控制器、一个高性能电池、一个太阳能三维立体跟踪驱动机构和一个太阳能电池板，所述中央主控制器分别与所述三维传感平台、53个太阳光强传感器、一个电源控制器和太阳能三维立体跟踪驱动机构相连，所述53个太阳光强传感器中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台上，4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板的四角各自立体遮盖270^o，所述电源控制器与所述太阳能电池板和所述高性能电池相连，所述太阳能电池板安装固定在所述太阳能三维立体跟踪驱动机构上。

上述53个太阳光强传感器中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台上的具体安装对应光强角度分别为球极坐标系（0^o，90^o）、（0^o，30^o）、（30^o，30^o）、（45^o，30^o）、（60^o，30^o）、（90^o，30^o）、（120^o，30^o）、（135^o，30^o）、（150^o，30^o）、（180^o，30^o）、（210^o，30^o）、（225^o，30^o）、（240^o，30^o）、（270^o，30^o）、（300^o，30^o）、（315^o，30^o）、（330^o，30^o）、（0^o，45^o）、（30^o，45^o）、（45^o，45^o）、（60^o，45^o）、（90^o，45^o）、（120^o，45^o）、（135^o，45^o）、（150^o，45^o）、（180^o，45^o）、（210^o，45^o）、（225^o，45^o）、（240^o，45^o）、（270^o，45^o）、（300^o，45^o）、（315^o，45^o）、（330^o，45^o）、（0^o，60^o）、（30^o，60^o）、（45^o，60^o）、（60^o，60^o）、（90^o，60^o）、（120^o，60^o）、（135^o，60^o）、（150^o，60^o）、（180^o，60^o）、（210^o，60^o）、（225^o，60^o）、（240^o，60^o）、（270^o，60^o）、（300^o，60^o）、（315^o，60^o）、（330^o，60^o），实现三维立体49个角度光强信息探测，所述53个太阳光强传感器中4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板的四角，并各自立体遮盖270^o，用于实现太阳能电池板平面对应0^o，90^o，180^o，270^o四个方向的光强信息，便于太阳能电池板对应球坐标系的角度微调。

上述中央主控制器（1）的结构：一个主控制微处理器连接一个运放与模拟切换电路、一个日历时钟电路、一个温度传感器、一个风速传感器、一个步进电机驱动电路、一个RS232接口电路、一个负载调整输出电路、一个电源控制电路、一个键盘、一个LED指示灯和一个CANbus接口，所述RS232接口电路连接一个姿态传感器；所述中央控制器用于实现移动机器人的移动角度、姿态和加速度的获取，用于接收和分析所述53个太阳光强传感器所提供的太阳能光照强度信息，通过首先对比所述三维传感平台上固定的49个太阳光强传感器所提供的光强信息和姿态信息综合，通过角度融合算法实现快速三维定位，然后根据所述太阳能电池板上固定的4个太阳光强传感器所提供的光强信息对三维定位进行微调和精确跟踪，最终控制所述步进电机驱动电路输出驱动太阳能三维立体跟踪驱动机构实现太阳能快速精确跟踪，通过温度信息控制所述负载调整输出电路输出调整所述电源控制器内负载电路，实现太阳能电池板最大功率输出，当所述风速传感器获得风速大于一定阀值时，控制太阳能电池板水平，以免太阳能电池板在风力作用下使机器人侧翻，通过所述CANbus接口与移动机器人核心控制系统相连，实现信息交互和状态检测的功能。

上述角度融合算法就是通过对比固定在所述三维传感平台上的49个所述太阳光强传感器获得的光强信息，获得最大光强球坐标系角度，通过姿态传感器所获得的角速度和当前姿态角，结合所述太阳能三维立体跟踪驱动机构的预计移动时间对姿态角度进行预测，获得预测姿态角，并把预测姿态角对应的球极坐标角与最大光强球坐标系角度进行矢量叠加后获得的角度作为快速三维定位角度。

上述电源控制器包括直流变换电路电池充放电电路、负载调整电路和电源检测电路，所述高性能电池经所述电池充放电电路、直流变换电路和负载调整电路连接太阳能电池板和中央控制器，所述电源检测电路连接高性能电池、太阳能电池板和中央控制器；所述电源控制器用于实现所述太阳能电池板的输出的负载调整、电源直流变换输出和所述高性能电池充放电管理等功能。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明采用三维立体光强感应技术与姿态传感技术相融合，并与太阳能电池板平面微调整相结合实现机器人移动情况下的太阳能三维立体跟踪技术，采用温度感应配合负载调整电路的环境自适应最大功率跟踪输出技术，最终实现了一种适应于移动环境下的太阳能快速三维立体跟踪和最大功率发电供电系统。

本发明的姿态控制系统可广泛适用于移动机器人的太阳能跟踪和最大功率发电控制。

附图说明

附图1是本发明一个实施例的系统框图。

附图2是图1示例中中央主控制器的电路结构框图。

附图3是图1示例中电源控制器的电路结构框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

如图1所示，本移动机器人太阳能发电跟踪系统，包括：一个中央主控制器（1）、一个三维传感平台（2）、53个太阳光强传感器（3）、一个电源控制器（4）、一个高性能电池（5）、一个太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）和一个太阳能电池板（7），所述中央主控制器（1）分别与所述三维传感平台（2）、53个太阳光强传感器（3）、一个电源控制器（4）和太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）相连，所述53个太阳光强传感器（2）中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台（2）上，4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板（7）的四角各自立体遮盖270^o，所述电源控制器（4）与所述太阳能电池板（7）和所述高性能电池（5）相连，所述太阳能电池板（7）安装固定在所述太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）上。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

所述53个太阳光强传感器（3）中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台（2）上的，具体安装对应光强角度分别为球极坐标系（0^o，90^o）、（0^o，30^o）、（30^o，30^o）、（45^o，30^o）、（60^o，30^o）、（90^o，30^o）、（120^o，30^o）、（135^o，30^o）、（150^o，30^o）、（180^o，30^o）、（210^o，30^o）、（225^o，30^o）、（240^o，30^o）、（270^o，30^o）、（300^o，30^o）、（315^o，30^o）、（330^o，30^o）、（0^o，45^o）、（30^o，45^o）、（45^o，45^o）、（60^o，45^o）、（90^o，45^o）、（120^o，45^o）、（135^o，45^o）、（150^o，45^o）、（180^o，45^o）、（210^o，45^o）、（225^o，45^o）、（240^o，45^o）、（270^o，45^o）、（300^o，45^o）、（315^o，45^o）、（330^o，45^o）、（0^o，60^o）、（30^o，60^o）、（45^o，60^o）、（60^o，60^o）、（90^o，60^o）、（120^o，60^o）、（135^o，60^o）、（150^o，60^o）、（180^o，60^o）、（210^o，60^o）、（225^o，60^o）、（240^o，60^o）、（270^o，60^o）、（300^o，60^o）、（315^o，60^o）、（330^o，60^o），实现三维立体49个角度光强信息探测；所述53个太阳光强传感器（3）中4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板（7）的四角，并各自立体遮盖270^o，用于实现太阳能电池板平面对应0^o，90^o，180^o，270^o四个方向的光强信息，便于太阳能电池板对应球坐标系的角度微调。

实施例三：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

如图2所示，中央主控制器（1）的结构：一个主控制微处理器（201）连接一个运放与模拟切换电路（202）、一个日历时钟电路（203）、一个温度传感器（204）、一个风速传感器（205）、一个步进电机驱动电路（207）、一个RS232接口电路（208）、一个负载调整输出电路（209）、一个电源控制电路（210）、一个键盘（211）、一个LED指示灯（212）和一个CANbus接口（213），所述RS232接口电路（208）连接一个姿态传感器（206）。

所述主控制微处理器（201）采用美国菲利浦公司ARM芯片LPC2119，内含有模拟-数字转换器、CANbus收发控制器、UART全双工硬件串口控制器等。

所述主控制微处理器（201）通过所述RS232接口电路（208）与所述姿态传感器（206）相连，用于实现移动机器人的移动角度、姿态和加速度的获取。

所述主控制微处理器（201）通过所述运放与模拟切换电路（202）与所述53个太阳光强传感器（3）相连，用于接收和分析所述53个太阳光强传感器（3）所提供的太阳能光照强度信息，通过首先对比所述三维传感平台（2）上固定的49个太阳光强传感器所提供的光强信息和姿态信息综合，通过角度融合算法实现快速三维定位，然后根据所述太阳能电池板（7）上固定的4个太阳光强传感器所提供的光强信息对三维定位进行微调和精确跟踪。

所述主控制微处理器（201）通过所述步进电机驱动电路（207）输出驱动控制太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）实现太阳能快速精确跟踪。

所述主控制微处理器（201）与所述温度传感器（204）和所述负载调整输出电路（209）相连，通过所述温度传感器（204）提供的温度信息控制所述负载调整输出电路（209）输出调整所述电源控制器（4）内负载电路，实现太阳能电池板最大功率输出。

所述主控制微处理器（201）与所述风速传感器（205）相连，用于获得当前环境风速，当获得风速大于一定阀值时，控制太阳能电池板水平，以免太阳能电池板在风力作用下使机器人侧翻。

所述主控制微处理器（201）与所述CANbus接口（213）相连，用于实现和移动机器人核心控制系统的互连，实现信息交互和状态检测的功能。

所述主控制微处理器（201）与所述日历时钟电路（203）相连，用于获得机器人运行时间信息。

所述主控制微处理器（201）与所述键盘（211）和LED指示灯（212）用于实现人间交互和系统调试指示灯功能。

所述RS232接口（208）SP3232E是一个RS232接口芯片，连接主控制微处理器（201）和所述姿态传感器（206），实现通讯功能。

所述CANbus接口（213）TJA1042是一个CANbus接口芯片，连接控制器（201）和CANbus总线，实现CANbus通讯功能。

所述时钟电路（203）是一片时钟芯片DS1302，连接控制器（201），实现时间设置和实时时间读取功能。

所述姿态传感器（206）采用3DM-GX3-25，具有360度姿态信息角度和加速度的获取功能和GPS定位功能。

所述电源控制电路（210）用于实现所述中央主控制器（1）的内部电源供电控制和电源检测的功能。

所述角度融合算法就是通过对比固定在所述三维传感平台（2）上的49个所述太阳光强传感器（3）获得的光强信息，获得最大光强球坐标系角度D(α _m ,β _m)。

通过姿态传感器所获得的角速度ω和当前姿态角N(α _a ,β _a)。

根据所述太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）的运动特性求得从角N(α _a ,β _a)移动到角度D(α _m ,β _m)的预计移动时间Ta。

通过预计移动时间Ta和角速度ω的乘积获得预测姿态角Δ(α _Δ ,β _Δ)。

预测姿态角对应的球极坐标角Δ(α _Δ ,β _Δ)与最大光强球坐标系角度D(α _m ,β _m)进行矢量叠加后获得的角度作为快速三维定位角度。

参见图3，所述电源控制器（4）包括直流变换电路（401）、电池充放电电路（402）、负载调整电路（403）和电源检测电路（404）。

所述直流变换电路（401）分别与所述负载调整电路（403）和所述电池充放电电路（402）相连，用于实现直流电源的稳压输出。

所述电池充放电电路（402）与所述高性能电池（5）相连，用于实现所述高性能电池（5）的充放电管理。

所述负载调整电路（403）分别连接所述太阳能电池板（7）、所述中央主控制器（1）和所述直流变换电路（401），用于接收所述央主控制器（1）的负载调整信息，并控制输出相应的负载，以调整太阳能电池板（7）的输出电压，以实现太阳能电池板的最大功率输出。

所述电源检测电路（404）用于检测所述太阳能电池板（7）和所述直流变换电路（401）的输出电压和电流，为系统控制提供参考，同时在发生异常情况下报警。

以上通过具体实施方式对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种移动机器人太阳能发电跟踪系统，它包括：一个中央主控制器（1）、一个三维传感平台（2）、53个太阳光强传感器（3）、一个电源控制器（4）、一个高性能电池（5）、一个太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）和一个太阳能电池板（7），所述中央主控制器（1）分别与所述三维传感平台（2）、53个太阳光强传感器（3）、一个电源控制器（4）和太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）相连；所述53个太阳光强传感器（3）中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台（2）上，4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板（7）的四角各自立体遮盖270^o；所述电源控制器（4）与所述太阳能电池板（7）和所述高性能电池（5）相连，所述太阳能电池板（7）安装固定在所述太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）上；

所述中央主控制器（1）的结构：一个主控制微处理器（201）连接一个运放与模拟切换电路（202）、一个日历时钟电路（203）、一个温度传感器（204）、一个风速传感器（205）、一个步进电机驱动电路（207）、一个RS232接口电路（208）、一个负载调整输出电路（209）、一个电源控制电路（210）、一个键盘（211）、一个LED指示灯（212）和一个CANbus接口（213），所述RS232接口电路（208）连接一个姿态传感器（206）；所述中央控制器（1）用于实现移动机器人的移动角度、姿态和加速度的获取，用于接收和分析所述53个太阳光强传感器（3）所提供的太阳能光照强度信息，通过首先对比所述三维传感平台（2）上固定的49个太阳光强传感器（3）所提供的光强信息和姿态信息综合，通过角度融合算法实现快速三维定位，然后根据所述太阳能电池板（7）上固定的4个太阳光强传感器所提供的光强信息对三维定位进行微调和精确跟踪，最终控制所述步进电机驱动电路（207）输出驱动太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）实现太阳能快速精确跟踪，通过温度信息控制所述负载调整输出电路（209）输出调整所述电源控制器（4）内负载电路，实现太阳能电池板最大功率输出，当所述风速传感器（205）获得风速大于一定阀值时，控制太阳能电池板水平，以免太阳能电池板在风力作用下使机器人侧翻，通过所述CANbus接口（213）与移动机器人核心控制系统相连，实现信息交互和状态检测的功能。

2.根据权利要求1所述的移动机器人太阳能发电跟踪系统，其特征在于所述53个太阳光强传感器（3）中49个太阳光强传感器安装固定在所述三维传感平台（2）上的，具体安装对应光强角度分别为球极坐标系（0^o，90^o）、（0^o，30^o）、（30^o，30^o）、（45^o，30^o）、（60^o，30^o）、（90^o，30^o）、（120^o，30^o）、（135^o，30^o）、（150^o，30^o）、（180^o，30^o）、（210^o，30^o）、（225^o，30^o）、（240^o，30^o）、（270^o，30^o）、（300^o，30^o）、（315^o，30^o）、（330^o，30^o）、（0^o，45^o）、（30^o，45^o）、（45^o，45^o）、（60^o，45^o）、（90^o，45^o）、（120^o，45^o）、（135^o，45^o）、（150^o，45^o）、（180^o，45^o）、（210^o，45^o）、（225^o，45^o）、（240^o，45^o）、（270^o，45^o）、（300^o，45^o）、（315^o，45^o）、（330^o，45^o）、（0^o，60^o）、（30^o，60^o）、（45^o，60^o）、（60^o，60^o）、（90^o，60^o）、（120^o，60^o）、（135^o，60^o）、（150^o，60^o）、（180^o，60^o）、（210^o，60^o）、（225^o，60^o）、（240^o，60^o）、（270^o，60^o）、（300^o，60^o）、（315^o，60^o）、（330^o，60^o），实现三维立体49个角度光强信息探测；所述53个太阳光强传感器（3）中4个太阳光强传感器安装固定在所述太阳能电池板（7）的四角，并各自立体遮盖270^o，用于实现太阳能电池板平面对应0^o，90^o，180^o，270^o四个方向的光强信息，便于太阳能电池板对应球坐标系的角度微调。

3.根据权利要求1所述的移动机器人太阳能发电跟踪系统，其特征在于所述角度融合算法就是通过对比固定在所述三维传感平台（2）上的49个所述太阳光强传感器（3）获得的光强信息，获得最大光强球坐标系角度，通过姿态传感器所获得的角速度和当前姿态角，结合所述太阳能三维立体跟踪驱动机构（6）的预计移动时间对姿态角度进行预测，获得预测姿态角，并把预测姿态角对应的球极坐标角与最大光强球坐标系角度进行矢量叠加后获得的角度作为快速三维定位角度。

4.根据权利要求1所述的移动机器人太阳能发电跟踪系统，其特征在于所述电源控制器（4）包括直流变换电路（401）、电池充放电电路（402）、负载调整电路（403）和电源检测电路（404），所述高性能电池（5）经所述电池充放电电路（402）、直流变换电路（401）和负载调整电路（403）连接太阳能电池板（7）和中央控制器（1），所述电源检测电路（404）连接高性能电池（5）、太阳能电池板（7）和中央控制器（1）；所述电源控制器（4）用于实现所述太阳能电池板（7）的输出的负载调整、电源直流变换输出和所述高性能电池（5）充放电管理功能。