CN104007769A - 高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法。该方法采用四象限传感器和视日运动轨迹算法两种追踪模式；太阳跟踪控制系统除设有主程序外，还设有自动搜寻目标子程序、跟踪点附近防抖动子程序、高速返回三圈子程序，以保证高空太阳跟踪的精度及可靠性；通过无线电对太阳跟踪控制系统进行远程遥控和跟踪状态检测传感器信号下传，地面依据该信号进行控制模式选择和系统启停；跟踪状态传感器及多块被标定太阳能电池的输出电压信号、环境温度、湿度、气压、吊篮内温度等检测信号通过CR1000采集并存储在记录仪中。本发明旨在提供一种移动载体上使用的高精度、高可靠性太阳跟踪控制方法。

Description

高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法。

背景技术

当前的太阳自动跟踪系统主要采用地面固定方式，只能适应地面环境和固定载体上运行，而运行在高空极端环境和搭载在移动气球上的太阳自动跟踪系统则研究较少，因此当前的太阳跟踪系统在机械结构、使用环境、控制方法等方面不能够满足高空气球太阳能电池标定试验的科研需要。

发明内容

本发明的目的是克服现有太阳自动跟踪系统技术中的不足，提供一种高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法，其能够在高空极端环境和移动气球载体上实现太阳自动跟踪，完成太阳能电池标定试验。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法，太阳跟踪控制系统主要由二维机械平台、方位步进电机、俯仰步进电机、STM32控制板、四象限传感器、跟踪状态检测传感器、电子罗盘、GPS和上下限位开关组成；

控制方法具体过程如下：

a.太阳跟踪控制系统采用四象限传感器跟踪和视日运动算法轨迹跟踪两种跟踪方式，以四象限传感器跟踪为主，视日运动轨迹算法跟踪为辅；当四象限传感器出现故障无法工作时，可通过地面控制指令，切换到视日运动轨迹算法跟踪方式，以确保跟踪控制系统正常工作；

b.四象限传感器跟踪方式过程是，通过四象限传感器检测太阳光强，其光电信号经由STM32控制板采集并处理，计算出太阳相对于标定板位置坐标，STM32控制板依据坐标发出方向和脉冲信号，控制方位和俯仰步进电机执行相应动作，最终达到动态追踪太阳的目的；

c.视日运动算法轨迹跟踪方式过程是，通过电子罗盘接口电路获取太阳能电池标定板朝向角度，通过GPS获取系统当前的经度、纬度、海拔及时间信息，STM32控制板通过视日运动轨迹算法计算出太阳高度角及方位角，发出控制信号，调节方位及俯仰步进电机，达到追踪太阳的目的；

d.太阳跟踪控制系统除设有主程序外，还设有自动搜寻太阳子程序、跟踪点附近防抖动子程序、高速返回三圈子程序，以保证高空太阳跟踪的精度及可靠性；

e.太阳跟踪控制系统通过无线电进行远程遥控，通过其发出命令控制太阳跟踪控制系统启动和停止；同时地面可接收跟踪状态检测传感器信号，判断太阳跟踪情况，依此对太阳跟踪控制系统跟踪方式进行选择；

f.通过CR1000采集并存储跟踪状态检测传感器及被标定太阳能电池的输出信号、环境温度、湿度、气压、吊篮内温度等信号。

附图说明

图1是本发明高空气球电池标定用太阳跟踪控制系统结构图；

图2是本发明太阳跟踪控制板电路示意图；

图3是太阳跟踪控制系统控制方法流程图；

图4是四象限传感器跟踪流程图；

图5是视日运动算法跟踪流程图；

图6是自动搜寻太阳程序流程图；

图7是跟踪点附近防抖动程序流程图；

图8是高速返回三圈程序流程图；

图9是本发明实施例气球平飞阶段跟踪状态检测信号随时间变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示是本发明高空气球电池标定用太阳跟踪控制系统结构图，太阳跟踪控制系统主要由二维机械平台、方位步进电机、俯仰步进电机、STM32控制板、四象限传感器、跟踪状态检测传感器、电子罗盘、GPS和上下限位开关组成。二维机械平台包括水平承载板和太阳能电池标定板，其对各种元器件起到支撑固定作用。四象限传感器检测太阳光强，跟踪状态检测传感器检测太阳跟踪过程中跟踪状况；电子罗盘和GPS为视日运动算法轨迹跟踪提供数据信息；STM32控制板为太阳跟踪控制系统的核心，采集各传感器信号并接收和发出控制指令；方位和俯仰步进电机为系统执行机构，通过STM32控制板发出信号，调节方位和俯仰角度；上下限位开关限定了俯仰角度的范围，能够有效防止机械结构极限位置卡死。

如图2所示是本发明太阳跟踪控制板电路示意图。太阳跟踪控制系统采用STM32芯片作为主控制器，其主要包括四象限传感器信号调理电路、步进电机驱动电路、跟踪状态检测传感器电路、电子罗盘和GPS电路、电源电路、限位开关电路。STM32控制板采集传感器信号、软件运算、接收和发出控制指令；四象限传感器信号调理电路处理太阳光强信号，并传递给STM32控制板；步进电机接收脉冲信号调整跟踪装置俯仰和方位角度；电子罗盘输出跟踪系统相对于电磁北极的角度信息；GPS输出跟踪系统经纬度、高度、时间等信息；电源电路为各个元器件提供工作电源；限位开关电路能够有效防止俯仰方向超过运行行程，造成机械结构损坏。

如图3所示是太阳跟踪控制系统控制方法流程图。太阳跟踪控制板上电后，对系统进行初始化，接到地面发出启动跟踪指令后，程序开始动作，否则等待启动命令。开始动作后，将俯仰方向降到起始位置，依据跟踪状态检测传感器信号对跟踪模式进行选择，即是选择运行四象限传感器跟踪还是视日运动轨迹算法进行追踪。运行四象限传感器跟踪后，当接收到地面停止指令时，则系统停止跟踪，俯仰方向回到初始水平位置；否则继续执行四象限传感器跟踪程序，若在此过程中接收到启动快速三圈返回程序命令，则方位电机进行高速反转三圈，运行完毕后系统返回到初始化状态，等待地面启动命令。若进行视日运动算法轨迹跟踪，当接收到地面停止指令后，则系统停止跟踪，俯仰方向回到初始水平位置；否则继续执行视日运动算法跟踪。

如图4所示是四象限传感器跟踪流程图。STM32采集四象限传感器四个象限的电压值，存储其数据在DMA中，并对电压数据采用中位值平均滤波法进行处理，即每个通道采样10次，去除最大值和最小值，再求剩余8个数据的平均值作为每个通道采样得到的数据，利用最后数据计算出太阳光斑的坐标。当坐标X或Y轴在一定阈值范围内时，则表明跟踪控制系统已经正对太阳，且精度达到要求时，电机不运动。当坐标X或Y中超过一定阈值，则调节电机运动。当X为负值时，方位步进电机顺时针旋转；否则逆时针旋转。当Y为负值时，俯仰步进电机逆时针旋转，否则顺时针旋转。调节到太阳能电池标定板正对太阳。

如图5所示是视日运动算法跟踪流程图。视日运动轨迹算法流程是，太阳跟踪控制器通过GPS获取系统当前经度、纬度、时间及电子罗盘方向数据，视日运动轨迹算法依据GPS数据计算出当前太阳的高度角和方位角的理论值，并与上次计算的高度角和方位角值进行比较，计算出方位步进电机和俯仰步进电机应该旋转的角度和方向，驱动两台步进电机进行旋转，实现对太阳的视日运动轨迹跟踪。

如图6所示是自动搜寻太阳程序流程图。气球在高空飞行时会产生自旋和平飞运动，导致太阳能电池标定板相对于太阳的角度不定，当太阳处在四象限传感器视角范围外时，无法使用四象限传感器对其进行追踪，此时需要对太阳进行搜索。进入搜寻太阳程序，首先将太阳能标定板俯仰方向抬高到预定角度(该角度由试验地区经纬度和时间决定)，方位步进电机开始逆时针旋转，同时四象限传感器开始进行数据采集，若四象限传感器采集的数据大于设定阈值，则系统搜寻到太阳，转入四象限太阳跟踪程序。若在水平方向旋转一周仍未找到太阳，则将太阳能电池板俯仰方向抬高5°，方位电机再次水平旋转，依次循环抬高搜寻六次，直到找到太阳目标。

如图7所示是跟踪点附近防抖动程序流程图。采用四象限传感器的太阳自动跟踪系统，阴天和透光不良的天气跟踪系统易产生振荡，通过防抖动程序编程方法消除或减小系统在追踪点附近的振动程度。太阳跟踪阈值设置在一个区域内，以消除抖动的影响。即在精确锁定太阳后，不以坐标(0,0)作为对准太阳的坐标，而是在设定的阈值所围成的矩形范围内，则认为太阳已直射。程序通过实时情况改变调节量，当偏差较大时，进行快速调节，保障系统的快速响应；在追踪稳定点附近即以搜寻到太阳并且需要保持跟踪状态，减小调节量，使系统的单步调节减少，保障系统的高精度和避免过量调节引起的系统抖动。

如图8所示是高速返回三圈程序流程图，在追踪平台运行一段时间后，根据动量矩守恒定理，随着跟踪平台的不停旋转，会引起转动惯量积累使高空气球反向自旋速度加快。高速返回软件的设计，主要目的是消除由于跟踪平台的不停旋转，导致气球反向自旋速度越转越快从而引起追踪控制器无法追踪上目标情况的发生。在太阳跟踪控制系统运行中，分别记录方位电机和俯仰步进电机旋转方向次数之差，当其差大于0时，方位电机高速左转三圈，反之，则高速右转三圈。

如图9所示是本发明实施例气球平飞阶段跟踪状态检测信号随时间变化曲线。在10:53发出跟踪指令后，一直到12:43发出停止跟踪指令，连续2个小时追踪系统捕捉到了太阳，并进行自主追踪。在整个追踪过程中只出现了两次目标丢失现象，但很快在几分钟之内又重新捕捉到了太阳，实现了连续不间断追踪的目的。

由于采用上述技术方案，本发明提供的高空气球电池标定用太阳跟踪控制器，与现有技术相比，具有这样的有益效果：

1.本发明的高空太阳跟踪主控制板采用STM32芯片，设计有四象限传感器、电子罗盘、GPS、步进电机驱动等接口电路。硬件系统结构简单、成本低、可靠性高；

2.本发明采用四象限传感器跟踪和视日运动轨迹算法追踪两种跟踪方式，并可通过无线电远程通讯方式进行模式选择，当其中一种跟踪方式出现故障时，可切换到另一种跟踪方式，确保太阳跟踪的可靠性；

3.本发明设计的自动搜寻太阳子程序，能够自动快速搜寻到太阳，并在丢失太阳的情况下停止跟踪，再次进入搜寻太阳子程序，减少了系统运行时间；

4.本发明设计了跟踪点附近防抖动子程序，一定程度上消除了在正对太阳时机械结构的抖动，提高了跟踪精度；

5.本发明跟踪控制方法设计了高速返回三圈子程序，能够有效解决高空气球旋转过快问题，确保试验的可靠性。

6.本发明采用无线电方式对太阳跟踪控制系统进行远程控制，方法简便，成本低，易于操作。

Claims (1)

1.一种高空气球电池标定用太阳跟踪控制方法，其特征在于：太阳跟踪控制系统主要由二维机械平台、方位步进电机、俯仰步进电机、STM32控制板、四象限传感器、跟踪状态检测传感器、电子罗盘、GPS和上下限位开关组成；

控制方法具体过程如下：

a.太阳跟踪控制系统采用四象限传感器跟踪和视日运动算法轨迹跟踪两种跟踪方式，以四象限传感器跟踪为主，视日运动轨迹算法跟踪为辅；当四象限传感器出现故障无法工作时，可通过地面控制指令，切换到视日运动轨迹算法跟踪方式，以确保跟踪控制系统正常工作；

b.四象限传感器跟踪方式过程是，通过四象限传感器检测太阳光强，其光电信号经由STM32控制板采集并处理，计算出太阳相对于标定板位置坐标，STM32控制板依据坐标发出方向和脉冲信号，控制方位和俯仰步进电机执行相应动作，最终达到动态追踪太阳的目的；

c.视日运动算法轨迹跟踪方式过程是，通过电子罗盘接口电路获取太阳能电池标定板朝向角度，通过GPS获取系统当前经度、纬度、海拔及时间信息，STM32控制板通过视日运动轨迹算法计算出太阳高度角及方位角，发出控制信号，进而调节方位及俯仰步进电机，达到追踪太阳的目的；

d.太阳跟踪控制系统除设有主程序外，还设有自动搜寻太阳子程序、跟踪点附近防抖动子程序、高速返回三圈子程序，以保证高空太阳跟踪的精度及可靠性；

e.太阳跟踪控制系统通过无线电进行远程遥控，通过其发出命令控制太阳跟踪控制系统启动和停止；同时地面可接收跟踪状态检测传感器信号，判断太阳跟踪情况，依此对太阳跟踪控制系统跟踪方式进行选择；

f.通过CR1000采集并存储跟踪状态检测传感器及被标定太阳能电池的输出信号、环境温度、湿度、气压、吊篮内温度等信号。