CN104595841A - 一种太阳光直接照明系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳光直接照明系统及其控制方法，包括导光器、设置在导光器的反射光路上的第一信号采集器和第二信号采集器、若干反射镜组以及控制模块；导光器设置有光反射平面以及用以控制光反射平面方向的直线电机，导光器还设置有倾斜角传感器；倾斜角传感器、第一光信号采集器和第二光信号采集器连接至控制模块；导光器的直线电机也连接至控制模块；控制模块、倾斜角传感器、第一光信号采集器和第二光信号采集器以及导光器的直线电机形成闭环控制系统。本发明能够自动跟踪系统在太阳光刚出现以后始终脱离太阳光信号“盲区”，尽快有效解决“脱靶”问题而找到目标，保证系统进入正常工作状态。

Description

一种太阳光直接照明系统及其控制方法

技术领域

本发明属于太阳光直接照明设备，主要应用于公路隧道增强照明等领域，尤其是一种定向导光器的控制系统及其控制方法。

背景技术

在普通的利用阳光输送机实现隧道增强照明的系统中，不管是反射式还是透射式聚光器，其间受光体(如光纤接收端面)永远处于聚光体(如凸透镜)的焦点位置，并且通过接口器固定在基架上，从而与聚光体形成一整体结构。所以任何情况下只要二轴自动跟踪太阳光的高精度控制系统保证其聚光体光轴平行于太阳入射光线，则汇聚后的太阳光自然就会集中于其焦点处的光纤接收端而被顺利接收后并以全反射形式通过光纤介质传输到需要照明的场合地点，从而完成了直接利用太阳光有效解决公路隧道进、出口亮度过渡区的“黑洞”和“白洞”现象并实现了太阳能高效率利用。但是由于其长距离(50米)传输时的高损耗(80％)以及本身成本占到系统3/4而导致的性价比低，已经成为其进一步推广应用的技术瓶颈。而彻底解决该问题的最简单方法就是免用光纤传输介质情况下，最好直接通过空气介质高效率传输进隧道，进而完成增强照明功能，由此将太阳光传输效率提高到100％，而且系统成本也降为原来的1/4。

而这种理想化的新方法和相应装置就是用于隧道增强照明的免光纤式阳光输送机，工作原理如图1所示。

免用光纤式阳光输送机实现公路隧道照明的工作原理图如图1所示。其关键技术是通过对导光器的有效控制，实现把连续变化方向的入射太阳光恒定不变方向----沿着隧道中心线方向(定向)从其上部拱形空间反射进隧道即可。在理想情况下实现这一目标并不难。如发明专利：透射式太阳光隧道增强照明的装置(ZL201210086376.X)所述，在系统正常工作状态下，利用隧道上部拱形空间的平行太阳光经过的光路上安装一个太阳光采集传感器与导光器的自动驱动装置组成闭环控制系统，即可通过导光器随着太阳光方向连续变化而不断在三维空间自动调节其方向实现反射平行太阳光的定向传输的目标。但是在实际应用中不存在这种理想状态，假如白天正常工作一天后，经过一个没有太阳光的晚上，第二天早晨当太阳光再次照射大地时，导光器系统中安装在隧道内部的信号采集器2处于太阳光的“盲区”而无法寻找反射进隧道的太阳光并自动进入正常的工作状态；更不用说白天正常工作状态下太阳进入云层一段时间(即阴天)后重新出来时必然存在的导光器“脱靶”现象。而与原来应用于聚光器的高精度自动跟踪系统相比，在闭环控制系统中的阳光采集传感器始终能够保证聚光器自动跟踪太阳光过程中，在上述情况下则不会出现“脱靶”现象；是因为传感器中的粗、细调结构(授权发明专利：一种高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置：ZL200910254626.4)中的粗调信号采集传感器敏感元件始终处于太阳光照射环境中，且任何情况下，只要有太阳光，总是在四个粗调光敏元件中至少有二个始终能够接收到太阳光信号，从而在每天早晨或者白天太阳刚从云层里出来的特殊情况下也能够迅速自动在大范围区域里寻找到 目标--太阳，因为不存在信号“盲区”而不会有找不到太阳的“脱靶”现象发生。但是对于免光纤式阳光输送机中的闭环控制系统里的信号采集器来说，因为工作环境发生变化(安装于隧道内)，所以已经丧失了该粗调功能-大范围寻找目标。主要原因是太阳光采集传感器被安装于隧道内的定向反射太阳光的光路上，且其光轴与隧道中心线平行，所以一旦对于早晨太阳光刚出来或者太阳刚从云中出来的这种特殊情况下，导光器根本无法保证将太阳光马上输送进隧道上部拱形空间所设计的光路上而使得安装在此处的太阳光信号采集传感器采集到信号后保证系统进入理想的工作状态，而上述这二种特殊情况是必然的客观存在，所以按照此方案设计的驱动导光镜负载的闭环自动控制系统在实际应用中无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种定向导光器的控制系统及其控制方法，其能够自动跟踪系统在太阳光刚出现以后始终脱离太阳光信号“盲区”，尽快有效解决“脱靶”问题而找到目标，保证系统进入正常工作状态。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种定向导光器的控制系统，包括设置在隧道进、出口外的导光器、分别设置在导光器的反射光路上的第一信号采集器和第二信号采集器、设置在隧道内顶部的若干反射镜组以及控制模块；所述导光器设置有光反射平面以及用以控制光反射平面方向的直线电机，所述导光器的光反射面背面还设置有倾斜角传感器；所述倾斜角传感器、第一光信号采集 器和第二光信号采集器连接至控制模块；所述导光器的直线电机也连接至控制模块；所述控制模块、倾斜角传感器、第一光信号采集器和第二光信号采集器以及导光器的直线电机形成闭环控制系统；

所述导光器能把连续变化方向的平行入射太阳光以恒定不变方向，沿着隧道中心线方向从隧道上部拱形空间的空气介质中反射进隧道，然后由反射镜组漫反射为隧道内道路亮度过渡段的照明光。

进一步，上述导光器包括固定支架R以及设置在固定支架R上端的球关节结构，所述球关节结构包括具有同一圆心O点的球关节头R以及套设在球关节头R上的球关节腔体R，所述球关节腔体R通过负载支架与平面反射镜固定连接；所述固定支架R的上端与球关节头R固定连接；所述反射镜的镜面恒经过球关节头R的球心O点；所述球关节头R的球面一侧垂向刻有定位槽，所述球关节腔体R上设置有与所述定位槽相对应的滑动栓R，滑动栓R一端伸入定位槽中；所述负载支架与固定支架R之间设置有两个直线电机，其中一个直线电机的轴线与定位槽的中心线处于同一平面，另一直线电机的轴线与定位槽的中心线在水平面上的投影线垂直；所述定位槽的中心线投影与球关节头R的中心线重合。

上述两个直线电机的上端分别通过万向节连接在负载支架上；另一端分别铰链连接在固定支架R上；所述固定支架R为固定柱；所述反射镜为刚性高反射系数材料制成。

上述控制模块包括MCU已经与MCU连接的时钟日历模块、信号采集模块、电源模块以及电机驱动模块；所述倾斜角传感器、第一信号采集器和第二信号采集器组成信号采集模块连接MCU，所述导光器的直 线电机通过电机驱动模块连接至MCU；所述电源模块还为信号采集模块供电。

上述反射镜组由若干块平面漫反射镜组成，漫反射镜组分别安装于隧道上部拱形空间不同深度、不同高度的反射太阳光光路上，且漫反射太阳光覆盖整个亮度过渡区路面；而且其反射面朝向平行太阳光入射方向。

进一步的，反射进入隧道光通量如果不能够满足隧道照明要求情况下，在导光器(7)前面还能够通过安装聚光--调光器的方法来解决，所述聚光调光器由聚光镜、调光镜以及极轴式结构的自动跟踪系统组成，目标是定点(球心O点)输出增强平行太阳光给导光器，增加定向反射进入隧道的太阳光强度。

在光通量不足情况下，在导光器前面还安装聚光调光器，所述聚光调光器由聚光镜、调光镜以及极轴式结构的自动跟踪系统组成，目标是定点输出增强平行太阳光给导光器，增加太阳光强度。

本发明还提出一种上述定向导光器的控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1)粗调环节

导光器上的两个直线电机以及倾斜角传感器与控制模块、组成粗调环节闭环自动控制系统；时钟日历模块输入应用地点所处经纬度时间，获得每天太阳升起和落下以及一天中任何时刻太阳光大致方向，进而知道任何时刻安装于球关节结构上的平面反射镜应该处于的空间角度；而倾斜角传感器将此时的实际空间角度检测数据作为信号提供给控制模 块，根据误差大小及方向发出指令，驱动导光器上的两个直线电机带动平面反射镜进行调节，逐步趋向应该所在的角度；

2)细调环节

第一光信号采集器与导光器上的两个直线电机以及控制模块组成细调环节闭环自动控制系统，其中光信号采集器固定安装于导光镜与隧道入口方向的反射光路上，且其光轴与隧道中心线平行，另外还要求第一光信号采集器在导光器的光反射平面的反射光柱在粗调环节可能形成的最大误差情况下仍然能够接受到太阳光信号；第一光信号采集器接收到太阳光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器上的两个直线电机动作来进一步细调导光器的光反射平面角度；

3)微调环节

第二光信号采集器与导光器上的两个直线电机以及控制模块组成微调环节闭环自动控制系统，其中第二光信号采集器固定安装于隧道内的顶部光路上，且其光轴与隧道中心线平行；第二信号采集器接收到光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器上的两个直线电机动作来进一步微调导光器的光反射平面角度。

本发明具有以下有益效果：

本发明从控制软、硬件结合上有效解决在必然存在的上述二种特殊情况下，即自动跟踪系统在太阳光刚出现以后始终脱离太阳光信号“盲区”，尽快有效解决“脱靶”问题而找到目标，保证系统进入正常工作状态。即当阳光信号采集传感器安装于隧道内部的条件下，仍然能够实现相对于普通阳光输送机配套的自动跟踪控制系统中“粗细调”功能而保 证任何时候导光器都基本能够把即刻入射的太阳光反射进隧道上部拱形空间的设计光路上并被该传感器采集到信号，随后利用其“微调”功能则仍然继续由安装于隧道顶部且处于反射光路上的阳光信号采集传感器来完成，从而保证系统在实际工程中的基本功能的有效实现。

附图说明

图1为现有技术中隧道用免光纤式阳光输送机示意图；

图2为太阳高度角变化时导光器的调整角度示意图；

图3为本发明控制电路图；

图4为细调自动控制系统中光信号采集器1的工作原理图；

图5为本发明的隧道安装设置示意图；

图6为本发明的导光器7结构示意图；

图7为本发明的控制模块框图；

图8为本发明的反射镜组安装完成后示意图；

图9为增加聚光调光器后系统整体图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图5，本发明的太阳光直接照明系统，包括设置在隧道出口处能过导光器7、分别设置在导光器7的反射光路上的第一信号采集器5和第二信号采集器6、设置在隧道内顶部的若干反射镜组9以及控制模块；所述导光器7设置有光反射面以及用以控制光反射面方向的直线电机，所述导光器7的光反射面背面还设置有倾斜角传感器8；所述倾斜角传感器8、第一信号采集器5和第二信号采集器6连接至控制模块； 所述导光器7的直线电机也连接至控制模块；所述控制模块、倾斜角传感器8、第一信号采集器5和第二信号采集器6以及导光器7的直线电机形成闭环控制系统；导光器7能把连续变化方向的入射太阳光以恒定不变方向，沿着隧道中心线方向从隧道上部拱形空间反射进隧道，然后由反射镜组9漫反射为隧道照明光。

参见图6：导光器7包括固定支架R4以及设置在固定支架R4上端的球关节结构，所述球关节结构包括球关节头R1以及套设在球关节头R1上的球关节腔体R2，所述球关节腔体R2通过负载支架与反射镜3固定连接；所述固定支架R4的上端与球关节头R1固定连接；所述反射镜3的镜面恒经过球关节头R1的球心；所述球关节头R1的球面一侧垂向刻有定位槽1，所述球关节腔体R2上设置有与所述定位槽1相对应的圆柱形滑动栓R3，滑动栓R3一端伸入定位槽1中且其中心线恒穿过球心O点；所述负载支架与固定支架R4之间设置有两个直线电机，其中一个直线电机的轴线与定位槽1的中心线处于同一平面，另一直线电机的轴线与定位槽1的中心线在水平面上的投影线垂直；所述定位槽1的中心线投影与球关节头R1的中心线重合。两个直线电机的上端分别铰链连接在负载支架上；另一端分别铰链连接在固定支架R4上；所述固定支架R4为固定柱；所述反射镜3为刚性高反射系数材料制成。

参见图7：控制模块包括MCU已经与MCU连接的时钟日历模块、信号采集模块、电源模块以及电机驱动模块；所述倾斜角传感器8、第一信号采集器5和第二信号采集器6通过信号采集模块连接MCU，所述导光器7的直线电机通过电机驱动模块连接至MCU；所述电源模块还与 所述信号采集模块连接。

参见图8：反射镜组9由六块平面漫反射镜组成，漫反射镜组分别安装于隧道上部拱形空间的反射太阳光光路上且漫反射太阳光覆盖整个亮度过渡区路面；而且其反射面朝向平行太阳光入射方向。而其漫反射光线在隧道中心线垂直平面上的投影与汽车行进方向水平面之间夹角≤90°。

基于以上太阳光直接照明系统，本发明还提出一种该系统的控制方法：其通过三组优先级不同的信号采集器组成的闭环控制系统，通过同一组相互垂直安装的直线电机驱动同一个平面导光镜3负载，具体包括以下步骤：

1)粗调环节

导光器7上的两个直线电机以及倾斜角传感器8与控制模块组成粗调环节闭环自动控制系统；时钟日历模块输入应用地点所处经纬度时间，获得每天太阳升起和落下以及一天中任何时刻太阳光大致方向，进而知道任何时刻安装于球关节结构上的平面反射镜3应该处于的空间角度；而倾斜角传感器8将此时的实际空间角度检测数据作为信号提供给控制模块，根据其误差大小及方向发出指令，驱动导光器7上的两个直线电机带动平面反射镜3进行调节，使其逐步趋向应该所在的角度；

2)细调环节

第一光信号采集器5与导光器7上的两个直线电机以及控制模块组成细调环节闭环自动控制系统，其中光信号采集器1固定安装于导光镜与隧道入口方向的反射光路上，且其光轴与隧道中心线平行，另外还要 求第一光信号采集器5在导光器7的光反射平面的反射光柱在粗调环节可能形成的最大误差情况下仍然能够接受到太阳光信号；第一光信号采集器5接收到太阳光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器7上的两个直线电机动作来进一步细调导光器7的光反射平面镜3的角度；

3)微调环节

第二光信号采集器6与导光器7上的两个直线电机以及控制模块组成微调环节闭环自动控制系统，其中第二光信号采集器6固定安装于隧道内的顶部光路上，且其光轴与隧道中心线平行；第二信号采集器6接收到光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器7上的两个直线电机动作来进一步微调导光器7的光反射平面镜3的角度。

以下结合实施例对本发明进一步详细说明：

以下给出反射镜组9的具体实施例(参见图8)：

1、由1A-3A以及1B-3B六块平面漫反射镜组成的漫反射镜组分别按照要求安装于隧道上部拱形空间的反射太阳光光路上且漫反射太阳光覆盖整个亮度过渡区路面；而且其反射面朝向平行太阳光201入射方向。

2、1A-3A以及1B-3B六块平面漫反射镜为了把平行太阳光均匀分散到整个路面宽度上，要求本身具有好漫反射性能及高的反射系数。而且为了工业化生产及安装方便等因素，一般为宽度为反射平行太阳光的椭圆形的宽度(即导光镜直径)，高度相等的矩形形状(也可以根据实际需要形成面积大小不等的系列产品),且其高度为b/sinα；但是其宽度 和高度参数以及工程安装完成后漫反射的太阳光必须均匀覆盖隧道进入口亮度过渡区的整个路面，因为每一块矩形的宽度与覆盖路面宽度有关，而其高度则与相居二个反射镜漫反射照明路面之间衔接有关。

3、1A-3A以及1B-3B六块平面漫反射镜安装的角度为：其法线F与路面垂直线夹角α≤45°(一般在40°-45°之间)至少保证照射路面的光线方向对于驾驶员来说是垂直照射路面或者与汽车行驶方向一致的一定角度照射路面。

4、在导光器1与3定向反射形成的椭圆截面形光路上所安装的二漫反射镜组中2A和2C除了满足一个倾斜角度α外，还有其法线在隧道截平面上的投影和路面垂直线的相同夹角β，而且相互之间方向恰恰相反，但是在安装于隧道拱形顶部(正中间)的导光器2定向反射形成的光路上安装的漫反射镜组中2B仍然保持垂直角度不变。

5、安装后，A1-A6六块平面漫反射镜垂直高度之和等于反射进入隧道上部拱形空间的平行太阳光的垂直高度B，从而确定了每一块平面漫反射镜安装高度分别为H1—H6；而隧道进入口增强照明系统的亮度分别曲线等技术要求则确定了L1--L6沿着隧道深度从入口处0点开始的分布位置(或密度分布)。

依赖于高精度闭环自动控制系统直接驱动极轴式结构的导光镜实现全天候的把入射方向连续变化的平行太阳光沿着隧道中心线方向定向的从隧道上部拱形空间空气介质中高效率传输进隧道后，再利用安装于隧道顶部且处于反射光光路上不同深度和高度的漫反射式平面镜组把该平行光先后以漫反射方式照射到路面，实现隧道进入口亮度过渡区的均匀 照明。

进一步的，当在反射进入隧道光通量不足情况下，在导光器7前面还安装聚光调光器101，参见图9：聚光调光器101由聚光镜102、调光镜103以及极轴式结构的自动跟踪系统组成，目标是定点(球心O点)输出增强平行太阳光给导光器，增加定向反射进入隧道的太阳光强度。

以菲涅尔透镜作为聚光镜和调光镜为例，聚光镜102与调光镜103具有同一光轴和焦点的点式或者线式聚光透镜，二者距离等于焦距之和且相互平行；另外，聚光镜面积大于调光镜面积(面积之比即为聚光倍数)。

安装于聚光镜平面的太阳光采集器3与极轴式驱动结构以及相应信号处理模块独立自动跟踪太阳光的闭环控制系统。其中太阳光采集器3的光轴垂直于聚光镜平面，而导光器的球心O就是其定点输出的点。

为了解决由于夜晚和云层遮挡自然现象导致“微调”环节中信号采集器进入“盲区”而造成的控制系统“脱靶”问题，本系统(如图3所示)通过天文时间与二维倾斜角传感器组成的闭环控制系统形成“粗调”环节，再结合增加的二个太阳光采集器实现“细、微调”功能等共粗、细、微三个层次逐步解决的，其中三个传感器与公用的信号处理及驱动装置组成了相应的粗、细、微三个闭环控制系统，并且三个信号的优先级别为微调最高，细调次之，粗调最低。

1)粗调环节

倾斜角传感器与共用的信号处理与驱动装置组成“粗调”环节—第一个闭环自动控制系统。其中对于天文时间和二维倾斜角传感器组成的 闭环控制形成的“粗调”环节，利用天文时间具有输入应用地点所处经纬度时间即可获得每天太阳升起和落下以及一天中任何时刻太阳光大概方向(因为考虑到累积误差等因素影响)的功能，进而知道任何时刻安装于球关节结构上的导光镜应该处于空间角度；而倾斜角传感器将此时的实际空间角度检测数据作为信号提供给信号处理电路，那么根据误差大小及方向发出指令，驱动二个直线电机带动导光镜(负载)进行调节，逐步趋向应该所在的角度。这个自动控制系统工作过程与白天晚上或者阴天没有关系，除非专门根据需要另外设定调转条件。

由于太阳在东西方向和南北方向上的运行变化规律相似，现以太阳南北方向运行轨迹为例，当太阳的高度角发生变化时，为了得到定向的反射光线，导光器的高度角和太阳的高度角之间成一定的关系。如图2所示，图中1′表示导光器在某一时刻的位置，1为此刻太阳光入射光线，β为当前太阳光的入射角。2′表示在太阳高度角移动了Δh后，为了使反射光线仍能够定点输出，导光器变动后的位置。2为导光器此刻入射光线，α为太阳光的入射角。3为定点输出的反射光线。Δh为太阳高度角的变化角度，x表示导光器由位置1′移动到2′的移动角度。

由图2可得到如下的关系式：

x＝β-α

(1)对于导光镜1′，满足下式 

(90°-β)+Δh+2α+(90°-β)＝180°

(2)由(1)(2)解得

$x=\frac{\mathrm{\Δh}}{2}$

(3)上式结果表明，当太阳的高度角变化Δh时，导光器的变化为高度角变化角度的一半。导光器方位角的变化规律和高度角相同，即当太阳的方位角变化ΔΑ时，导光器的方位角调整为ΔA/2。

太阳赤纬角计算公式为

$\mathrm{\δ}=23.45\sin \frac{2\mathrm{\πd}}{365}$

(4)

太阳高度角计算公式为

(5)

太阳方位角计算公式为

(6)

Ω＝(T-12)×15°

(7)

T＝C_T+L_T+E_Q

(8)

式中δ为太阳赤纬角，d为一年中的日期序号，h为太阳高度角，A为太阳方位角，为当地纬度，δ为太阳赤纬角，Ω为太阳时角，T为真太阳时，C_T为北京时，L_T为经度订正(4min/度)，E_Q为时差可由《地面气象观测规范》查阅得到。

因此，我们只要知道了每天的日期序号，其对应的每天的太阳日升日落时间及各个时刻的高度角和方位角都可以通过上边的式子计算出 来。进而可以根据每时太阳的运动轨迹而调整导光镜的角度，达到定向反射的目的。

2)细调环节

光信号采集器1与共用的信号处理与驱动装置组成“细调”环节—第二个闭环自动控制系统，其中光信号采集器1固定安装于导光镜与隧道入口方向的光路上(通常处于导光镜前方1米处左右)，且其光轴与隧道中心线平行，另外还要求在导光镜反射光柱最大误差情况下仍然能够接受到太阳光信号，如图4所示，这里光柱1和光柱2为导光镜反射输出最大角度误差的二束光柱。

在经过闭环“粗调”自动控制系统驱动负载后，经导光镜反射的平行太阳光已经基本上沿着隧道中心线方向，如果这时候直接进入设计的光路，则微调光信号采集器2直接进入正常工作状态；但是一般情况下无法一次实现反射平行太阳光进入设计光路，而是仍然偏离设计光路，从而光信号采集器2无法进入工作状态，但是此时不管反射光柱偏向何处(如图4中的光柱1和光柱2)，光信号采集器1一直处于反射平行太阳光光路中，所以按照其工作原理很快的能够把反射平行太阳光方向准确的调节到隧道中心线的方向，为系统尽快进入正常工作状态铺平道路。

3)微调环节

光信号采集器2与共用的信号处理与驱动装置组成“微调”环节—第三个闭环自动控制系统，其中光信号采集器1固定安装于隧道内的顶部光路上(通常处于隧道入口内里2米处)，且其光轴与隧道中心线平行，见图5所示。

通常情况下先后经过二个闭环“粗、细调”控制系统驱动负载自动调节后，经过导光镜反射的平行太阳光按照设计光路进入隧道上部拱形空间，从而保证“微调”环节中的光信号采集器2处于反射太阳光路中，并将采集到的太阳光信号进行处理后再发出指令，驱动负载—导光镜调整，从而尽快进入正常工作状态，并且如果太阳光连续照耀且其方向不断变化着，此时只需要光信号采集器2正常工作即可一直保持系统处于正常工作状态。

如果一旦出现太阳进入云层后一段(如1小时)后又重新钻出来，此时系统有可能再次出现“脱靶”现象(即光信号采集器处于反射平行太阳光的盲区)。那么此时如果“细调”环节的光信号采集器1接收到反射平行太阳光信号，则再重复“细调”和“微调”二个环节后再次进入正常工作状态；当然如果“细调”环节的光信号采集器1也接收不到反射平行太阳光信号，此时则由“粗调”环节的二维倾斜角传感器提供导光镜的现场角度，并经过信号处理后发出驱动指令自动控制负载的的方向调整到反射平行太阳光沿着隧道中心线方向即可，随后再重复上述的“细调”和“微调”环节。

本申请发明人研制的具有自主知识产权的太阳光信号采集器(授权发明专利：一种高精度跟踪系统中的太阳光信号采集装置：ZL200910254626.4)的实际自动跟踪误差≤0.1°立体角，那么当传输50米距离时的光柱偏离最大范围：50*0.1*3.14/180＝0.087米，这种情况在工程中是容许的。

实施过程

地球的绕日运动和地球本身的自转，造成了太阳的光照角度时刻都在发生变化。综上所述，为了保证把连续变化方向的平行太阳光以一固定方向(平行隧道中心线方向)反射进隧道内部，导光镜高度角和方位角的调整应结合天文时间与倾斜角传感器以及信号采集器1、2，公用信号处理及驱动电路组成的闭环控制系统实现“粗、细、微”调三个相互关联的环节。

安装于隧道顶部的阳光输送机，如图5所示。对于太阳的周日视运动，由于日升日落时太阳的高度角为零，为此由(4)(5)和(7)式可以计算出每天太阳的日升日落时间，再由日升时间可以计算出太阳日升时的方位角。然后通过驱动芯片驱动步进电机调整导光器的高度角和方位角，从而实现对于导光镜的开环控制；再通过安装于隧道外导光镜附近的太阳光采集器1，尽快将反射到隧道口中心线方向的平行太阳光进一步较准确的按照设计光路反射进隧道；最后由安装于隧道内光路上的信号采集器2实现对于导光镜角度的“微调”功能，将平行太阳光精确的按照设计光路从拱形空间的空气介质中反射进入隧道上部。

如果一旦出现太阳进入云层后一段时间后又重新钻出来，此时系统有可能再次出现“脱靶”现象(即光信号采集器处于反射平行太阳光的盲区)。若“细调”环节的光信号采集器1能接收到反射平行太阳光信号，则再重复“细调”和“微调”二个环节后再次进入正常工作状态；若“细调”环节的光信号采集器1接收不到反射平行太阳光信号，二维倾斜角传感器将导光镜的实际空间角度送入信号处理电路，并与天文时间计算的空间角度比较，进而发出驱动指令自动控制负载的方向调整到反射平 行太阳光沿着隧道中心线方向即可，随后再重复上述的“细调”和“微调”环节。

本专利设计的定向导光器装置不仅可以在每天早晨或者白天太阳刚从云层里出来的情况下也能够迅速自动在大范围区域里寻找到目标，同时与传统的阳光输送机相比，本装置的系统成本也得到了很大的降低，其传输效率几乎达到了百分之百。

此技术不局限于隧道等地下建筑太阳光直接照明，不但可以推广应用于飞机场(火车站)候机(车)大厅等公众场合；而且还应用于家庭住宅中房屋照明，特别是阴面房间的采光系统具有太阳光直接照明的技术领域等。

Claims (7)

1.一种太阳光直接照明系统，其特征在于，包括设置在隧道进、出口外的导光器(7)、分别设置在导光器(7)的反射光路上的第一信号采集器(5)和第二信号采集器(6)、设置在隧道内顶部的若干反射镜组(9)以及控制模块；所述导光器(7)设置有光反射平面以及用以控制光反射平面方向的直线电机，所述导光器(7)的光反射面背面还设置有倾斜角传感器(8)；所述倾斜角传感器(8)、第一光信号采集器(5)和第二光信号采集器(6)连接至控制模块；所述导光器(7)的直线电机也连接至控制模块；所述控制模块、倾斜角传感器(8)、第一光信号采集器(5)和第二光信号采集器(6)以及导光器(7)的直线电机形成闭环控制系统；

所述导光器(7)能把连续变化方向的平行入射太阳光以恒定不变的方向，沿着隧道中心线方向从隧道上部拱形空间的空气介质中反射进隧道，然后由反射镜组(9)漫反射为隧道内道路亮度过渡段的照明光。

2.根据权利要求1所述的太阳光直接照明系统，其特征在于，所述导光器(7)包括固定支架(R4)以及设置在固定支架(R4)上端的球关节结构，所述球关节结构包括具有同一圆心O点的球关节头(R1)以及套设在球关节头(R1)上的球关节腔体(R2)，所述球关节腔体(R2)通过负载支架与平面反射镜(3)固定连接；所述固定支架(R4)的上端与球关节头(R1)固定连接；所述反射镜(3)的镜面恒经过球关节头(R1)的球心O点；所述球关节头(R1)的球面一侧垂向刻有定位槽(1)，所述球关节腔体(R2)上设置有与所述定位槽(1)相对应的圆柱形滑动栓(R3)，滑动栓(R3)一端伸入定位槽(1)中且其延长线恒穿过球心O点；所述负载支架与固定支架(R4)之间设置有两个直线电机，其中一个直线电机的轴线与定位槽(1)的中心线处于同一平面，另一直线电机的轴线与定位槽(1)的中心线在水平面上的投影线垂直；所述定位槽(1)的中心线投影与球关节头(R1)的中心线重合。

3.根据权利要求2所述的太阳光直接照明系统，其特征在于，所述两个直线电机的上端分别通过万向节连接在负载支架上；另一端分别铰链连接在固定支架(R4)上；所述固定支架(R4)为固定柱；所述反射镜(3)为刚性高反射系数材料制成。

4.根据权利要求1所述的太阳光直接照明系统，其特征在于，所述控制模块包括MCU已经与MCU连接的时钟日历模块、信号采集模块、电源模块以及电机驱动模块；所述倾斜角传感器(8)、第一信号采集器(5)和第二信号采集器(6)组成信号采集模块连接MCU，所述导光器(7)的直线电机通过电机驱动模块连接至MCU；所述电源模块还为信号采集模块供电。

5.根据权利要求1所述的太阳光直接照明系统，其特征在于，所述反射镜组(9)由若干块平面漫反射镜组成，漫反射镜组分别安装于隧道上部拱形空间不同深度、不同高度的反射太阳光光路上，且漫反射太阳光覆盖整个亮度过渡区路面；而且其反射面朝向平行太阳光入射方向；而其漫反射光线在隧道中心线垂直平面上的投影与汽车行进方向水平面之间夹角≤90°。

6.根据权利要求1所述的太阳光直接照明系统，其特征在于，在反射进入隧道光通量不足情况下，在导光器(7)前面还安装聚光调光器，所述聚光调光器由聚光镜、调光镜以及极轴式结构的自动跟踪系统组成，目标是定点输出增强平行太阳光给导光器，增加定向反射进入隧道的太阳光强度。

7.一种权利要求1-6任意一项所述太阳光直接照明系统的控制方法，其特征在于通过三组优先级不同的信号采集器组成的闭环控制系统，通过同一组相互垂直安装的直线电机驱动同一个平面导光镜(3)负载，具体包括以下步骤：

1)粗调环节

导光器(7)上的两个直线电机以及倾斜角传感器(8)与控制模块组成粗调环节闭环自动控制系统；时钟日历模块输入应用地点所处经纬度时间，获得每天太阳升起和落下以及一天中任何时刻太阳光大致方向，进而知道任何时刻安装于球关节结构上的平面反射镜(3)应该处于的空间角度；而倾斜角传感器(8)将此时的实际空间角度检测数据作为信号提供给控制模块，根据其误差大小及方向发出指令，驱动导光器(7)上的两个直线电机带动平面反射镜(3)进行调节，使其逐步趋向应该所在的角度；

2)细调环节

第一光信号采集器(5)与导光器(7)上的两个直线电机以及控制模块组成细调环节闭环自动控制系统，其中光信号采集器(1)固定安装于导光镜与隧道入口方向的反射光路上，且其光轴与隧道中心线平行，另外还要求第一光信号采集器(5)在导光器(7)的光反射平面的反射光柱在粗调环节可能形成的最大误差情况下仍然能够接受到太阳光信号；第一光信号采集器(5)接收到太阳光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器(7)上的两个直线电机动作来进一步细调导光器(7)的光反射平面镜(3)的角度；

3)微调环节

第二光信号采集器(6)与导光器(7)上的两个直线电机以及控制模块组成微调环节闭环自动控制系统，其中第二光信号采集器(6)固定安装于隧道内的顶部光路上，且其光轴与隧道中心线平行；第二信号采集器(6)接收到光信号并将光信号传递给控制模块，由控制模块计算误差后控制导光器(7)上的两个直线电机动作来进一步微调导光器(7)的光反射平面镜(3)的角度。