CN105139674A - 一种太阳能交通信号机及其最强光线的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能交通信号机及其最强光线的获取方法，其特征包括：用于计算舵机仰角的三角形传感器阵列、太阳能电池板、水平转台、步进电机、LED信号灯、用于计算步进电机水平角的圆形传感器阵列、底座箱、开关、太阳能电池板旋转支架、舵机及控制板；控制板采集圆形传感器阵列的数据，根据太阳光线的强弱先计算步进电机的水平角，控制步进电机运动到光线最强的方向；然后采集三角形传感器阵列的数据，根据太阳光线的强弱计算出舵机仰角，控制舵机使太阳光线垂直照射太阳能电池板。本发明能实现太阳光在任何时候都能垂直照射太阳能电池板，实现提高充电效率的目的。

Description

一种太阳能交通信号机及其最强光线的获取方法

技术领域

本发明涉及交通信号机领域，具体地说是一种太阳能交通信号机及其最强光线的获取方法。

背景技术

现代城市交通车辆增长迅速，城市交通压力日益增大，为了避免交通堵塞，先后发展了行人过街触发式信号机、多时段定时式信号机、感应式信号机、集中协调式信号机等。当这些信号机出现故障或者电源中断时，容易造成交通堵塞，为了解决这些突发事件，出现了太阳能交通信号机；现有太阳能交通信号机虽然具有电池供电、无需布线等优点，但是，也具有充电不便、太阳能板充电效率低等缺点。

发明内容

本发明是为了克服现有技术存在的不足之处，提供一种太阳能交通信号机及其最强光线的获取方法，以期能始终保持信号机接收到最强的太阳光线，从而提高太阳能电池板的充电效率。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种太阳能交通信号机的特点包括：用于计算舵机仰角的等边三角形传感器阵列、太阳能电池板、水平转台、步进电机、LED信号灯、用于计算步进电机水平角的圆形传感器阵列、底座箱、太阳能电池板旋转支架、舵机及控制板；

所述控制板安装在所述底座箱中，并在所述底座箱上设置一支撑杆；在所述支撑杆的顶部设置有太阳能电池板并在其背面通过所述太阳能电池板旋转支架进行支撑；在所述太阳能电池板背部还设置有所述舵机用于控制垂直旋转角度；

所述等边三角形传感器阵列拼接在所述太阳能电池板上，并与所述太阳能电池板始终保持在同一水平面上；

所述太阳能电池板下方的支撑杆上设置有所述水平转台，并通过所述步进电机来控制所述水平转台的水平旋转角度；

在所述水平转台下方和底座箱之间的支撑杆上依次设置有所述LED信号灯和圆形传感器阵列；

所述信号机通过所述圆形传感器阵列获取光强并传递给所述控制板，以获得所述步进电机的水平角；并根据所述水平角控制所述步进电机驱动所述水平转台带动所述太阳能电池板运动到光线最强的方向上；再通过所述等边三角形传感器阵列获取光强并传递给所述控制板，以获得所述舵机的仰角，并根据所述仰角控制所述舵机的垂直旋转角度，使得太阳光线能垂直照射到所述太阳能电池板上；从而使得所述太阳能电池板能接收到最强太阳光线。

本发明所述的太阳能交通信号机的特点也在于，所述控制板包括：微控制器、舵机驱动器、步进电机驱动器、键盘开关、无线控制单元、信号灯驱动电路、充电电路、充电电池和变压电路；

所述微控制器用于分别获取所述等边三角形传感器阵列的光强信号和所述圆形传感器阵列的光强信号；

所述微控制器通过所述步进电机驱动器来控制所述步进电机驱动所述水平转台进行水平旋转；

所述微控制器通过所述舵机驱动器来控制所述舵机带动所述太阳能电池板进行垂直旋转；

所述微控制器通过所述信号灯驱动电路来控制所述LED信号灯的转换和开关；

所述微控制器通过所述键盘开关或所述无线控制单元来获取所述LED信号灯的设置参数；

所述充电电路获取所述太阳能电池板的光能并转换为电能提供给所述充电电池用于充电，所述充电电池将所获得的电能通过所述变压电路提供给所述控制板用于供电。

所述等边三角形传感器阵列是由三只光敏传感器组成，并分别设置在等边三角形的三个顶点上。

所述圆形传感器阵列由n个光敏传感器组成，并按照圆形均匀排列在同一水平面上，n≥3。

本发明一种利用所述太阳能交通信号机的最强光线的获取方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、所述控制板通过所述圆形传感器阵列获取水平光强信号，记为F＝{F₁,F₂,…,F_i,…F_n}；F_i表示所述圆形传感器阵列中第i个传感器所获取的水平光强信号；1≤i≤n；

步骤2、对所述光强信号F进行降序排序，获得光强最大的前两个光强信号，记为F_max1和F_max2，F_max1>F_max2；

步骤3、利用式(1)获得所述两个最大光强信号F_max1和F_max2的矢量和

步骤4、利用式(2)获得所述矢量和与所述最大光强信号F_max1之间的夹角θ_F：

${\mathrm{\θ}}_F=\arccos \left(\right({\stackrel{\→}{F}}_x{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1x}+{\stackrel{\→}{F}}_y{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1y})/(\left|\stackrel{\→}{F}\right|\left|{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1}\right|\left)\right)---\left(2\right)$

式(2)中，为坐标值，为坐标值；

步骤5、利用式(3)获得所述步进电机的水平角

步骤6、所述控制板控制所述步进电机驱动所述水平转台并带动所述太阳能电池板运动到所述水平角上；

步骤7、所述控制板通过所述等边三角形传感器阵列分别获取垂直光强信号，记为X＝{X₁,X₂,X₃}；并有X_j＝{X_j,1,X_j,2,…,X_j,k,…,X_j,m}；X_j,k表示所述第j个传感器所获取的m个垂直光强信号中第k个值；由第1个垂直光强信号X₁、第2个垂直光强信号X₂和第3个垂直光强信号X₃构成等边三角形；j∈{1,2,3}；1≤k≤m；

步骤8、利用式(4)获得所述第1个垂直光强信号X₁与第2个垂直光强信号X₂的平均值

$\stackrel{\‾}{X}=(\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{1,k}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{2,k})/2---\left(4\right)$

步骤9、利用式(5)获得所述平均值与所述第3个垂直光强信号X₃的差值X_e：

$X_e=X_3-\stackrel{\‾}{X}---\left(5\right)$

步骤10、利用式(6)获得所述等边三角形的高H：

H＝sin60°×L(6)

式(6)中，L表示所述等边三角形的边长；

步骤11、利用式(7)获得所述舵机的仰角σ_V：

σ_V＝arctan(X_e/H)(7)

步骤12、所述控制板控制所述舵机带动所述太阳能电池板运动到所述仰角σ_V上；从而使得所述太阳能交通信号机能接收到最强太阳光线。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明信号机通过圆形传感器阵列获取光强并传递给控制板，以获得步进电机的水平角；并根据水平角控制步进电机驱动水平转台带动太阳能电池板运动到光线最强的方向上；再通过等边三角形传感器阵列获取光强并传递给控制板，以获得舵机的仰角，并根据仰角控制舵机的垂直旋转角度，使得太阳光线能垂直照射到太阳能电池板上；使得太阳能电池板能接收到最强太阳光线，从而提高太阳能电池板的充电效率。

2、本发明圆形传感器阵列由若干个光敏传感器组成，并按照圆形均匀排列在同一水平面上，使得步进电机驱动水平转台进行水平旋转的角度精度达到180/n°的目的。

3、本发明等边三角形传感器阵列由三只光敏传感器组成，并分别设置在等边三角形的三个顶点上，从而计算出三只光敏传感器的法向向量，进而控制舵机带动太阳能电池板进行垂直旋转，达到三只光敏传感器的法向向量与太阳光线平行的目的。

4、本发明微控制器通过键盘开关或无线控制单元来获取LED信号灯的设置参数，提高了太阳能交通信号机管理效率。

附图说明

图1为本发明的结构图正面；

图2为本发明的结构图背面；

图3为本发明的控制板硬件框图；

图4为本发明的控制板软件流程图；

图中标号：1等边三角形传感器阵列；2太阳能电池板；3水平转台；4步进电机；5LED信号灯；6用于计算步进电机水平角的圆形传感器阵列；7底座箱；8电源开关；9太阳能电池板旋转支架；10舵机。

具体实施方式

本实施例中，如图1和图2所示，一种太阳能交通信号机，应用在交通指挥领域，包括：用于计算舵机仰角的等边三角形传感器阵列1、太阳能电池板2、水平转台3、步进电机4、LED信号灯5、用于计算步进电机水平角的圆形传感器阵列6、底座箱7、太阳能电池板旋转支架9、舵机10及控制板；

控制板安装在底座箱7中，并在底座箱7上设置一支撑杆；在支撑杆的顶部设置有太阳能电池板2并在其背面通过太阳能电池板旋转支架9进行支撑；在太阳能电池板2背部还设置有舵机10用于控制垂直旋转角度；

等边三角形传感器阵列1使用光敏传感器作为感光元件，拼接在太阳能电池板2上，并与太阳能电池板2始终保持在同一水平面上；具体实施中，等边三角形传感器阵列1是由三只光敏传感器组成，并分别设置在等边三角形的三个顶点上。

太阳能电池板2下方的支撑杆上设置有水平转台3，并通过步进电机4来控制水平转台3的水平旋转角度；

在水平转台3下方和底座箱7之间的支撑杆上依次设置有LED信号灯5和圆形传感器阵列6；圆形传感器阵列6由n个光敏传感器组成，并按照圆形均匀排列在同一水平面上，n≥3。

信号机通过圆形传感器阵列6使用光敏传感器作为感光元件获取光强并传递给控制板，以获得步进电机4的水平角；并根据水平角控制步进电机4驱动水平转台3带动太阳能电池板2运动到光线最强的方向上；再通过等边三角形传感器阵列1使用光敏传感器作为感光元件获取光强并传递给控制板，以获得舵机10的仰角，并根据仰角控制舵机10的垂直旋转角度，使得太阳光线能垂直照射到太阳能电池板2上；从而使得太阳能电池板2能接收到最强太阳光线。

本实施例中，如图3所示，一种太阳能交通信号机的控制板包括：微控制器、舵机驱动器、步进电机驱动器、键盘开关、无线控制单元、信号灯驱动电路、充电电路、充电电池和变压电路；

微控制器用于分别获取等边三角形传感器阵列1的光强信号和圆形传感器阵列6的光强信号，微控制器优选的采用Sitara系列ARM处理器；

微控制器通过步进电机驱动器来控制步进电机4驱动水平转台3进行水平旋转，步进电机优选的采用步矩角1.8°四相的步矩电机；

微控制器通过舵机驱动器来控制舵机10带动太阳能电池板2进行垂直旋转，优选的采用速度为0.21秒/60度，扭力为3.1kg.cm舵机；

微控制器通过信号灯驱动电路来控制LED信号灯5的转换和开关，信号灯驱动电路优选的采用12V恒流驱动芯片；

微控制器通过键盘开关或无线控制单元来获取LED信号灯5的设置参数，无线控制单元优选的采用SimpleLinkCC3x系列无线MCU；

充电电路获取太阳能电池板2的光能并转换为电能提供给充电电池用于充电，充电电池将所获得的电能通过变压电路提供给控制板用于供电，其中，太阳能电池板2优选的采用12V多晶硅太阳能电池板。

本实施例中，一种太阳能交通信号机的最强光线的获取方法是按如下步骤进行：

步骤1、控制板通过圆形传感器阵列6获取水平光强信号，记为F＝{F₁,F₂,…F_i,…F_n}；F_i表示圆形传感器阵列6中第i个传感器所获取的水平光强信号；1≤i≤n；

步骤2、对光强信号F进行降序排序，获得光强最大的前两个光强信号，记为F_max1和F_max2，F_max1>F_max2；

步骤3、利用式(1)获得所述两个最大光强信号F_max1和F_max2的矢量和

$\stackrel{\→}{F}={\stackrel{\→}{F}}_{\max 1}+{\stackrel{\→}{F}}_{\max 2}---\left(1\right)$

步骤4、利用式(2)获得所述矢量和与所述最大光强信号F_max1之间的夹角θ_F：

${\mathrm{\θ}}_F=\arccos \left(\right({\stackrel{\→}{F}}_x{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1x}+{\stackrel{\→}{F}}_y{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1y})/(\left|\stackrel{\→}{F}\right|\left|{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1}\right|\left)\right)---\left(2\right)$

式(2)中，为坐标值，为坐标值；

步骤5、利用式(3)获得所述步进电机4的水平角

步骤6、所述控制板控制所述步进电机4驱动所述水平转台3并带动所述太阳能电池板2运动到所述水平角上；

步骤7、所述控制板通过所述等边三角形传感器阵列1分别获取垂直光强信号，记为X＝{X₁,X₂,X₃}；并有X_j＝{X_j,1,X_j,2,…,X_j,k,…,X_j,m}；X_j,k表示所述第j个传感器所获取的m个垂直光强信号中第k个值；由第1个垂直光强信号X₁、第2个垂直光强信号X₂和第3个垂直光强信号X₃构成等边三角形；j＝{1,2,3}；1≤k≤m；

步骤8、利用式(4)获得所述第1个垂直光强信号X₁与第2个垂直光强信号X₂的平均值

$\stackrel{\‾}{X}=(\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{1,k}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{2,k})/2---\left(4\right)$

步骤9、利用式(5)获得所述平均值与所述第3个垂直光强信号X₃的差值X_e：

$X_e=X_3-\stackrel{\‾}{X}---\left(5\right)$

步骤10、利用式(6)获得所述等边三角形的高H：

H＝sin60°×L(6)

式(6)中，L表示所述等边三角形的边长；

步骤11、利用式(7)获得所述舵机10的仰角σ_V：

σ_V＝arctan(X_e/H)(7)

步骤12、所述控制板控制所述舵机10带动所述太阳能电池板2运动到所述仰角σ_V上；从而使得所述太阳能交通信号机能接收到最强太阳光线。

如图4所示，一种太阳能交通信号机的控制板软件流程图，开机之后，系统对各种参数、硬件进行初始化，然后进入While循环函数；While循环函数中运行交通灯默认显示控制程序和键盘扫描程序，当有按键按下时进入交通灯参数设置和存储函数，设置完成后返回While循环，继续正常的交通灯显示；1秒定时中断程序在时间到时控制信号灯开关；定时中断用于在约定的时间T到达时采集传感器阵列数据，然后计算出水平角和仰角，水平角控制步进电机运动，仰角控制舵机运动，使太阳光垂直照射太阳能电池板；无线通信中断用于监测是否有无线控制命令到达，如果有则进行交通灯参数设置和存储；关机则退出整个While循环。

Claims (5)

1.一种太阳能交通信号机，其特征包括：用于计算舵机仰角的等边三角形传感器阵列(1)、太阳能电池板(2)、水平转台(3)、步进电机(4)、LED信号灯(5)、用于计算步进电机水平角的圆形传感器阵列(6)、底座箱(7)、太阳能电池板旋转支架(9)、舵机(10)及控制板；

所述控制板安装在所述底座箱(7)中，并在所述底座箱(7)上设置一支撑杆；在所述支撑杆的顶部设置有太阳能电池板(2)并在其背面通过所述太阳能电池板旋转支架(9)进行支撑；在所述太阳能电池板(2)背部还设置有所述舵机(10)用于控制垂直旋转角度；

所述等边三角形传感器阵列(1)拼接在所述太阳能电池板(2)上，并与所述太阳能电池板(2)始终保持在同一水平面上；

所述太阳能电池板(2)下方的支撑杆上设置有所述水平转台(3)，并通过所述步进电机(4)来控制所述水平转台(3)的水平旋转角度；

在所述水平转台(3)下方和底座箱(7)之间的支撑杆上依次设置有所述LED信号灯(5)和圆形传感器阵列(6)；

所述信号机通过所述圆形传感器阵列(6)获取光强并传递给所述控制板，以获得所述步进电机(4)的水平角；并根据所述水平角控制所述步进电机(4)驱动所述水平转台(3)带动所述太阳能电池板(2)运动到光线最强的方向上；再通过所述等边三角形传感器阵列(1)获取光强并传递给所述控制板，以获得所述舵机(10)的仰角，并根据所述仰角控制所述舵机(10)的垂直旋转角度，使得太阳光线能垂直照射到所述太阳能电池板(2)上；从而使得所述太阳能电池板(2)能接收到最强太阳光线。

2.根据权利要求1所述的太阳能交通信号机，其特征是，所述控制板包括：微控制器、舵机驱动器、步进电机驱动器、键盘开关、无线控制单元、信号灯驱动电路、充电电路、充电电池和变压电路；

所述微控制器用于分别获取所述等边三角形传感器阵列(1)的光强信号和所述圆形传感器阵列(6)的光强信号；

所述微控制器通过所述步进电机驱动器来控制所述步进电机(4)驱动所述水平转台(3)进行水平旋转；

所述微控制器通过所述舵机驱动器来控制所述舵机(10)带动所述太阳能电池板(2)进行垂直旋转；

所述微控制器通过所述信号灯驱动电路来控制所述LED信号灯(5)的转换和开关；

所述微控制器通过所述键盘开关或所述无线控制单元来获取所述LED信号灯(5)的设置参数；

所述充电电路获取所述太阳能电池板(2)的光能并转换为电能提供给所述充电电池用于充电，所述充电电池将所获得的电能通过所述变压电路提供给所述控制板用于供电。

3.根据权利要求1所述的太阳能交通信号机，其特征是：所述等边三角形传感器阵列(1)是由三只光敏传感器组成，并分别设置在等边三角形的三个顶点上。

4.根据权利要求1所述的太阳能交通信号机，其特征是：所述圆形传感器阵列(6)由n个光敏传感器组成，并按照圆形均匀排列在同一水平面上，n≥3。

5.一种利用权利要求1所述的太阳能交通信号机的最强光线的获取方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、所述控制板通过所述圆形传感器阵列(6)获取水平光强信号，记为F＝{F₁,F₂,…,F_i,…F_n}；F_i表示所述圆形传感器阵列(6)中第i个传感器所获取的水平光强信号；1≤i≤n；

步骤2、对所述光强信号F进行降序排序，获得光强最大的前两个光强信号，记为F_max1和F_max2，F_max1>F_max2；

步骤3、利用式(1)获得所述两个最大光强信号F_max1和F_max2的矢量和

$\stackrel{\→}{F}={\stackrel{\→}{F}}_{\max 1}+{\stackrel{\→}{F}}_{\max 2}---\left(1\right)$

步骤4、利用式(2)获得所述矢量和与所述最大光强信号F_max1之间的夹角θ_F：

${\mathrm{\θ}}_F=arccos\left(\right({\stackrel{\→}{F}}_x{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1x}+{\stackrel{\→}{F}}_y{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1y})/(\left|\stackrel{\→}{F}\right|\left|{\stackrel{\→}{F}}_{\max 1}\right|\left)\right)---\left(2\right)$

式(2)中，为坐标值，为坐标值；

步骤5、利用式(3)获得所述步进电机(4)的水平角

步骤6、所述控制板控制所述步进电机(4)驱动所述水平转台(3)并带动所述太阳能电池板(2)运动到所述水平角上；

步骤7、所述控制板通过所述等边三角形传感器阵列(1)分别获取垂直光强信号，记为X＝{X₁,X₂,X₃}；并有X_j＝{X_j,1,X_j,2,…,X_j,k,…,X_j,m}；X_j,k表示所述第j个传感器所获取的m个垂直光强信号中第k个值；由第1个垂直光强信号X₁、第2个垂直光强信号X₂和第3个垂直光强信号X₃构成等边三角形；j∈{1,2,3}；1≤k≤m；

步骤8、利用式(4)获得所述第1个垂直光强信号X₁与第2个垂直光强信号X₂的平均值

$\stackrel{\‾}{X}=(\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{1,k}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\Σ}}{X}_{2,k})/2---\left(4\right)$

步骤9、利用式(5)获得所述平均值与所述第3个垂直光强信号X₃的差值X_e：

$X_e=X_3-\stackrel{\‾}{X}---\left(5\right)$

步骤10、利用式(6)获得所述等边三角形的高H：

H＝sin60°×L(6)

式(6)中，L表示所述等边三角形的边长；

步骤11、利用式(7)获得所述舵机(10)的仰角σ_V：

σ_V＝arctan(X_e/H)(7)

步骤12、所述控制板控制所述舵机(10)带动所述太阳能电池板(2)运动到所述仰角σ_V上；从而使得所述太阳能交通信号机能接收到最强太阳光线。