CN106644399A - 一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法，包括：塔式太阳能热发电站的吸热器、定日镜场中的定日镜、镜场控制系统、无人机中央控制系统、发射机、接收机；定日镜在镜场控制系统的控制下实时跟踪太阳，通过方位角和高度角双向调节，始终将入射太阳光反射至所述塔式太阳能热发电站的吸热器；本发明使用激光作为校正过程中的光源，无需依赖太阳光，因此校正过程在日间或夜间均能进行，也不受云层遮挡影响；与定日镜的日常运行并行不悖，不影响镜场调度和发电效率；本发明的校正方法对于镜场中每一面定日镜均有一致的检验精度；通过预设程序可以实现全校正过程的自动操作，快速高效。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热发电领域，特别涉及一种用于塔式太阳能热发电系统中的用无人机校正定日镜偏差的系统和方法。
背景技术
目前常见的定日镜跟踪偏差检测一般采用非接触式视觉检测方法，利用摄像机采集定日镜在目标靶上形成的光斑图像，然后通过图像处理来拟合计算光斑的几何中心，进而与目标靶中心比对分析得到跟踪偏差数值，实现对定日镜控制器参数的估计与误差校正。由于大规模镜场中需要安放较多数量的摄像机，并且对图像处理精度有一定要求，因此这种对定日镜进行偏差检测的方法可能给整个镜场的通信网络造成过重负荷，从而影响控制指令传输，给模块运行状态的反馈带来延时，进而影响镜场的正常运行。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法，该系统采用发射机与接收机的特殊检测方式，很好的解决了现有技术中所存在的网络负荷过重，定日镜偏差校正不及时等缺陷，且该发明设计科学，工作可靠，适合推广；
一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法，其中：
一种用无人机校正定日镜偏差的系统，包括：塔式太阳能热发电站的吸热器、定日镜场中的定日镜、镜场控制系统、无人机中央控制系统、发射机、接收机；
进一步的，所述定日镜场中的定日镜在镜场控制系统的控制下实时跟踪太阳，通过方位角和高度角双向调节，始终将入射太阳光反射至所述塔式太阳能热发电站的吸热器；
进一步的，所述镜场控制系统内嵌定日镜追日算法，该算法可根据时间和地理位置信息可计算定日镜的实时方位角和高度角；
进一步的，所述无人机中央控制系统包括：通信单元、航路规划单元和运算处理单元；
作为一种举例说明，所述发射机与接收机均采用无人机；
进一步的，所述发射机包括：无线通信单元和激光发射器；
进一步的，所述接收机包括：无线通信单元和二维PSD位置传感器；
所述二维PSD位置传感器置于所述接收机底部，用于测定入射光斑的二维坐标；所述二维PSD位置传感器的表面涂有光敏材料，传感器表面的几何中心即为检测的坐标原点。
一种用无人机校正定日镜偏差的方法，包括：
步骤1)、启动镜场控制系统，选定定日镜场中待校正的定日镜；
步骤2)、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行实时通信，获取定日镜场中待校正的定日镜的定位信息；无人机中央控制系统根据获取的定位信息对发射机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给发射机；
步骤3)、发射机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至待校正的定日镜的垂直正上方；发射机启动激光发射器，激光发射器垂直向下发出激光；
步骤4)、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行通信，获取正在被校正的发射机垂直正下方的定日镜的实时方位角理论值和实时高度角理论值；无人机中央控制系统的运算处理单元根据得到的实时方位角理论值和实时高度角理论值计算出激光经定日镜反射后的角度数据，再将角度数据转换为反射光斑中心位置坐标；无人机中央控制系统根据位置坐标对接收机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给接收机；
步骤5)、接收机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至指定位置和高度；发射机发出、经定日镜反射的激光照射在接收机底部的PSD位置传感器表面形成光斑；
步骤6)、PSD位置传感器的光敏表面探测到光斑，将光斑的光信号经过前置放大电路转换为电信号；PSD位置传感器自身可进行无线通信，将光斑对应的电信号发送至无人机中央控制系统的运算处理单元；
步骤7)、无人机中央控制系统的运算处理单元解算得到光斑在PSD位置传感器表面的坐标位置，并根据该坐标位置与传感器表面的中心位置的偏差计算定日镜的方位角偏移量和高度角偏移量，通过无人机中央控制系统的通信单元传给镜场控制系统；
步骤8)、镜场控制系统根据收到的方位角偏移量和高度角偏移量，对定日镜的方位角和高度角进行实时调整校正；
步骤9)、定日镜的方位角和高度角调整校正后，重复步骤7-8)，计算校正后位置的残余偏差，直至光斑与PSD位置传感器表面的中心位置重合，完成该面定日镜的跟踪偏差校正。
为了更好的说明本发明程序控制的工作依据，现简要说明本发明的设计原理如下：
如图1所示，n为定日镜表面法向量，z为垂直于水平面的向量，为定日镜方位角，定义方位角为指定定日镜法向量在水平面上的投影与水平面正北方所成的夹角；θ为高度角，定义高度角是指定日镜法向量和z所成夹角。已知太阳入射向量s和太阳反射向量r，镜场控制系统可以计算出此时的定日镜法向量n，从而得到定日镜此时的方位角和高度角θ。但由于运行中累积的机械误差等因素，造成镜场控制系统计算出的角度信息不足以满足控制定日镜将入射太阳光反射至塔式太阳能热发电站的吸热器的准确性。
发射机在定日镜正上方垂直向下发出激光，发射机悬停的位置坐标(x1，y1)由定日镜立柱的中心点确定，悬停高度z1为设定值，定日镜高度H；接收机悬停的位置坐标，也即反射光斑中心位置坐标理论值(x2，y2)，由太阳反射向量r和悬停高度z2确定；接收机底部的PSD位置传感器表面的中心点坐标也由此确定；经定日镜反射的激光照射在PSD位置传感器上形成光斑，光斑相对中心点坐标的偏移量为△x和△y；△x反映定日镜高度角的偏移量，△y反映定日镜方位角的偏移量:
镜场控制系统根据高度角偏移量△θ和方位角偏移量对定日镜的方位角和高度角进行实时调整，偏移量消除即完成该面定日镜的跟踪偏差校正。
本发明实现的有益效果是：
⑴本发明使用激光作为校正过程中的光源，无需依赖太阳光，因此校正过程在日间或夜间均能进行，也不受云层遮挡影响；
⑵本发明的校正系统和过程相对独立，与定日镜的日常运行并行不悖，不影响镜场调度和发电效率；
⑶常规的偏差校正方法利用镜场中央的标靶辅助校正，存在越远端定日镜检验精度越低的问题，本发明的校正方法对于镜场中每一面定日镜均有一致的检验精度；
⑷本发明的校正系统简洁，通过预设程序可以实现全校正过程的自动操作，快速高效。
附图说明
图1是本发明一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法之定日镜场中的定日镜的方位角和高度角结构示意图
图2是本发明一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法之PSD位置传感器表面光斑位置示意图
图3是本发明一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法之定日镜校正过程的设计方法流程图
具体实施方式
下面，参考附图1至图3所示，一种用无人机校正定日镜偏差的系统和方法，其中：
一种用无人机校正定日镜偏差的系统，包括：塔式太阳能热发电站的吸热器101、定日镜场中的定日镜102、镜场控制系统、无人机中央控制系统、发射机103、接收机104；
进一步的，所述定日镜场中的定日镜在镜场控制系统的控制下实时跟踪太阳，通过方位角和高度角双向调节，始终将入射太阳光反射至所述塔式太阳能热发电站的吸热器；
进一步的，所述镜场控制系统内嵌定日镜追日算法，该算法可根据时间和地理位置信息可计算定日镜的实时方位角和高度角；
进一步的，所述无人机中央控制系统包括：通信单元、航路规划单元和运算处理单元；
作为一种举例说明，所述发射机与接收机均采用无人机；
进一步的，所述发射机包括：无线通信单元和激光发射器；
进一步的，所述接收机包括：无线通信单元和二维PSD位置传感器；
所述二维PSD位置传感器置于所述接收机底部，用于测定入射光斑的二维坐标；所述二维PSD位置传感器的表面涂有光敏材料，传感器表面的几何中心即为检测的坐标原点。
一种用无人机校正定日镜偏差的方法，包括：
步骤1)、启动镜场控制系统，选定定日镜场中待校正的定日镜；
步骤2)、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行实时通信，获取定日镜场中待校正的定日镜的定位信息；无人机中央控制系统根据获取的定位信息对发射机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给发射机；
步骤3)、发射机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至待校正的定日镜的垂直正上方；发射机启动激光发射器，激光发射器垂直向下发出激光；
步骤4)、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行通信，获取正在被校正的发射机垂直正下方的定日镜的实时方位角理论值和实时高度角理论值；无人机中央控制系统的运算处理单元根据得到的实时方位角理论值和实时高度角理论值计算出激光经定日镜反射后的角度数据，再将角度数据转换为反射光斑中心位置坐标；无人机中央控制系统根据位置坐标对接收机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给接收机；
步骤5)、接收机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至指定位置和高度；发射机发出、经定日镜反射的激光照射在接收机底部的PSD位置传感器表面形成光斑；
步骤6)、PSD位置传感器的光敏表面探测到光斑，将光斑的光信号经过前置放大电路转换为电信号；PSD位置传感器自身可进行无线通信，将光斑对应的电信号发送至无人机中央控制系统的运算处理单元；
步骤7)、无人机中央控制系统的运算处理单元解算得到光斑在PSD位置传感器表面的坐标位置，并根据该坐标位置与传感器表面的中心位置的偏差计算定日镜的方位角偏移量和高度角偏移量，通过无人机中央控制系统的通信单元传给镜场控制系统；
步骤8)、镜场控制系统根据收到的方位角偏移量和高度角偏移量，对定日镜的方位角和高度角进行实时调整校正；
步骤9)、定日镜的方位角和高度角调整校正后，重复步骤7-8)，计算校正后位置的残余偏差，直至光斑与PSD位置传感器表面的中心位置重合，完成该面定日镜的跟踪偏差校正。
为了更好的说明本发明程序控制的工作依据，现简要说明本发明的设计原理如下：
(如图1所示)n为定日镜表面法向量，z为垂直于水平面的向量，为定日镜方位角，定义方位角为指定定日镜法向量在水平面上的投影与水平面正北方所成的夹角；θ为高度角，定义高度角是指定日镜法向量和z所成夹角。已知太阳入射向量s和太阳反射向量r，镜场控制系统可以计算出此时的定日镜法向量n，从而得到定日镜此时的方位角和高度角θ。但由于运行中累积的机械误差等因素，造成镜场控制系统计算出的角度信息不足以满足控制定日镜将入射太阳光反射至塔式太阳能热发电站的吸热器的准确性。
发射机在定日镜正上方垂直向下发出激光，发射机悬停的位置坐标(x1，y1)由定日镜立柱的中心点确定，悬停高度z1为设定值，定日镜高度H；接收机悬停的位置坐标，也即反射光斑中心位置坐标理论值(x2，y2)，由太阳反射向量r和悬停高度z2确定；接收机底部的PSD位置传感器表面的中心点坐标也由此确定；经定日镜反射的激光照射在PSD位置传感器上形成光斑，光斑相对中心点坐标的偏移量为△x和△y；△x反映定日镜高度角的偏移量，△y反映定日镜方位角的偏移量:
镜场控制系统根据高度角偏移量△θ和方位角偏移量对定日镜的方位角和高度角进行实时调整，偏移量消除即完成该面定日镜的跟踪偏差校正。
本发明使用激光作为校正过程中的光源，无需依赖太阳光，因此校正过程在日间或夜间均能进行，也不受云层遮挡影响；本发明的校正系统和过程相对独立，与定日镜的日常运行并行不悖，不影响镜场调度和发电效率；常规的偏差校正方法利用镜场中央的标靶辅助校正，存在越远端定日镜检验精度越低的问题，本发明的校正方法对于镜场中每一面定日镜均有一致的检验精度；本发明的校正系统简洁，通过预设程序可以实现全校正过程的自动操作，快速高效。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。
Claims (2)
1.一种用无人机校正定日镜偏差的系统，其特征在于，包括：塔式太阳能热发电站的吸热器、定日镜场中的定日镜、镜场控制系统、无人机中央控制系统、发射机、接收机；
所述定日镜场中的定日镜在镜场控制系统的控制下实时跟踪太阳，通过方位角和高度角双向调节，始终将入射太阳光反射至所述塔式太阳能热发电站的吸热器；
所述镜场控制系统内嵌定日镜追日算法，该算法可根据时间和地理位置信息可计算定日镜的实时方位角和高度角；
所述无人机中央控制系统包括：通信单元、航路规划单元和运算处理单元；所述发射机与接收机均采用无人机；
所述发射机包括：无线通信单元和激光发射器；
所述接收机包括：无线通信单元和二维PSD位置传感器；
所述二维PSD位置传感器置于所述接收机底部，用于测定入射光斑的二维坐标；所述二维PSD位置传感器的表面涂有光敏材料，传感器表面的几何中心即为检测的坐标原点。
2.一种用无人机校正定日镜偏差的方法，其特征在于，包括：
步骤1、启动镜场控制系统，选定定日镜场中待校正的定日镜；
步骤2、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行实时通信，获取定日镜场中待校正的定日镜的定位信息；无人机中央控制系统根据获取的定位信息对发射机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给发射机；
步骤3、发射机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至待校正的定日镜的垂直正上方；发射机启动激光发射器，激光发射器垂直向下发出激光；
步骤4、无人机中央控制系统通过通信单元与镜场控制系统进行通信，获取正在被校正的发射机垂直正下方的定日镜的实时方位角理论值和实时高度角理论值；无人机中央控制系统的运算处理单元根据得到的实时方位角理论值和实时高度角理论值计算出激光经定日镜反射后的角度数据，再将角度数据转换为反射光斑中心位置坐标；无人机中央控制系统根据位置坐标对接收机进行航路规划；无人机中央控制系统将航路规划信息由通信单元下发给接收机；
步骤5、接收机根据其通信单元接收到的航路规划信息，飞至指定位置和高度；发射机发出、经定日镜反射的激光照射在接收机底部的PSD位置传感器表面形成光斑；
步骤6、PSD位置传感器的光敏表面探测到光斑，将光斑的光信号经过前置放大电路转换为电信号；PSD位置传感器自身可进行无线通信，将光斑对应的电信号发送至无人机中央控制系统的运算处理单元；
步骤7、无人机中央控制系统的运算处理单元解算得到光斑在PSD位置传感器表面的坐标位置，并根据该坐标位置与传感器表面的中心位置的偏差计算定日镜的方位角偏移量和高度角偏移量，通过无人机中央控制系统的通信单元传给镜场控制系统；
步骤8、镜场控制系统根据收到的方位角偏移量和高度角偏移量，对定日镜的方位角和高度角进行实时调整校正；
步骤9、定日镜的方位角和高度角调整校正后，重复步骤7-8)，计算校正后位置的残余偏差，直至光斑与PSD位置传感器表面的中心位置重合，完成该面定日镜的跟踪偏差校正。
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