CN106918313B - 一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法，包括以下步骤：1)安装设备；2)相机内部参数校准；3)相机与LCD显示屏位置关系校准；4)初步建立相机与镜面位置关系；5)根据镜面初始模型估算镜面表面法向量的分布；6)根据法向量拟合新的镜面模型；7)重新计算镜面表面法向量分布，再次拟合镜面模型；9)比较相邻两次拟合模型的参数，直到模型收敛；10)根据收敛后的镜面模型计算镜面参考点处法向量；11)参考点处拟合的法向量与设计的法向量不同，通过镜面坐标系绕参考点的旋转，使得两法向量重合；12)计算被镜面表面法向量与理想值偏差的标准差，以此表征镜面的平整度。本发明检测效率较高、检测精度较高。

Description

一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法

技术领域

本发明属于太阳能技术中碟式太阳能领域，是一种聚光热发电中的阳光收集器方面的技术，尤其是一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法。

背景技术

目前，化石能源的高速消耗和环境的严重污染已经成为世界共同关注的焦点问题，新能源的开发也成为各国研究的核心。其中，太阳能以其可持续性、清洁性吸引了越来越多的关注和研究。太阳能的主要利用方式是将光能转化为电能，现有的技术主要包括光伏发电和聚光热发电，其中聚光热发电中的碟式Stirling技术具有最高的光电转化效率。碟式Stirling热发电技术采用巨型的抛物碟面汇聚阳光，在焦点附近产生高能量密度的辐射源，进而产生用于推动Stirling发动机运转的热源。热源的质量直接影响设备的发电效率和使用寿命，而影响该质量的主要因素为碟面组成镜面的质量和镜面安装的精度。镜面质量的检测是本发明的核心。

镜面质量的检测的难点在于高精度地测量聚光镜面的焦距和镜面的平整度。在碟式Stirling技术中，聚光碟面的组成镜面为抛物面的一部分，所以其在X和Y方向的焦距均需要测量。并且，光斑的大小对焦距的变化十分敏感，焦距的测量必须保证较高的精度。另外，镜面表面存在局部凹凸不平的现象，我们定义表征此凹凸程度的量为镜面的平整度，它决定了镜面汇聚光斑的均匀度。由于镜面的反射特性，其表面的三维信息的测量并不能采用传统物体表面三维重建的方法实现，而需要特殊的方法。因此，镜面质量的检测是比较困难的问题。

针对镜面质量检测的问题，传统高精度的方法是VSHOT。该技术采用可六个方向转动的激光发射器扫描镜面，并用特定位置上的接收屏接收镜面反射的激光，记录反射位置，从而实现镜面表面法向量的精确测量，最终得到镜面的精确模型。但是，该方法设备昂贵，并且效率较低，特别是镜面的扫描过程，其将花费大量的时间。

发明内容

为了克服已有镜面质量检测的无法兼顾效率和精度的不足，本发明提供了一种检测效率较高、检测精度较高的碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法，包括以下步骤：

1)安装设备，测量设备为工业相机和LCD显示屏，将两设备固定在一起，放置在距离镜面2倍焦距处；调整相机角度，使得它看到的镜面反射区域全部在LCD屏幕上；

2)相机内部参数校准，利用棋盘格标定板对相机的内部参数进行校准；

3)相机与LCD显示屏位置关系校准，将长方形平面镜置于相机与屏幕前方，在LCD上显示标准棋盘格，调整镜面姿态，使得相机看到的镜面反射区域全部落在LCD上；

4)初步建立相机与镜面位置关系，采用相机拍摄聚光镜面的图片，通过图像处理的方法提取各个角点的位置，结合各角点在镜面坐标系中的三维坐标位置，利用姿态估计算法，实现相机与镜面位置的初步估算；

5)根据镜面初始模型估算镜面表面法向量的分布

在完成相机响应与LCD亮度关系的校准后，在LCD上显示四步移相光栅，用相机拍摄各相的图片，然后即得到可相机各像素与屏幕上各像素间的位置关系；然后利用相机像素与焦点形成的射线，找到该射线与镜面的交点的空间位置，至此计算出该焦点处镜面法向量的位置，交点的计算采用镜面的原始模型，模型如下：

Z＝a×X²+b×Y²

其中，X、Y和Z为镜面坐标系中三坐标轴，a、b为抛物碟面设计模型中的参数；

6)根据法向量拟合新的镜面模型，拟合方式为最小二乘法，镜面的模型公式如下：

Z＝A×X²+B×Y²+C×XY+D×X+E×Y+F

其中，X、Y和Z为镜面坐标系三坐标轴，A、B、C、D、E和F为需要拟合的参数；

由偏导公式可知，在(x,y,z)点处的法向量为(n₁,n₂,n₃)

n₁＝2A×X+C×Y+D

n₂＝2B×Y+C×X+E

n₃＝-1

根据步骤5)计算出来的各点法向量，拟合出所有的参数，其中C值取两个拟合值的平均值，实现了新镜面模型的拟合；

7)根据新镜面模型，利用步骤5)中同样的方式，重新计算镜面表面法向量分布；

8)根据新计算的法向量，再次拟合镜面模型；

9)比较相邻两次拟合模型的参数，如果两次模型的参数不相同，则重复步骤7)、8)、9)，直到模型收敛，进入步骤10)；

10)根据以上得到的收敛后的镜面模型，计算镜面参考点处法向量，参考点在镜面两短边的平分线上，从较小短边到较大短边3/4处；

11)比较参考点处拟合的法向量与设计的法向量是否相同，如果相同，则进入下一步；如果不同，则通过镜面坐标系绕参考点的旋转，使得两法向量重合，然后重复步骤5)到11)；

12)根据以上拟合的镜面模型公式，计算被拟合的抛物镜面在X、Y方向上的焦距，计算镜面表面法向量与理想值偏差的标准差，以此表征镜面的平整度。

本发明中的方法仅仅需要采集18张图片，镜面表面的法向量计算过程采用并行的方式，并利用双层迭代保证镜面模型的拟合精度，从而大大提高的镜面检测的效率，可以直接用于流水线工作。

本发明的有益效果主要表现在：测量设备为相机和LCD平面，设备简单。测量的过程仅需要18张图片，耗时较少，效率高；相机与LCD的位置关系以校准的方式进行测量，镜面模型的拟合采用双层迭代的方式，精度高。

附图说明

图1是碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法，包括以下步骤：

1)安装设备。本发明的测量设备为工业相机和LCD显示屏。将两设备固定在一起，放置在距离镜面约2倍焦距处。调整相机角度，使得它看到的镜面反射区域全部在LCD屏幕上。

2)相机内部参数校准。利用棋盘格标定板对相机的内部参数进行校准，包括焦距、图片中心和镜头畸变等校准。

3)相机与LCD显示屏位置关系校准。将长方形平面镜置于相机与屏幕前方，在LCD上显示标准棋盘格，调整镜面姿态，使得相机看到的镜面反射区域全部落在LCD上。通过此校准，即可实现相机与LCD间位置关系的准确校准。

4)初步建立相机与镜面位置关系。本发明采用相机拍摄聚光镜面的图片，通过图像处理的方法提取各个角点的位置，结合各角点在镜面坐标系中的三维坐标位置，利用姿态估计算法，实现相机与镜面位置的初步估算。

5)根据镜面初始模型估算镜面表面法向量的分布。在完成相机响应与LCD亮度关系的校准后，该发明在LCD上显示四步移相光栅，用相机拍摄各相的图片，然后即得到可相机各像素与屏幕上各像素间的位置关系。然后利用相机像素与焦点形成的射线，找到该射线与镜面的交点的空间位置，至此即可计算出该焦点处镜面法向量的位置。该步骤中交点的计算采用镜面的原始模型，模型如下：

Z＝a×X²+b×Y²

其中，X、Y和Z为镜面坐标系中三坐标轴，a、b为抛物碟面设计模型中的参数。

6)根据法向量拟合新的镜面模型，拟合方式为最小二乘法。镜面的模型公式如下：

Z＝A×X²+B×Y²+C×XY+D×X+E×Y+F

其中，X、Y和Z为镜面坐标系三坐标轴，A、B、C、D、E和F为需要拟合的参数。

由偏导公式可知，在(x,y,z)点处的法向量为(n₁,n₂,n₃)

n₁＝2A×X+C×Y+D

n₂＝2B×Y+C×X+E

n₃＝-1

根据步骤5)计算出来的各点法向量，拟合出所有的参数，其中C值取两个拟合值的平均值。这样就实现了新镜面模型的拟合。

7)根据新镜面模型，利用步骤5)中同样的方式，重新计算镜面表面法向量分布。

9)根据新计算的法向量，再次拟合镜面模型。

9)比较相邻两次拟合模型的参数，如果两次模型的参数不相同，则重复步骤7)、8)、9)，直到模型收敛，进入步骤10)；

10)根据以上得到的收敛后的镜面模型，计算镜面参考点处法向量，参考点在镜面两短边的平分线上，从较小短边到较大短边3/4处；

11)比较参考点处拟合的法向量与设计的法向量是否相同，如果相同，则进入下一步。如果不同，则通过镜面坐标系绕参考点的旋转，使得两法向量重合，然后重复步骤5)到11)。

12)根据以上拟合的镜面模型公式，计算被拟合的抛物镜面在X、Y方向上的焦距，计算镜面表面法向量与理想值偏差的标准差，以此表征镜面的平整度。

本发明中的方法仅仅需要拍摄18张图片，镜面表面的三维信息计算过程采用并行的方式，并利用双层迭代的方法来保证镜面模型的拟合精度，从而大大提高的镜面检测的效率，达到了可以直接用于流水线工作的水平。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.一种碟式Stirling太阳能聚光镜面质量检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)安装设备，测量设备为工业相机和LCD显示屏，将两设备固定在一起，放置在距离镜面2倍焦距处；调整相机角度，使得它看到的镜面反射区域全部在LCD屏幕上；

2)相机内部参数校准，利用棋盘格标定板对相机的内部参数进行校准；

3)相机与LCD显示屏位置关系校准，将长方形平面镜置于相机与屏幕前方，在LCD上显示标准棋盘格，调整镜面姿态，使得相机看到的镜面反射区域全部落在LCD上；

4)初步建立相机与镜面位置关系，采用相机拍摄聚光镜面的图片，通过图像处理的方法提取各个角点的位置，结合各角点在镜面坐标系中的三维坐标位置，利用姿态估计算法，实现相机与镜面位置的初步估算；

5)根据镜面初始模型估算镜面表面法向量的分布

在完成相机响应与LCD亮度关系的校准后，在LCD上显示四步移相光栅，用相机拍摄各相的图片，然后即得到相机各像素与屏幕上各像素间的位置关系；然后利用相机像素与焦点形成的射线，找到该射线与镜面的交点的空间位置，至此计算出该焦点处镜面法向量的位置，交点的计算采用镜面的原始模型，模型如下：

Z＝a×X²+b×Y²

其中，X、Y和Z为镜面坐标系中三坐标轴，a、b为抛物碟面设计模型中的参数；

6)根据法向量拟合新的镜面模型，拟合方式为最小二乘法，镜面的模型公式如下：

Z＝A×X²+B×Y²+C×XY+D×X+E×Y+F

其中，X、Y和Z为镜面坐标系三坐标轴，A、B、C、D、E和F为需要拟合的参数；

由偏导公式可知，在(x,y,z)点处的法向量为(n₁,n₂,n₃)

n₁＝2A×X+C×Y+D

n₂＝2B×Y+C×X+E

n₃＝-1

根据步骤6)计算出来的各点法向量，拟合出所有的参数，其中C值取两个拟合值的平均值，实现了新镜面模型的拟合；

7)根据新镜面模型，利用步骤5)中同样的方式，重新计算镜面表面法向量分布；

8)根据新计算的法向量，再次拟合镜面模型；

9)比较相邻两次拟合模型的参数，如果两次模型的参数不相同，则重复步骤7)、8)、9)，直到模型收敛，进入步骤10)；

10)根据以上得到的收敛后的镜面模型，计算镜面参考点处法向量，参考点在镜面两短边的平分线上，从较小短边到较大短边3/4处；

11)比较参考点处拟合的法向量与设计的法向量是否相同，如果相同，则进入下一步；如果不同，则通过镜面坐标系绕参考点的旋转，使得两法向量重合，然后重复步骤5)到11)；

12)根据以上拟合的镜面模型公式，计算被拟合的抛物镜面在X、Y方向上的焦距，计算镜面表面法向量与理想值偏差的标准差，以此表征镜面的平整度。