CN109557947A - 一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法。计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角和方位角，得到定日镜方位轴需转动角度和水平轴需转动角度控制转动；再通过三轴角度传感器检测转动后的定日镜姿态角并反馈控制转动；通过CCD相机拍摄吸热器上的光斑图像，图像处理得到光斑中心反馈控制定日镜转动。太阳高度角和方位角的计算方法简便，准确性高，易于编程，三轴角度传感器的检测精度高，能够稳定检测定日镜的姿态角度作为闭环反馈，结合图像处理技术，能够直观反映定日镜的追日跟踪效果，实现定日镜的准确聚光。

Description

一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及塔式太阳能热发电定日镜控制领域，具体是涉及一种定日镜的双闭环跟踪控制方法。

背景技术

塔式太阳能热发电技术是利用定日镜跟踪太阳，将太阳反射光精确地聚焦在集热塔顶部的吸热器上，吸热器将太阳能转化为热能并加热其内部热管中的流质(水或其它介质)，产生高温高压蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式太阳能热发电技术的关键是如何精确地控制定日镜的对日跟踪轨迹，使太阳的反射光斑能准确地定位到塔顶的吸热器上。

目前，定日镜对太阳位置的跟踪方式有单轴跟踪、双轴跟踪。单轴跟踪一般采用倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪；双轴跟踪，分为极轴式跟踪和高度角-方位角跟踪两种方式，在实际应用中，主要采用高度角-方位角跟踪。高度角—方位角双轴跟踪对应的是太阳高度角和方位角的变化，定日镜的其中一个轴线垂直于地面，成为方位轴，另外一轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。在跟踪太阳的过程中，定日镜根据太阳高度角的变化绕俯仰轴运动，以此改变定日镜的倾斜角；根据太阳方位角的变化绕方位轴变化，跟踪太阳的方位角。单轴跟踪特点在于：机械结构简单，易于控制，但只能在一个维度上跟踪太阳，跟踪精度很低；高度角—方位角双轴跟踪的特点在于：机械结构相对复杂，较难控制，理论上可以实现对太阳全方位的跟踪，跟踪精度较高。

现有的定日镜跟踪控制方式主要有两种：视日运动轨迹跟踪和光电跟踪；前者是开环控制，后者是闭环控制。视日运动轨迹跟踪是定日镜控制系统首先从GPS定位模块读取当前时间和当地地理纬度，计算出当前时刻的太阳高度角和太阳方位角，每隔一段时间系统读取一次时间，并计算出这一时刻的太阳高度角和方位角，同时计算出相邻两次之间的高位角和方位角的角度差，将角度差送到控制器进行数据处理，然后由控制系统发出指令驱动电机转动，调整定日镜的位置，从而实现对太阳的跟踪；光电跟踪是应用光电阻、光电池等光电传感器测量太阳光线的角度，比较得出太阳光线与定日镜法线的夹角，进而发送信号给定日镜的传动机构，带动定日镜转动，使定日镜法线与太阳光线的夹角逐渐减少，逐渐完成对太阳位置的跟踪。视日运动轨迹跟踪的优点在于：受天气情况的影响较小。其缺点在于：算法过程比较复杂，无角度反馈，要求机械部件的加工水平较高，并且对整个系统的初始安装精度有很高要求，因此导致成本较高，此外，这种跟踪控制方式也无法消除长期工作后机械或其他外界环境对系统造成的累计误差；光电跟踪的优点在于：系统的灵敏度较高，不存在累积误差，结构设计比较简单。其缺点在于：容易受到天气变化的影响，如当出现云层遮住太阳的情况时，太阳光线往往不能照射到光电传感器上，光敏元件上没有电信号产生，导致定日镜无法对太阳的位置进行准确判断，有时还可能会引起执行机构的误操作。因此，高精度的追日跟踪算法和高效的控制方法对大型定日镜场来说，既可以降低工程造价，也可以提高工程成效，具有重大的意义。

发明内容

针对现有的塔式定日镜跟踪控制精度低的问题，提供一种跟踪控制精度更高、效率更高的塔式定日镜双闭环跟踪控制方法，极大地提高了定日镜的跟踪精度。

本发明所采用的技术方案如下：

在集热塔圆周周围的地面上布置有数个定日镜形成定日镜场，集热塔的顶部沿圆周安装有多个吸热器，太阳光经定日镜反射在吸热器上聚焦成像；其特征在于：每块定日镜底部安装有两个步进电机，通过两个步进电机分别带动定日镜绕两个旋转轴旋转，一个以方位轴为旋转轴作水平面旋转运动，另一个以水平轴为旋转轴作朝向集热塔的俯仰旋转运动；每个吸热器正对前方放置一个CCD相机，CCD相机通过支架安装固定于上空，并朝向吸热器拍摄；定日镜安装有GPS定位模块和三轴角度传感器，GPS定位模块和三轴角度传感器分别测量定日镜的定位位置和姿态角度；

针对每块定日镜再用以下方式进行双闭环跟踪的角度调整控制，使得每块定日镜准确地将太阳光反射到集热塔顶部的吸热器中心，实现高效吸热：

1)通过定日镜自身的GPS定位模块检测得到定日镜所处位置的经纬度，计算当前时刻定日镜所处位置的太阳高度角h_s和方位角θ_s；

2)通过几何对称原理确定太阳至定日镜镜面中心的连线与定日镜镜面中心至吸热器中心的连线之间夹角的角平分线，使得定日镜镜面的法线和角平分线重合布置；

3)初步以吸热器中心点M(0,0,h)作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度θ_g和水平轴需转动角度进而经定日镜的驱动执行机构控制转动定日镜；

4)通过三轴角度传感器检测转动后的定日镜姿态角度，与定日镜两个轴的需转动角度比较，得到定日镜的跟踪偏差并反馈控制定日镜转动角度以消除跟踪偏差，初步实现定日镜的跟踪控制；

5)利用CCD相机拍摄吸热器上的光斑图像，对光斑图像进行图像分析处理获得光斑中心，利用光斑中心通过定日镜的驱动执行机构反馈控制转动定日镜，最终实现定日镜的跟踪控制。

所述的当前时刻定日镜所处位置的太阳高度角h_s和方位角θ_s通过下式计算得到：

sinh_s＝sinδsinφ+cosδcosφcosω

其中，δ为太阳赤纬角，φ为定日镜所处在的地理纬度，ω为太阳时角；

上述太阳赤纬角δ通过下式计算得到：

其中，α为日角；

上述日角α通过下式计算得到：

其中，m为一年中的第几天；

太阳时角ω通过下式计算得到：

ω＝(12-T)×15°

其中，T为定日镜所处位置的真太阳时；

真太阳时T通过下式计算得到：

其中，t为格林尼治时间，L为定日镜所处在的地理经度。

所述步骤2)具体如下：

第一步，建立三维地面坐标系，以集热塔底部中心为原点O，正北方向为X轴，正东方向为Y轴，天顶为Z轴；

第二步，以定日镜镜面中心点H为球心，以定日镜镜面中心点H到吸热器中心点M的距离为半径，建立一个球面；

第三步，取太阳入射到定日镜镜面中心点H的光线与球面的交点S，在空间上取连线MS的中点E，则HE为太阳入射光路径SH和太阳反射光路径HM之间夹角的角平分线，将定日镜旋转至镜面的法线和角平分线重合。

所述的定日镜初始位置设为定日镜镜面水平，水平轴正北朝向，则方位角θ₀＝0，高度角

所述步骤4)消除定日镜的跟踪偏差具体如下：

4.1)定日镜的镜面姿态由方位轴方向上的方位角和水平轴方向上的高度角确定；

4.2)通过定日镜上的三轴角度传感器测得定日镜转动后相对于定日镜初始位置的定日镜的方位角θ₁和高度角方位角和高度角表示方位轴方向上的方位角和水平轴方向上的高度角。

4.3)计算得到定日镜的方位角和高度角的跟踪偏差△θ＝|θ₁-θ₀-θ_g|和其中，θ₀和分别表示定日镜初始位置的方位角和高度角，θ_g和分别表示步骤3)得到的相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

4.4)根据方位角和高度角的跟踪偏差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ＝0、

通过上述步骤的初步调整跟踪后能使得定日镜反射聚焦到吸热器上，在吸热器上形成聚焦光斑，进而后续精确调整跟踪时能通过CCD相机拍摄到包含有完整聚焦光斑的吸热器图像作为光斑图像。

所述定日镜底部的两个步进电机构成了驱动执行机构，给步进电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角，将定日镜双轴转动的角度折算成脉冲信号数，实现定日镜的角度控制。

所述步骤5)具体为：

5.1)通过CCD相机拍摄吸热器图像作为光斑图像，图像中包含有聚焦光斑；

5.2)光斑图像传输到计算机中进行图像处理获得光斑中心，光斑中心映射到实际的吸热器平面中，按照吸热器尺寸与图像尺寸之间的比例关系得到光斑中心在吸热器上的实际位置，再根据吸热器平面的三维坐标得到实际光斑中心的三维坐标；

5.3)结合定日镜镜面中心点坐标得到地面坐标系中的定日镜目标反射向量与实际反射向量，把光斑中心在图像中的偏差转变为定日镜的转轴角度误差，进而经定日镜的驱动执行机构反馈控制转动定日镜，消除转轴角度误差，最终实现定日镜的跟踪控制。

所述步骤5)具体为：

5.1)

首先，将吸热器进行四角标识；

其次，将CCD相机放置在距离吸热器距离的位置，且保持正对着吸热器；

最后，调整CCD相机的相机参数，拍摄吸热器上包含有聚焦光斑的完整图像作为光斑图像，并传输到计算机中；

5.2)

5.2.1)对光斑图像进行图像灰度化与均衡化、图像增强与滤波以及光斑有效性判别的预处理，然后对预处理过后的光斑图像进行角点检测和图像畸变矫正；

5.2.2)提取光斑，建立光斑图像平面坐标系，以图像左下角为原点，u轴为图像沿着原点水平向右，v轴为图像沿着原点竖直向上，光斑图像平面坐标系下光斑中心计算为：

其中，R和C分别为光斑图像的横向和纵向尺寸，u_i表示图像的第i列，b_i表示图像中第i列所有像素的亮度值总和，v_j表示图像的第j行，b_j表示图像中第j行所有像素的亮度值总和；

5.2.3)建立吸热器平面坐标系，以吸热器左下角为原点，X轴沿着原点水平向右，Y轴沿着原点竖直向上；以K、T₀、T₁分别表示吸热器平面坐标系中的吸热器左下角点、吸热器中心点和光斑中心，坐标设为(X_K,Y_K)、(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)；以k、t₀、t₁分别表示光斑图像平面坐标系中的吸热器图像左下角点、吸热器图像中心点和光斑中心，坐标设为(u_k,v_k)、(u₀,v₀)、然后建立以下公式光斑图像平面坐标系与吸热器平面坐标系的对应关系：

进而得到吸热器平面坐标系下光斑中心坐标为：

5.2.4)三维地面坐标系下，以面朝正南方向的吸热器平面为例，结合吸热器平面坐标系下光斑中心T₁坐标(X₁,Y₁)，采用以下公式得到三维地面坐标系下实际光斑中心的坐标(x₂,y₂,z₂)为：

x₂＝0，

5.3)

5.3.1)以实际光斑中心作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴实际转动角度θ_t和水平轴实际转动角度计算得到定日镜的方位角和高度角的转轴角度误差△θ_t＝|θ_t-θ_g|、其中，θ_g和分别表示步骤3)得到的相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

5.3.2)根据方位角和高度角的转轴角度误差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ_t＝0、

通过上述步骤的进一步精确调整跟踪后能使得定日镜反射聚焦到吸热器上，且聚焦光斑中心位于吸热器中心，两者重合，进而实现效率更高的定日镜聚焦吸热。

所述步骤3)中的处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度θ_g和水平轴需转动角度或者所述步骤5.3.1)中的处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴实际转动角度θ_t和水平轴实际转动角度均采用以下方式处理获得计算具体如下：

S1，当前时刻下，太阳高度角为h_s，方位角为θ_s，计算太阳光入射单位向量为：

S2，在三维地面坐标系下，采用以下公式计算定日镜的镜面反射单位向量为：

式中，定日镜镜面中心点H在三维地面坐标系中表示为(x_h,y_h,0)，目标点(x_d,y_d,z_d)为定日镜反射光线所经过的点，||·||表示向量(x_d-x_h,y_d-y_h,z_d)的模；

S3，根据入射向量反射向量与镜面法向量的关系计算获得沿角平分线方向的镜面法向量具体如下：

其中，入射向量为由太阳入射到定日镜镜面中心点H光线构成的方向向量，反射向量为由定日镜镜面中心点H反射到吸热器中心点M的光线构成的方向向量；

S4，再采用以下公式计算获得定日镜的镜面法向量为：

式中，为三维地面坐标系下的z轴方向单位向量，即 和R_z(θ)分别表示定日镜镜面绕y轴旋转角度、定日镜镜面绕z轴旋转θ角度；

S5，结合S3和S4中的公式，得到相对于定日镜的方位轴需转动角度θ和水平轴需转动角度

定日镜的镜面反射单位向量为从定日镜镜面中心点H到目标点(x_d,y_d,z_d)的单位向量。步骤3)计算时，以吸热器中心点M(0,0,h)作为目标点(x_d,y_d,z_d)，吸热器中心点M在三维地面坐标系中表示为(0,0,h)，h表示吸热器中心点M到集热塔某底部的高度。步骤5)计算时，以光斑中心(x₂,y₂,z₂)作为目标点(x_d,y_d,z_d)。

如图8所示，本发明的定日镜双闭环跟踪控制方法，通过计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s，进而得出相对于定日镜初始位置其方位轴需转动角度和水平轴需转动角度，发送给步进电机，控制定日镜转动到相应位置。通过三轴角度传感器检测转动后的定日镜姿态角度，得到定日镜的跟踪偏差，并反馈给定日镜控制系统，控制定日镜转动以消除跟踪偏差，初步实现定日镜的跟踪控制；通过CCD相机拍摄已标识的吸热器上的光斑图像，对拍摄到的光斑图像进行图像处理，得到光斑中心。把光斑中心在图像中的偏差转变为定日镜的转轴角度误差，获得相对于定日镜初始位置其方位轴实际转动角度和水平轴实际转动角度，同时反馈给定日镜控制系统，控制定日镜转动，消除转轴角度误差，最终实现定日镜的跟踪控制。

本发明的有益效果是：

采用一个三轴角度传感器替代两轴步进电机上的高精度位置传感器实现定日镜的跟踪角度控制，极大地降低了成本，而且克服了使用光电传感器易受多云等天气的影响，提高了系统的稳定性；

采用光斑图像平面与吸热器平面的映射关系，有效地将图像中的光斑中心转化为需要得到的吸热器上的实际光斑中心；

太阳高度角和方位角的计算方法简便，准确性高，易于编程，三轴角度传感器的检测精度高，能够稳定检测定日镜的姿态角度作为闭环反馈，结合图像处理技术，能够直观反映定日镜的追日跟踪效果，实现定日镜的准确聚光。

附图说明

图1是本发明太阳角度定义图；

图2是本发明定日镜角度定义图；

图3是本发明定日镜追日跟踪原理图；

图4是本发明定日镜追日跟踪计算示意图；

图5是本发明光斑偏差校正示意图；

图中：集热塔1、吸热器2、太阳3、定日镜4、CCD相机5、计算机6、实际光斑中心7、理想光斑中心8。

图6是本发明光斑图像处理流程图；

图7是本发明光斑图像与吸热器的平面坐标系对应关系示意图；

图8是本发明塔式定日镜的双闭环跟踪控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

本发明的实施例及其实施过程如下：

具体实施中，如图5所示，在集热塔1圆周周围的地面上布置有数个定日镜4形成定日镜场，集热塔1的顶部沿圆周安装有多个吸热器2，太阳3的太阳光经定日镜反射在吸热器2上聚焦成像；其特征在于：每块定日镜底部安装有两个步进电机，通过两个步进电机分别带动定日镜4绕两个旋转轴旋转，一个以方位轴为旋转轴作水平面旋转运动，另一个以水平轴为旋转轴作朝向集热塔的俯仰旋转运动；每个吸热器2正对前方放置一个CCD相机5，CCD相机5通过支架安装固定于上空；定日镜安装有GPS定位模块和三轴角度传感器，GPS定位模块和三轴角度传感器分别测量定日镜4的定位位置和姿态角度；定日镜4的两个步进电机和CCD相机5均连接到计算机6。

针对每块定日镜再用以下方式进行双闭环跟踪的角度调整控制，使得每块定日镜准确地将太阳光反射到集热塔顶部的吸热器2中心，实现高效吸热：

1)通过定日镜4自身的GPS定位模块检测得到定日镜4所处位置的经纬度，计算当前时刻定日镜所处位置的太阳高度角h_s和方位角θ_s。

从定日镜所处的位置看来，太阳在天空中的位置可以由方位角和高度角二者确定，如图1所示。太阳高度角是指太阳的入射光线与地平面之间的夹角，用h_s表示；太阳方位角是指太阳的入射光线在地平面上的投影线与地平面正北方向的夹角，用θ_s表示，通常以北为0°，向西为负值，向东为正值。当已知定日镜所处位置的经纬度时(可由GPS定位模块得到)，就可以计算定日镜所处位置在当前时刻的太阳高度角h_s和方位角θ_s，具体由以下公式得到：

sinh_s＝sinδsinφ+cosδcosφcosω

其中，δ为太阳赤纬角，φ为定日镜所处在的地理纬度，ω为太阳时角；

上述太阳赤纬角δ通过下式计算得到：

其中，α为日角；

上述日角θ通过下式计算得到：

其中，m为一年中的第几天；

太阳时角ω通过下式计算得到：

ω＝(12-T)×15°

其中，T为定日镜所处位置的真太阳时；

真太阳时T通过下式计算得到：

其中，t为格林尼治时间，L为定日镜所处在的地理经度，均由GPS定位模块获取。

2)如图3所示，通过几何对称原理确定太阳至定日镜镜面中心的连线与定日镜镜面中心至吸热器2中心的连线之间夹角的角平分线，使得定日镜镜面的法线和角平分线重合布置：

如图4所示，设定日镜所处的位置为H点，太阳入射光线SH向量为吸热器位于M点，镜面反射光线HM向量为

第一步，建立三维地面坐标系，以集热塔某底部中心为原点O，O点坐标为(0,0,0)，正北方向为X轴，正东方向为Y轴，天顶为Z轴；

第二步，以定日镜镜面中心点H为球心，以定日镜镜面中心点H到吸热器2中心点M的距离为半径，建立一个球面；

第三步，取太阳入射到定日镜镜面中心点H的光线与球面的交点S，在空间上取连线MS的中点E，则HE为太阳入射光路径SH和太阳反射光路径HM之间夹角的角平分线，将定日镜旋转至镜面的法线和角平分线重合，即以角平分线作为定日镜镜面法线，该法线向量用表示。

3)结合角平分线，初步以吸热器2中心点M(0,0,h)作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，即定日镜的镜面反射单位向量经过目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度θ_g和水平轴需转动角度进而经定日镜的驱动执行机构控制转动定日镜。

定日镜镜面姿态由其方位轴方向上的方位角θ和水平轴方向上的高度角确定，如图2所示，方位角θ是指镜面法线在水平面上的投影与参考地点正北方向的夹角，高度角是指镜面与水平面的夹角即镜面法线与天顶线的夹角。

具体实施中，定日镜初始位置设为定日镜镜面水平，水平轴正北朝向，则方位角θ₀＝0，高度角

4)通过三轴角度传感器检测转动后的定日镜姿态角度，与定日镜两个轴的需转动角度比较，得到定日镜的跟踪偏差并反馈控制定日镜转动角度以消除跟踪偏差，初步实现定日镜的跟踪控制；

4.1)定日镜的镜面姿态由方位轴方向上的方位角和水平轴方向上的高度角确定；

4.2)通过定日镜上的三轴角度传感器测得定日镜转动后相对于定日镜初始位置的定日镜的方位角θ₁和高度角

4.3)计算得到定日镜的方位角和高度角的跟踪偏差△θ＝|θ₁-θ₀-θ_g|和其中，θ₀和分别表示定日镜初始位置的方位角和高度角，θ_g和分别表示相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

4.4)根据方位角和高度角的跟踪偏差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ＝0、

5)利用CCD相机5拍摄吸热器2上的光斑图像，对光斑图像进行图像分析处理获得光斑中心，利用光斑中心通过定日镜的驱动执行机构反馈控制转动定日镜，最终实现定日镜的跟踪控制。

5.1)如图5所示，将吸热器进行四角标识，CCD相机放置在距离吸热器适当距离的位置，且保持正对着吸热器，调整相机参数，待接收到指令便拍摄吸热器上的光斑图像，并传输到计算机中。

具体实施中，如图5所示，实际光斑中心7会偏离吸热器的中心，即偏离理想光斑中心8位置。通过以下图像处理和调整使得实际光斑中心7向偏离理想光斑中心8移动并重合。

首先，将吸热器2进行四角标识；

其次，将CCD相机5放置在距离吸热器2距离的位置，且保持正对着吸热器2；

最后，调整CCD相机5的相机参数，拍摄吸热器2上包含有聚焦光斑的完整图像作为光斑图像，并传输到计算机中。

5.2)

5.2.1)如图6所示，通过计算机中的图像处理软件对光斑图像进行光斑有效性判别，若有效，则进行图像灰度化与均衡化、图像增强与滤波等预处理、角点检测及畸变矫正，后续再提取光斑并计算光斑中心。

5.2.2)提取光斑，如图7所示，建立光斑图像平面坐标系，以图像左下角为原点，u轴为图像沿着原点水平向右，v轴为图像沿着原点竖直向上，光斑图像平面坐标系下光斑中心计算为：

其中，R和C分别为光斑图像的横向和纵向尺寸，u_i表示图像的第i列，b_i表示图像中第i列所有像素的亮度值总和，v_j表示图像的第j行，b_j表示图像中第j行所有像素的亮度值总和；

5.2.3)建立吸热器2平面坐标系，以吸热器2左下角为原点，X轴沿着原点水平向右，Y轴沿着原点竖直向上；以K、T₀、T₁分别表示吸热器2平面坐标系中吸热器2左下角点、吸热器2中心点和光斑中心，坐标设为(X_K,Y_K)、(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)；以k、t₀、t₁分别表示光斑图像平面坐标系中吸热器2图像左下角点、吸热器2图像中心点和光斑中心，坐标设为(u_k,v_k)、(u₀,v₀)、然后建立以下公式光斑图像平面坐标系与吸热器2平面坐标系的对应关系：

进而得到吸热器2平面坐标系下光斑中心坐标为：

其中，u₀、v₀由光斑图像尺寸获得，X₀、Y₀由吸热器2尺寸获得。

5.2.4)三维地面坐标系下，以面朝正南方向的吸热器2平面为例，结合吸热器2平面坐标系下光斑中心T₁坐标(X₁,Y₁)，如图4，采用以下公式得到三维地面坐标系下实际光斑中心的坐标(x₂,y₂,z₂)为：

x₂＝0，

5.3)以实际光斑中心作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴实际转动角度θ_t和水平轴实际转动角度计算得到定日镜的方位角和高度角的转轴角度误差△θ_t＝|θ_t-θ_g|、其中，θ_g和分别表示相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

根据方位角和高度角的转轴角度误差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ_t＝0、最终实现定日镜的跟踪控制。

综上所述，本发明的定日镜双闭环跟踪控制方法下，太阳高度角和方位角的计算方法简便，准确性高，易于编程，三轴角度传感器的检测精度高，能够稳定检测定日镜的姿态角度作为闭环反馈，结合图像处理技术，能够直观反映定日镜的追日跟踪效果，实现定日镜的准确聚光。

Claims (8)

1.一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，在集热塔圆周周围的地面上布置有数个定日镜形成定日镜场，集热塔的顶部沿圆周安装有多个吸热器，太阳光经定日镜反射在吸热器上聚焦成像；其特征在于：每块定日镜底部安装有两个步进电机，通过两个步进电机分别带动定日镜绕两个旋转轴旋转，一个以方位轴为旋转轴作水平面旋转运动，另一个以水平轴为旋转轴作朝向集热塔的俯仰旋转运动；

针对每块定日镜再用以下方式进行双闭环跟踪的角度调整控制，使得每块定日镜准确地将太阳光反射到集热塔顶部的吸热器中心：

1)通过定日镜自身的GPS定位模块检测得到定日镜所处位置的经纬度，计算当前时刻定日镜所处位置的太阳高度角h_s和方位角θ_s；

2)通过几何对称原理确定太阳至定日镜镜面中心的连线与定日镜镜面中心至吸热器中心的连线之间夹角的角平分线，使得定日镜镜面的法线和角平分线重合布置；

3)初步以吸热器中心点M(0,0,h)作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度θ_g和水平轴需转动角度进而经定日镜的驱动执行机构控制转动定日镜；

4)通过三轴角度传感器检测转动后的定日镜姿态角度，与定日镜两个轴的需转动角度比较，得到定日镜的跟踪偏差并反馈控制定日镜转动角度以消除跟踪偏差，初步实现定日镜的跟踪控制；

5)利用CCD相机拍摄吸热器上的光斑图像，对光斑图像进行图像分析处理获得光斑中心，利用光斑中心通过定日镜的驱动执行机构反馈控制转动定日镜，最终实现定日镜的跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述的当前时刻定日镜所处位置的太阳高度角h_s和方位角θ_s通过下式计算得到：

sinh_s＝sinδsinφ+cosδcosφcosω

其中，δ为太阳赤纬角，φ为定日镜所处在的地理纬度，ω为太阳时角；

上述太阳赤纬角δ通过下式计算得到：

其中，α为日角；

上述日角α通过下式计算得到：

其中，m为一年中的第几天；

太阳时角ω通过下式计算得到：

ω＝(12-T)×15°

其中，T为定日镜所处位置的真太阳时；

真太阳时T通过下式计算得到：

其中，t为格林尼治时间，L为定日镜所处在的地理经度。

3.根据权利要求1所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤2)具体如下：

第一步，建立三维地面坐标系，以集热塔底部中心为原点O，正北方向为X轴，正东方向为Y轴，天顶为Z轴；

第二步，以定日镜镜面中心点H为球心，以定日镜镜面中心点H到吸热器中心点M的距离为半径，建立一个球面；

第三步，取太阳入射到定日镜镜面中心点H的光线与球面的交点S，在空间上取连线MS的中点E，则HE为太阳入射光路径SH和太阳反射光路径HM之间夹角的角平分线，将定日镜旋转至镜面的法线和角平分线重合。

4.根据权利要求1所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述的定日镜初始位置设为定日镜镜面水平，水平轴正北朝向，则方位角θ₀＝0，高度角

5.根据权利要求1所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤4)具体如下：

4.1)定日镜的镜面姿态由方位轴方向上的方位角和水平轴方向上的高度角确定；

4.2)通过定日镜上的三轴角度传感器测得定日镜转动后相对于定日镜初始位置的定日镜的方位角θ₁和高度角

4.3)计算得到定日镜的方位角和高度角的跟踪偏差△θ＝|θ₁-θ₀-θ_g|和其中，θ₀和分别表示定日镜初始位置的方位角和高度角，θ_g和分别表示步骤3)得到的相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

4.4)根据方位角和高度角的跟踪偏差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ＝0、

6.根据权利要求1所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：

5.1)通过CCD相机拍摄吸热器图像作为光斑图像，图像中包含有聚焦光斑；

5.2)光斑图像传输到计算机中进行图像处理获得光斑中心，光斑中心映射到实际的吸热器平面中，按照吸热器尺寸与图像尺寸之间的比例关系得到光斑中心在吸热器上的实际位置，再根据吸热器平面的三维坐标得到实际光斑中心的三维坐标；

5.3)结合定日镜镜面中心点坐标得到地面坐标系中的定日镜目标反射向量与实际反射向量，把光斑中心在图像中的偏差转变为定日镜的转轴角度误差，进而经定日镜的驱动执行机构反馈控制转动定日镜，最终实现定日镜的跟踪控制。

7.根据权利要求6所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：

5.1)

首先，将吸热器进行四角标识；

其次，将CCD相机放置在距离吸热器的位置，且保持正对着吸热器；

最后，调整CCD相机的相机参数，拍摄吸热器上包含有聚焦光斑的完整图像作为光斑图像，并传输到计算机中；

5.2)

5.2.1)对光斑图像进行图像灰度化与均衡化、图像增强与滤波以及光斑有效性判别的预处理，然后对预处理过后的光斑图像进行角点检测和图像畸变矫正；

5.2.2)提取光斑，建立光斑图像平面坐标系，以图像左下角为原点，u轴为图像沿着原点水平向右，v轴为图像沿着原点竖直向上，光斑图像平面坐标系下光斑中心计算为：

其中，R和C分别为光斑图像的横向和纵向尺寸，u_i表示图像的第i列，b_i表示图像中第i列所有像素的亮度值总和，v_j表示图像的第j行，b_j表示图像中第j行所有像素的亮度值总和；

5.2.3)建立吸热器平面坐标系，以吸热器左下角为原点，X轴沿着原点水平向右，Y轴沿着原点竖直向上；以K、T₀、T₁分别表示吸热器平面坐标系中的吸热器左下角点、吸热器中心点和光斑中心，坐标设为(X_K,Y_K)、(X₀,Y₀)、(X₁,Y₁)；以k、t₀、t₁分别表示光斑图像平面坐标系中的吸热器图像左下角点、吸热器图像中心点和光斑中心，坐标设为(u_k,v_k)、(u₀,v₀)、然后建立以下公式光斑图像平面坐标系与吸热器平面坐标系的对应关系：

进而得到吸热器平面坐标系下光斑中心坐标为：

5.2.4)三维地面坐标系下，以面朝正南方向的吸热器平面为例，结合吸热器平面坐标系下光斑中心T₁坐标(X₁,Y₁)，采用以下公式得到三维地面坐标系下实际光斑中心的坐标(x₂,y₂,z₂)为：

5.3.1)以实际光斑中心作为定日镜反射的目标点(x_d,y_d,z_d)，处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴实际转动角度θ_t和水平轴实际转动角度计算得到定日镜的方位角和高度角的转轴角度误差△θ_t＝|θ_t-θ_g|、其中，θ_g和分别表示步骤3)得到的相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度和水平轴需转动角度；

5.3.2)根据方位角和高度角的转轴角度误差反馈控制定日镜的驱动执行机构带动定日镜转动角度直至△θ_t＝0、

8.根据权利要求1或7所述的一种塔式定日镜的双闭环跟踪控制方法，其特征在于：

所述步骤3)中的处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴需转动角度θ_g和水平轴需转动角度或者所述步骤5.3.1)中的处理得到相对于定日镜初始位置的定日镜的方位轴实际转动角度θ_t和水平轴实际转动角度均采用以下方式处理获得计算具体如下：

S1，当前时刻下，太阳高度角为h_s，方位角为θ_s，计算太阳光入射单位向量为：

S2，在三维地面坐标系下，采用以下公式计算定日镜的镜面反射单位向量为：

式中，定日镜镜面中心点H在三维地面坐标系中表示为(x_h,y_h,0)，目标点(x_d,y_d,z_d)为定日镜反射光线所经过的点，||·||表示向量(x_d-x_h,y_d-y_h,z_d)的模；

S3，根据入射向量反射向量与镜面法向量的关系计算获得沿角平分线方向的镜面法向量具体如下：

其中，入射向量为由太阳入射到定日镜镜面中心点H光线构成的方向向量，反射向量为由定日镜镜面中心点H反射到吸热器中心点M的光线构成的方向向量；

S4，再采用以下公式计算获得定日镜的镜面法向量为：

式中，为三维地面坐标系下的z轴方向单位向量，即 和R_z(θ)分别表示定日镜镜面绕y轴旋转角度、定日镜镜面绕z轴旋转θ角度；

S5，结合S3和S4中的公式，得到相对于定日镜的方位轴需转动角度θ和水平轴需转动角度