CN110989695B - 一种移动平台上的太阳自动跟踪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种移动平台上的太阳自动跟踪装置方法，所述装置包括：光学组件以及驱动组件，其中，所述光学组件包括：第一反射镜、第二反射镜以及光电探测器，且第一反射镜与第二反射镜平行设置，第一反射镜的中心将太阳光反射至第二反射镜中心；第二反射镜中心具有通孔，第一反射镜反射的太阳光穿过所述通孔照射在光电探测器上；所述驱动组件驱动第一反射镜绕连接第一反射镜中心与第二反射镜中心的连接线旋转，且第一反射镜以及第二反射镜由水平转台承载，且所述驱动组件驱动所述水平转台旋转。应用本发明实施例，可以提高太阳跟踪精度。

Description

一种移动平台上的太阳自动跟踪装置及方法

技术领域

本发明涉及一种移动平台上的太阳自动跟踪装置及方法，具体涉及一种移动平台上的太阳自动跟踪装置及方法。

背景技术

在太阳能发电以及基于太阳光的大气光谱测量领域中，实现对太阳的实时跟踪是十分必要的。

目前，申请号为CN201810560292.2的发明专利，公开了一种太阳跟踪系统及方法，太阳跟踪系统包括传感器单元、控制器单元、驱动器单元、机械单元。传感器单元固定在双自由度受光板上，双自由度受光板为机械单元的一个组件。太阳跟踪系统通过传感器单元感测太阳光入射偏角，将光强信号转化为电压信号输入控制器单元，控制器单元控制驱动器单元，驱动器单元驱动机械单元，调整双自由度受光板及传感器单元正对太阳。太阳跟踪方法包括对阳光入射角大角度偏差进行粗调跟踪和对阳光入射角小角度偏差精调跟踪。所述精调跟踪，应用透镜系统汇聚高光强光束，通过平面镜反射形成光杠杆，实现阳光入射角小角度偏差时传感器单元中接收的高光强光束大位移偏移，提升传感器灵敏度，实现精调跟踪。

现有技术中将光强信号转换为电信号，并以电信号作为控制依据，但是，电路中的电子元件的参数是在一定范围内分布的，也就是说不同的设备上得到的光强信号存在差异，进而导致不通设备的跟踪效果不一致，因此想，现有技术中存在太阳跟踪效果不佳的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何提供一种移动平台上的太阳自动跟踪装置及方法以提高太阳跟踪效果。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：

本发明实施例提供了一种移动平台上的太阳自动跟踪装置，所述装置包括：光学组件以及驱动组件，其中，所述光学组件包括：第一反射镜、第二反射镜、光电探测器以及采集卡，其中，

所述第一反射镜的法线与竖直方向上的夹角为45度，且第一反射镜与第二反射镜平行设置，第一反射镜的中心将太阳光反射至第二反射镜中心；

第二反射镜中心具有通孔，第一反射镜反射的太阳光穿过所述通孔照射在光电探测器上；所述第一反射镜的中心、第二反射镜的中心通孔、光电探测器中心以及采集卡中心共线设置；

所述驱动组件驱动第一反射镜绕连接第一反射镜中心与第二反射镜中心的连接线旋转，且第一反射镜以及第二反射镜由水平转台承载，且所述驱动组件驱动所述水平转台旋转；

所述采集卡与计算机通信连接，所述计算机还与GPS接收机通信连接；

根据所述光斑的坐标以及相对于光电探测器上预设原点之间的差异，并基于当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，解算出太阳自动跟踪装置所要调节的俯仰角大小以及方位角大小。

包括：

在进行太阳追踪时，利用公式，

解算出太阳自动跟踪装置的俯仰角调节量

和方位角调节量φ，其中，

x₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的横坐标；y₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的纵坐标；d为光电探测器到第二反射镜上通孔的距离；β为当前坐标在当前时刻的太阳高度角；sin为正弦函数；cos为余弦函数；tan为正切函数。

应用本发明实施例，GPS解算出的太阳高度角和方位角作为目标，使得太阳光斑进入光电探测器；通过本发明实施例提出的几何原理将太阳光斑与光电探测器的四象限坐标系建立对应关系用于太阳跟踪。通过第一反射镜反射的太阳光斑，根据该光斑与光电探测器上原点的差异进行太阳跟踪，跟踪过程仅需识别出光斑位置即可，并不需要进行精密的转换，因此，并不涉及光信号到电信号的转换，而且，整个过程均为通过几何原理计算出的，因此，消除了这部分的误差，进而可以提高太阳跟踪精度。

可选的，所述第一反射镜的中心、第二反射镜的中心通孔、光电探测器中心以及采集卡中心共线设置。

可选的，所述驱动组件包括俯仰驱动组件以及水平驱动组件，其中，

所述俯仰驱动组件包括：俯仰驱动电机和第一驱动器，其中，所述俯仰驱动电机的输出轴与第一反射镜背面中心固定；第一驱动器驱动俯仰驱动电机转动；

所述水平驱动组件包括：水平驱动电机和第二驱动器，其中，所述水平驱动电机的输出轴通过齿轮组驱动水平转台旋转，第二驱动器驱动水平驱动电机转动；

第一驱动器以及第二驱动器均与采集卡通信连接。

本发明实施例还提供了一种移动平台上的太阳自动跟踪方法，所述方法包括：

1)、调节太阳自动跟踪装置，以使太阳光对应的光斑落在光电探测器上，其中，所述太阳自动跟踪装置为上述任一项所述的装置；

2)、利用GPS接收机解算出太阳自动跟踪装置的当前坐标，并根据所述当前坐标以及当前日期、当前时刻解算出当前坐标在当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，其中，所述当前坐标包括：经度、纬度以及海拔中的一种或组合；

3)、获取当前时刻太阳光在光电探测器上形成的光斑的坐标；

4)、根据所述光斑的坐标以及相对于光电探测器上预设原点之间的差异，并基于当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，解算出太阳自动跟踪装置所要调节的俯仰角大小以及方位角大小。

可选的，所述步骤4)，包括：

在进行太阳追踪时，利用公式，

解算出太阳自动跟踪装置的俯仰角调节量

和方位角调节量φ，其中，

x₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的横坐标；y₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的纵坐标；d为光电探测器到第二反射镜上通孔的距离；β为当前坐标在当前时刻的太阳高度角；sin为正弦函数；cos为余弦函数；tan为正切函数。

本发明的优点在于：

应用本发明实施例，GPS解算出的太阳高度角和方位角作为目标，使得太阳光斑进入光电探测器；通过本发明实施例提出的几何原理将太阳光斑与光电探测器的四象限坐标系建立对应关系用于太阳跟踪。通过第一反射镜反射的太阳光斑，根据该光斑与光电探测器上原点的差异进行太阳跟踪，跟踪过程仅需识别出光斑位置即可，并不需要进行精密的转换，因此，并不涉及光信号到电信号的转换，而且，整个过程均为通过几何原理计算出的，因此，消除了这部分的误差，进而可以提高太阳跟踪精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种移动平台上的太阳自动跟踪装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种移动平台上的太阳自动跟踪方法的光路几何结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

图1为本发明实施例提供的一种移动平台上的太阳自动跟踪装置的结构示意图，如图1所示，所述装置包括：光学组件以及驱动组件，其中，所述光学组件包括：第一反射镜1、第二反射镜2以及光电探测器3，其中，

第一反射镜的法线与竖直方向上的夹角为45度且第一反射镜1与第二反射镜2平行设置，第一反射镜1的中心将太阳光反射至第二反射镜2中心；通常情况下，第一反射镜1与第二反射镜2均为平面反射镜。

第二反射镜2中心具有通孔，第一反射镜1反射的太阳光穿过所述通孔照射在光电探测器3上。光电探测器3的中心点、第二反射镜2上的通孔以及第一反射镜1的中心点位于同一条水平直线上。太阳跟踪过程中，将光电探测器3的中心点作为原点。在太阳追踪装置的高度角与太阳的高度角相同，且太阳追踪装置的方位角与太阳的方位角相同时，第一反射镜1将太阳光反射至光电探测器3的中心点上

所述驱动组件驱动第一反射镜1绕连接第一反射镜1中心与第二反射镜2中心的连接线旋转，且第一反射镜1以及第二反射镜2由水平转台10承载，且所述驱动组件驱动所述水平转台10旋转。

进一步的，所述装置还包括；采集卡4与计算机14，采集卡4与光电探测器3组成光电探测单元5；其中，所述采集卡4与计算机14通信连接；所述计算机14还与GPS接收机13通信连接。采集卡4用于采集光电探测器3上的光斑相对于原点的坐标。计算机14用于根据光斑的坐标以及基于GPS接收机13解算的跟踪设备的坐标进行第一反射镜1旋转角度的调节以及水平转台10的调节。

进一步的，所述第一反射镜1的中心、第二反射镜2的中心通孔、光电探测器3中心以及采集卡4中心共线设置。

进一步的，所述驱动组件包括俯仰驱动组件以及水平驱动组件，其中，

所述俯仰驱动组件包括：俯仰驱动电机6和第一驱动器7，其中，所述俯仰驱动电机6的输出轴水平设置，且与第一反射镜1背面中心固定；第一驱动器7驱动俯仰驱动电机6转动；如图1所示，俯仰驱动电机6的输出轴与第一反射镜1的中心、第二反射镜2的中心通孔、光电探测器3中心以及采集卡4中心共线设置。

如图1所示，所述水平驱动组件包括：水平驱动电机8和第二驱动器9，其中，所述水平驱动电机8的输出轴的末端固定有驱动齿轮11，水平转台10的底面上偏心设有从动齿轮12，驱动齿轮11与从动齿轮12的旋转抽均垂直设置，驱动齿轮11与从动齿轮12啮合。从动齿轮12的中心轴与经过第二反射镜2中心的垂直轴同轴，实现水平转台10的360度旋转。水平驱动电机8旋转时带动驱动齿轮11旋转，驱动齿轮11进而带动从动齿轮12旋转进而驱动水平转台10旋转；

第一驱动器7以及第二驱动器9均与采集卡4通信连接。

应用本发明实施例，通过第一反射镜1反射的太阳光斑，根据该光斑与光电探测器3上原点的差异进行太阳跟踪，跟踪过程仅需识别出光斑位置即可，并不需要进行精密的转换，因此，并不涉及光信号到电信号的转换，而且，整个过程均为通过几何原理计算出的，因此，消除了这部分的误差，进而可以提高太阳跟踪精度。第一反射镜1和第二反射镜2相对于垂直方向斜45°平行放置的组合方式实现太阳全方位的跟踪；采用的四象限位置探测器的测量精度可以达到1.5μm，使得跟踪系统可以实现很高的跟踪精度；其次，研究45度反射镜的成像特性应用在光电探测器3上的太阳光斑轨迹的计算方法上，采用的四象限位置探测器通过采集卡4和处理算法快速实时采集并计算太阳位置，然后矫正跟踪系统，提高对太阳的跟踪精度和响应性能。

在现有技术中本发明实施例，通常使用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)相机进行光斑的跟踪，但是，CCD相机控制回路时间较长，且成像后需要进行图像的处理，导致反应速度较慢，进而使系统的抖动频率较高，稳定性差、跟踪误差大，成本也较高。本发明实施例中使用光电探测器的控制回路时间更短，可以提高测量速度，更加适用于移动平台条件下，如车载的太阳跟踪装置的高度跟踪需求，进而可以降低系统的抖动频率提高系统的稳定性。

再者，现有技术中还有一种太阳跟踪方法，即基于太阳的天文坐标的开环方法的被动跟踪系统，此类跟踪系统无需使用反馈控制原理，相比于闭环型太阳跟踪系统更简单，更便宜。这种控制方式没有反馈信号，因此，无法评估当前控制能否正确追踪了太阳，因此开环系统无法纠正任何错误，造成无法补偿系统中的干扰误差，其中干扰误差包括：太阳跟踪装置的安装误差和本身存在的机械误差。

而本发明实施例，根据光斑的位置进行太阳的跟踪属于反馈调节，可以实时根据光斑位置进行太阳的跟踪，消除了干扰误差。

而且，随着社会的发展，不仅存在能源上的问题，大气污染的问题也越来越严重。那么对大气中的污染气体进行实时监测及定量分析对于环境预防和治理的各项措施就起着很关键的作用。由于太阳光具有覆盖地域广、可持续性、覆盖波段宽、发光强度大、使用方便等特点，利用太阳作为光源，通过测得太阳光经过大气层后的太阳光谱，可用来分析大气污染气体的成分和浓度。该类系统通常是由太阳跟踪器和光谱仪组成。其可用于对某一较大区域的污染气体的排放及分布情况进行测量，还可反演出该区域的排放源及排放通量。而太阳光谱的准确度对污染气体的浓度反演非常重要，其中太阳跟踪器的跟踪精度，灵敏度与太阳光谱的准确度有很大的关系。目前，国内的该类仪器跟踪精度不够高，使用范围小，在某些太阳位置存在无法跟踪的问题。这会使得太阳光谱的准确度降低，从而使反演出的浓度及其他信息产生较大误差。本发明实施例可以准确实现太阳的跟踪，进而可以使大气污染物测量结果更加准确。

现有技术中有的技术方案仅使用GPS解算的太阳高度角以及方位角进行开环太阳跟踪，但是，发明人发现，

在阴天或者多云的天气时，由于太阳光通过大气透射后的光强较弱，光电传感器将难以响应。因此，本发明实施例将GPS解算出的太阳高度角和方位角作为目标，然后使用陀螺仪测量出太阳跟踪装置对应的当前高度角和方位角，然后调节太阳跟踪装置的高度角与GPS解算出的太阳高度角一致；调节太阳跟踪装置的方位角与GPS解算出的太阳方位角一致。

实施例2

图2为本发明实施例提供的一种移动平台上的太阳自动跟踪方法的光路几何结构示意图，如图2所示，所述方法包括：

1)、进行太阳跟踪时，先进行粗调，也就是手动调节使得探测器上有响应，此时太阳进入探测器的视场，即使太阳光对应的光斑落在光电探测器上，其中，所述太阳自动跟踪装置实施例1中所述的装置。

2)、利用GPS接收机13解算出太阳自动跟踪装置的当前坐标，并根据所述当前坐标以及当前日期、当前时刻解算出当前坐标在当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，其中，所述当前坐标包括：经度、纬度以及海拔中的一种或组合。

GPS接收机13过串口通讯与计算机14相连；GPS接收机13可以快速实时自动获取当前的时间、日期和当地所在的经纬度、海拔高度等信息，计算机14读取这些信息，并通过天文太阳位置数学公式计算出当前所在地的太阳高度角和方位角。

3)、获取当前时刻太阳光在光电探测器3上形成的光斑的坐标；

4)、根据所述光斑的坐标以及相对于光电探测器3上预设原点之间的差异，并基于当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，解算出太阳自动跟踪装置所要调节的俯仰角大小以及方位角大小。

为了对本发明实施例的计算公式的合理性进行说明，如图2所示，在某一时刻，太阳高度角唯一确定，太阳光入射到第一反射镜1，第一反射镜1将太阳光反射到第二反射镜2上，其中有一部分光通过通孔照射到光电探测器3上形成光斑。当旋转第一反射镜1时，入射到第一反射镜1中心的光线，反射光线的矢量方向与太阳光经过第一反射镜1、通孔后的出射光线矢量方向一样。以第一反射镜1中心为原点建立如图2所示坐标系，第一反射镜1可以绕着z轴旋转，在太阳高度角为0时，入射光线向量m(1,0,0),法线向量n

太阳高度角会随着时间变化，当前时刻太阳高度角变为β，则入射光线向量m也要绕着z轴旋转β角度，即如图2中入射光线所示，当水平转台10没对准太阳方位角，并且偏离一定角度φ时，相当于入射光线向量m再绕着y轴旋转φ角度，此时水平转台1010不旋转，第一反射镜11绕着z轴旋转α角度，即法线向量绕着z轴旋转α角度。

用罗德里格旋转公式可以求出入射光线向量m(1,0,0)绕着z轴旋转β角度，再绕着y轴旋转φ角度之后入射光线向量矩阵的和法线向量n

绕着z轴旋转α角度之后的法线向量矩阵；其分别为：

m′＝(cosφ,tanβ,-sinφ)

利用旋转之后的法线向量n′和反射矢量公式可以求得反射矢量矩阵为：

设出射光线向量为k(x,y,z),则利用反射矢量矩阵和旋转之后的入射光线向量矩阵可以求得出射光线向量。

得出

z＝1

所以光电探测器3上的太阳光斑轨迹方程为：

其中β为当前时间及当前位置的太阳高度角，d为四象限探测器中心到小孔中心的距离。

将公式中的α替换成

则公式变为

然后，在进行太阳的追踪时，利用上述公式，解算出太阳自动跟踪装置的高度角的调节量

和方位角的调节量φ，其中，x₁为太阳光在光电探测器3上形成的光斑的横坐标；y₁为太阳光在光电探测器3上形成的光斑的纵坐标；；sin为正弦函数；cos为余弦函数；tan为正切函数。

需要强调的是，上述的计算是太阳在x≤0的空间内，如果太阳在x≥0的空间时，公式中的太阳高度角β变成180°-β，计算的所有旋转均符合右手螺旋法则。

在实际跟踪太阳时，需要判断太阳相对于跟踪系统所建立的坐标系是处于x≥0的空间，还是处于在x≤0的空间从而确定公式中太阳高度角是用β，还是用180°-β,其中坐标系的建立是第一反射镜1中心到第二反射镜2的中心为Z轴的正方向，Y正方向竖直向上垂直于水平面，X的正方向根据右手定则指定其方向。

在本发明实施例的另一种具体实施方式中，还可以使太阳高度角选用β，而不是180°-β。也就是说，可以在在实际跟踪之前，先对太阳自动跟踪装置进行人工调整，使太阳相对于跟踪系统所建立的坐标系一直处于在x≤0的空间，然后使得这个面在跟踪太阳时一直对着太阳，这样就可以保证太阳相对于跟踪系统所建立的坐标系一直处于在x≤0的空间。

计算机14将所计算出需要调节的角度量转换成脉冲量，再将其发送给采集卡4，采集卡4再将脉冲量传输到第一驱动器7和第二驱动器9，对俯仰伺服电机和水平伺服电机进行控制，从而带动光电探测器3实时跟踪太阳，实现对太阳高度角和方位角的闭环跟踪。

应用本发明实施例，通过第一反射镜1反射的太阳光斑，根据该光斑与光电探测器3上原点的差异进行太阳跟踪，跟踪过程仅需识别出光斑位置即可，并不需要进行精密的转换，因此，并不涉及光信号到电信号的转换，而且，整个过程均为通过几何原理计算出的，因此，消除了这部分的误差，进而可以提高太阳跟踪精度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种移动平台上的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述装置包括：光学组件以及驱动组件，其中，所述光学组件包括：第一反射镜、第二反射镜以及光电探测器，其中，

所述第一反射镜的法线与竖直方向上的夹角为45度，且第一反射镜与第二反射镜平行设置，第一反射镜的中心将太阳光反射至第二反射镜中心；

第二反射镜中心具有通孔，第一反射镜反射的太阳光穿过所述通孔照射在光电探测器上；且所述第一反射镜的中心、第二反射镜的中心通孔、光电探测器中心以及采集卡中心共线设置；

所述驱动组件驱动第一反射镜绕连接第一反射镜中心与第二反射镜中心的连接线旋转，且第一反射镜以及第二反射镜由水平转台承载，且所述驱动组件驱动所述水平转台旋转；

根据光斑的坐标以及相对于光电探测器上预设原点之间的差异，并基于当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，解算出太阳自动跟踪装置所要调节的俯仰角大小以及方位角大小；包括：

在进行太阳追踪时，利用公式，

解算出太阳自动跟踪装置的俯仰角调节量

和方位角调节量φ，其中，

x₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的横坐标；y₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的纵坐标；d为光电探测器到第二反射镜上通孔的距离；β为当前坐标在当前时刻的太阳高度角；sin为正弦函数；cos为余弦函数；tan为正切函数。

2.根据权利要求1所述的一种移动平台上的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述装置还包括；采集卡与计算机，其中，

所述采集卡与计算机通信连接；

所述计算机还与GPS接收机通信连接。

3.根据权利要求2所述的一种移动平台上的太阳自动跟踪装置，其特征在于，所述驱动组件包括俯仰驱动组件以及水平驱动组件，其中，

所述俯仰驱动组件包括：俯仰驱动电机和第一驱动器，其中，所述俯仰驱动电机的输出轴与第一反射镜背面中心固定；第一驱动器驱动俯仰驱动电机转动；

所述水平驱动组件包括：水平驱动电机和第二驱动器，其中，所述水平驱动电机的输出轴通过齿轮组驱动水平转台旋转，第二驱动器驱动水平驱动电机转动；

第一驱动器以及第二驱动器均与采集卡通信连接。

4.一种移动平台上的太阳自动跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：

1)、调节太阳自动跟踪装置，以使太阳光对应的光斑落在光电探测器上，其中，所述太阳自动跟踪装置为权利要求1-3任一项所述的装置；

2)、利用GPS接收机解算出太阳自动跟踪装置的当前坐标，并根据所述当前坐标以及当前日期、当前时刻解算出当前坐标在当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，其中，所述当前坐标包括：经度、纬度以及海拔中的一种或组合；

3)、获取当前时刻太阳光在光电探测器上形成的光斑的坐标；

4)、根据所述光斑的坐标以及相对于光电探测器上预设原点之间的差异，并基于当前时刻时太阳高度角以及太阳方位角，解算出太阳自动跟踪装置所要调节的俯仰角大小以及方位角大小；包括：

在进行太阳追踪时，利用公式，

解算出太阳自动跟踪装置的俯仰角调节量

和方位角调节量φ，其中，

x₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的横坐标；y₁为太阳光在光电探测器上形成的光斑的纵坐标；d为光电探测器到第二反射镜上通孔的距离；β为当前坐标在当前时刻的太阳高度角；sin为正弦函数；cos为余弦函数；tan为正切函数。

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