CN112286234A - 一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，包括以下步骤：S1系统初始化；S2根据既定校正定日镜姿态数生成编码种类，对镜场中可正常运转的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与姿态序列一一对应；S3全镜场或部分区域运行校正模式，各定日镜按照既定姿态序列运转；S4图像采集模块连续采集运行区域中定日镜的图像；S5定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜图像识别各定日镜当前姿态；S6根据各个定日镜的姿态序列解码得出图像中每面定日镜得编码；S7根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；S8根据已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标校验校正参数的精度误差。

Description

一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统及方法

技术领域

本发明属于太阳能热发电领域，特别涉及一种塔式光热电站镜场定日镜的校正系统及方法。

背景技术

在能源领域，太阳能作为一种清洁的可再生能源得到越来越多的应用，在太阳能发电领域，太阳能发电方式有光伏发电和热发电两种。随着科学技术的发展，特别是计算机控制技术的兴起，太阳能热发电技术是光伏发电技术之后的新兴太阳能利用技术。太阳能热发电是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光的能量聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，以蒸汽驱动汽轮机发电。

塔式太阳能热发电是采用大量的定日镜将太阳光聚集到一个装在塔顶的吸热器上，通过加热里面的流体推动涡轮转动来发电。其中，所用定日镜镜场包含数以万计的定日镜，且其安装过程存在电机零位误差，导致其无法准确的进行太阳光反射，故需要一套精确的校正系统及方法对镜场中的定日镜进行逐一校正，测算其转动电机的零位误差，生成校正参数。但现有的定日镜校正方案，效率低、环境要求高，无法满足未来光热电站镜场越来越大、定日镜数量越来越多对校正系统的效率需求，故塔式光热电站需要一套精度高、效率高、便捷且可靠的校正系统及方法，以满足镜场校正的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统及方法，该发明可以同时进行数千面定日镜的校正工作，确保校正精度的同时大大提高校正效率。

本发明公开了一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，所述方法包括以下步骤：

S1系统初始化，启动系统各模块电源，完成各模块初始化；

S2镜场定日镜姿态编码，根据每个定日镜既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与既定姿态序列一一对应；

S3镜场运行校正模式，全镜场或部分区域运行校正模式，各定日镜按照既定姿态序列运转，转至既定姿态时静止预设时间，以保证图像采集的稳定性；

S4图像采集，图像采集模块采集运行区域中的定日镜姿态图像，用于校正；

S5定日镜姿态识别，定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜姿态图像识别各定日镜当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

S6定日镜姿态解码，各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编码；

S7参数测算，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

S8参数校验，将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。

在一个可能的实现方式中，所述S5定日镜姿态识别，定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜图像识别各定日镜当前姿态，包括：

S51图像处理，处理采集到的图像，运用图像归一化算法、中值滤波算法调整图像参数，筛除模糊帧、阴影帧，过滤图像噪声；

S52定日镜分离，运用图像分割算法分割采集图像中的定日镜个体；

S53定日镜姿态分离，根据采集图像中各定日镜在不同姿态下的停留时间间隔，将每面定日镜的不同姿态下的图像分离；

S54定日镜姿态测算，根据已分离的定日镜姿态图像，测算出各定日镜姿态；

S55定日镜姿态序列筛查，通过已分离测算出的每个定日镜姿态数量，初步筛查是否有识别错误；

S56结果输出，将所采集图像中所有姿态序列完整的定日镜的实际姿态序列输出。

在一个可能的实现方式中，所述定日镜姿态为定日镜根据镜场控制模块下发的电机转角角度，旋转到指定姿态。

在一个可能的实现方式中，所述定日镜姿态为定日镜根据镜场控制模块下发的电机转角角度，旋转到指定姿态；所述定日镜具备x轴和z轴两个电机，用于将任意方向射来的光线反射至光热电站的集热塔上。

在一个可能的实现方式中，所述定日镜校正，包括：测算x轴、z轴电机的零位误差，保证所述定日镜按既定姿态序列工作。

在一个可能的实现方式中，所述定日镜姿态编码，包括：对既定的定日镜姿态种类进行排列组合形成不同的既定姿态序列，针对排列组合后的每个既定姿态序列，生成与该既定姿态序列一一对应的编码。

在一个可能的实现方式中，所述定日镜校正参数的测算包括：

所述定日镜不同姿态在采集模块采集到的图像中至少包括尺寸变化，和/或角度变化，根据已知的所述定日镜实际结构和部件的相对比例，结合所述定日镜姿态识别模块测算出的姿态参数，进而推算出图像中目标定日镜各姿态的x轴、z轴实际转角角度值Xi、Zi，再与各姿态下理论转角角度Xj、Zj相减，求得各姿态转角误差，将多个姿态的误差结果取平均，得到两个电机的转角零位误差，即校正参数，计算过程如下式所示：

其中，i、j为正整数。

另一方面，本申请提供了一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，所述系统包括：图像采集模块、镜场控制模块、镜场、定日镜姿态编码模块、定日镜姿态解码模块、定日镜姿态识别模块、参数测算模块、参数校验模块；

所述图像采集模块，用于采集镜场中定日镜姿态图像；

所述定日镜姿态识别模块，用于识别图像采集模块采集到的定日镜姿态图像中每面定日镜的当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

所述镜场控制模块，用于下发每面所述定日镜的电机转角角度，调整定日镜姿态；

所述镜场，包含若干定日镜，用于反射太阳光；

所述定日镜姿态编码模块，用于根据每个定日镜的既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与其既定姿态序列一一对应；

所述定日镜姿态解码模块，用于根据各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编码；

所述参数测算模块，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

所述参数校验模块，用于将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。

在一个可能的实现方式中，所述图像采集模块由相机塔、相机、云台、短焦镜头组成。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，通过采用相机塔、高速超清相机、超短焦镜头和云台，可同时采集数千面定日镜的图像，进行校正参数测算，相对传统校正方法效率提升较大，节省了校正步骤在镜场部署工作中的耗时，缩短了镜场建设的工期。同时可监测定日镜的电机工作情况，标记疑似故障的定日镜。

本发明提供的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，克服了在镜场初期建设时，未能精确测绘各个定日镜坐标，仅使用已测绘和标定的图像采集系统，便可进行全镜场定日镜校正技术难题，且进行校正时，可初步测算定日镜世界坐标，用于校正参数验证，图像采集到的图像中各个待测定日镜相互独立，互不影响，抽检时也仅需要将抽检定日镜运行校正模式，图像采集模块正常采集即可，过程简易、操作便捷。

附图说明

图1为本发明一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统的系统组成示意图；

图2为本发明一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统中定日镜旋转不同角度时的状态示意图；

图3为本发明一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法流程图；

图4为本发明一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例的方式对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参阅图1，提供了一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，包括：图像采集模块、镜场控制模块、镜场、定日镜姿态编码模块、定日镜姿态解码模块、定日镜姿态识别模块、参数测算模块、参数校验模块；

图像采集模块，由相机塔、高速超清相机、云台、超短焦镜头组成，用于采集镜场中的定日镜姿态图像；

定日镜姿态识别模块，用于识别图像采集模块采集到的定日镜姿态图像中每面定日镜的当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

镜场控制模块，用于下发每面定日镜的电机转角角度，调整定日镜姿态；

镜场，包含数以万计的定日镜，用于反射太阳光，为光热发电汇聚能量；

定日镜姿态编码模块，用于根据每个定日镜的既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与其既定姿态序列一一对应；

定日镜姿态解码模块，用于根据各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编码；参数测算模块，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

参数校验模块，用于将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。

一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，采用如上的镜场校正系统，参阅图3和图4，该方法包括如下步骤：

S1系统初始化，启动系统各模块电源，完成各模块初始化；

S2镜场定日镜姿态编码，根据每个定日镜既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与既定姿态序列一一对应；该既定姿态为预先设定的姿态序列参数；

S3镜场运行校正模式，全镜场或部分区域运行校正模式，各定日镜按照既定姿态序列运转，转至既定姿态时静止预设时间，以保证图像采集的稳定性；示例性的，该预设时间可以是3秒、5秒、10秒等，本实施例对此不作限定；

S4图像采集，图像采集模块连续采集运行区域中的定日镜的姿态图像，用于校正；

S5定日镜姿态识别，定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜图像姿态识别各定日镜当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

S6定日镜姿态解码，各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编号。

需要说明的是，在该步骤中采集到的实际姿态与既定姿态并非完全一致，即允许一定误差存在，因此，在设置既定姿态序列时，不同既定姿态序列的差异需要设置的大一些，从而降低误判的概率。如：序列1中定日镜仰角为：0°、30°、60°、90°。序列2中定日镜仰角为20°、60°、80°、0°。

S7参数测算，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

S8参数校验，将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。的S5定日镜姿态识别，其实现的具体步骤包括：

S51图像处理，处理采集到的图像，运用图像归一化算法、中值滤波算法调整图像参数，筛除模糊帧、阴影帧，过滤图像噪声；

S52定日镜分离，运用图像分割算法分割采集图像中的定日镜个体；

S53定日镜姿态分离，根据采集图像中各定日镜在不同姿态下的停留时间间隔，将每面定日镜的不同姿态下的图像分离；

S54定日镜姿态测算，根据已分离的定日镜姿态图像，测算出各定日镜姿态；

S55定日镜姿态序列筛查，通过已分离测算出的每个定日镜姿态数量，初步筛查是否有识别错误；

S56结果输出，将所采集图像中所有姿态序列完整的定日镜的姿态序列输出。

具体的，定日镜姿态是指定日镜根据镜场控制模块下发的电机转角角度，旋转到指定姿态，如图2所示，定日镜具备x轴和z轴两个电机，可将任意方向射来的光线反射至光热电站的集热塔上；

定日镜校正，即测算x轴、z轴电机的零位误差，保证定日镜按既定姿态序列工作；

定日镜姿态编码，即通过对既定的定日镜姿态种类进行排列组合成形成不同的既定姿态序列，针对排列组合后的每个既定姿态序列，生成与该既定姿态序列一一对应的编码。因测算校正参数所用姿态的种数为20以上，理论上排列组合会有大于300万亿种不同的姿态序列，筛除掉不合理的序列，也足以满足普通镜场数万面定日镜的编码需求。

为了更好地说明本发明程序的工作依据，简要说明本发明的设计原理如下：

本发明计算待测定日镜校正参数的原理如下：

如图2所示，定日镜不同姿态在采集模块采集到的图像中具备尺寸变化、角度变化等多种几何特征，通过已知的定日镜实际结构和部件的相对比例，结合定日镜姿态识别模块测算出的姿态参数，进而推算出图像中目标定日镜各姿态的x轴、z轴实际转角角度值Xi、Zi(i＝O，1，2，3～N，N为姿态序列中姿态总个数)，再与各姿态下理论转角角度Xj、Zj(j＝0，1，2，3～N)相减，求得各姿态转角误差，多个姿态的误差结果取平均，得到最终两个电机的转角零位误差，即校正参数，计算过程如下式所示：

本发明提供的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，该系统包括：图像采集模块、镜场控制模块、镜场、定日镜姿态编码模块、定日镜姿态解码模块、定日镜姿态识别模块、参数测算模块、参数校验模块。定日镜姿态识别模块识别图像采集模块采集到的定日镜姿态图像中每面定日镜的当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列。

通过采用相机塔、高速超清相机、超短焦镜头和云台，可同时采集数千面定日镜的图像，进行校正参数测算，相对传统校正方法效率提升较大，节省了校正步骤在镜场部署工作中的耗时，缩短了镜场建设的工期。同时可监测定日镜的电机工作情况，标记疑似故障的定日镜。

本发明提供的基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，克服了在镜场初期建设时，未能精确测绘各个定日镜坐标，仅使用已测绘和标定的图像采集系统，便可进行全镜场定日镜校正技术难题，且进行校正时，可初步测算定日镜世界坐标，用于校正参数验证，图像采集到的图像中各个待测定日镜相互独立，互不影响，抽检时也仅需要将抽检定日镜运行校正模式，图像采集模块正常采集即可，过程简易、操作便捷。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性地，本申请的真正范围和精神由所述的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

应当理解的是，在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以理解实现所述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，所述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1系统初始化，启动系统各模块电源，完成各模块初始化；

S2镜场定日镜姿态编码，根据每个定日镜既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与既定姿态序列一一对应；

S3镜场运行校正模式，全镜场或部分区域运行校正模式，各定日镜按照既定姿态序列运转，转至既定姿态时静止预设时间，以保证图像采集的稳定性；

S4图像采集，图像采集模块采集运行区域中的定日镜姿态图像，用于校正；

S5定日镜姿态识别，定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜姿态图像识别各定日镜当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

S6定日镜姿态解码，各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编码；

S7参数测算，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

S8参数校验，将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。

2.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述S5定日镜姿态识别，定日镜姿态识别模块根据采集到的定日镜图像识别各定日镜当前姿态，包括：

S51图像处理，处理采集到的图像，运用图像归一化算法、中值滤波算法调整图像参数，筛除模糊帧、阴影帧，过滤图像噪声；

S52定日镜分离，运用图像分割算法分割采集图像中的定日镜个体；

S53定日镜姿态分离，根据采集图像中各定日镜在不同姿态下的停留时间间隔，将每面定日镜的不同姿态下的图像分离；

S54定日镜姿态测算，根据已分离的定日镜姿态图像，测算出各定日镜姿态；

S55定日镜姿态序列筛查，通过已分离测算出的每个定日镜姿态数量，初步筛查是否有识别错误；

S56结果输出，将所采集图像中所有姿态序列完整的定日镜的实际姿态序列输出。

3.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述定日镜姿态为定日镜根据镜场控制模块下发的电机转角角度，旋转到指定姿态。

4.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述定日镜姿态为定日镜根据镜场控制模块下发的电机转角角度，旋转到指定姿态；所述定日镜具备x轴和z轴两个电机，用于将任意方向射来的光线反射至光热电站的集热塔上。

5.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述定日镜校正，包括：测算x轴、z轴电机的零位误差，保证所述定日镜按既定姿态序列工作。

6.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述定日镜姿态编码，包括：对既定的定日镜姿态种类进行排列组合形成不同的既定姿态序列，针对排列组合后的每个既定姿态序列，生成与该既定姿态序列一一对应的编码。

7.根据权利要求1所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正方法，其特征在于，所述定日镜校正参数的测算包括：

所述定日镜不同姿态在采集模块采集到的图像中至少包括尺寸变化，和/或角度变化，根据已知的所述定日镜实际结构和部件的相对比例，结合所述定日镜姿态识别模块测算出的姿态参数，进而推算出图像中目标定日镜各姿态的x轴、z轴实际转角角度值Xi、Zi，再与各姿态下理论转角角度Xj、Zj相减，求得各姿态转角误差，将多个姿态的误差结果取平均，得到两个电机的转角零位误差，即校正参数，计算过程如下式所示：

其中，i、j为正整数。

8.一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，其特征在于，所述系统包括，图像采集模块、镜场控制模块、镜场、定日镜姿态编码模块、定日镜姿态解码模块、定日镜姿态识别模块、参数测算模块、参数校验模块；

所述图像采集模块，用于采集镜场中定日镜姿态图像；

所述定日镜姿态识别模块，用于识别图像采集模块采集到的定日镜姿态图像中每面定日镜的当前姿态及对应的时间，进而形成各个定日镜根据时间顺序变化的实际姿态序列；

所述镜场控制模块，用于下发每面所述定日镜的电机转角角度，调整定日镜姿态；

所述镜场，包含若干定日镜，用于反射太阳光；

所述定日镜姿态编码模块，用于根据每个定日镜的既定姿态序列生成编码，对镜场中的定日镜进行逐一编码，使所述定日镜的编码与其既定姿态序列一一对应；

所述定日镜姿态解码模块，用于根据各个定日镜的实际姿态序列，与各个定日镜的既定姿态序列进行比对匹配，进而解码得出图像中每面定日镜的编码；

所述参数测算模块，根据采集到的定日镜图像和图像采集模块的相机标定参数测算定日镜校正参数和定日镜世界坐标；

所述参数校验模块，用于将已测算出的定日镜校正参数和定日镜世界坐标，带入相机成像公式，反算各姿态图像中的几何数据，校验校正参数的精度误差。

9.根据权利要8所述的一种基于定日镜姿态编码解码的镜场校正系统，其特征在于，所述图像采集模块由相机塔、相机、云台、短焦镜头组成。

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