CN114018173B - 一种定日镜面形初始法线室外测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定日镜面形初始法线室外测量系统及方法，包括两轴姿态传感器，所述两轴姿态传感器的数量至少为两台，分别布布置在目标子镜镜面上，用于测量摆放点处两个正交方向的转动分量；根据两轴姿态传感器采集到的数据，计算待测定日镜的初始法线，并保存计算结果。本发明通过在定日镜镜面上布置两轴姿态传感器测量目标子镜的空间姿态，实现了一种高精度、高效、适应性好的定日镜初始法线室外测量系统。

Description

一种定日镜面形初始法线室外测量系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能热发电领域，具体涉及一种定日镜面形初始法线室外测量系统及方法。
背景技术
为了实现反射太阳光汇聚至目标区域的目的，定日镜的面形通常设计为离散抛物凹面，即由不同空间姿态的子镜组成定日镜的反射面。定日镜面形的加工生产是在工厂里完成，可以通过高精度的测量精度保证面形的精度。定日镜的立柱支撑结构是安装在室外的地面上，由于工程施工的特点，使得立柱难以精确地垂直于水平面，从而导致定日镜不再是对称结构，且定日镜面形会受到重力作用而发生形变。定日镜面形形变会导致定日镜的初始法线发生改变，如果按照理论法线计算定日镜转角，则反射的太阳光会偏离目标区域，并且距离越远的定日镜偏差越大，影响定日镜的开通校正周期。
受限于室外环境，难以实现定日镜面形的精确测量。常规的定日镜面形初始法线室外测量方法包括立柱测量法、双目测距法和标定白板法。立柱测量法是直接测量立柱的轴线矢量，通过轴线矢量换算定日镜面形的初始法线。该方法虽然能够比较精确地测量立柱姿态，但是无法测量定日镜面形受重力造成的形变量，获得的定日镜初始法线依然带有一定的误差。双目测距法是利用双目视差原理测量定日镜上各点的三维坐标，通过平面或曲面拟合的方法计算子镜姿态，最终获得定日镜的初始法线。但是双目测距法只能测量部分竖直姿态下的定日镜初始法线，系统布置相对复杂导致测量效率低，且易受环境光影响。标定白板法是在高处架设一块表面具有高漫反射率特性的接收面，通过调整定日镜姿态使得反射的太阳光斑照射在标定白板上，根据太阳光入射矢量、定日镜中心三维坐标和标定白板上太阳光斑中心三维坐标计算该姿态下的定日镜法线，从而计算定日镜面形的初始法线。该方法检测效率低，单块标定白板单次只能进行一台定日镜的测量，且单块标定白板只能够覆盖一定范围内的定日镜，会增加很多的工程成本。该方法对太阳光照强度、定日镜镜面反射率等也具有一定要求。因此，需要实现一种高精度、高效、适应性好的定日镜初始法线室外测量系统。
发明内容
本发明针对定日镜面形精度要求高、现场安装条件复杂等特点，在已知子镜间相对姿态关系的基础上，通过在定日镜镜面上布置两轴姿态传感器测量目标子镜的空间姿态，实现了一种高精度、高效、适应性好的定日镜初始法线室外测量系统。
本发明一种定日镜面形初始法线室外测量系统，至少包括两轴姿态传感器，所述两轴姿态传感器的数量至少为两台，分别布布置在目标子镜镜面上，用于测量摆放点处两个正交方向的转动分量。根据两轴姿态传感器采集到的数据，计算待测定日镜的初始法线，并保存计算结果。
本发明还公开了一种定日镜面形初始法线室外测量方法，包括如下步骤：
(1)将待测定日镜俯仰角和方位角调整为0°，定日镜镜面基本处于水平状态；
(2)在目标子镜上布置两轴姿态传感器，所有两轴姿态传感器的对应转轴相互平行；
(3)待测定日镜稳定后采集两轴传感器的转动分量，两轴姿态传感器将对应子镜的反射法线分解为绕X轴转动分量θx和绕Y轴转动分量θy；
(4)待测定日镜的传动误差模型已知，校正所得的传动误差参数为[φx φy ΔAzΔAt]hnum，其中φx表示定日镜立柱绕X轴转角(单位为度)，φy表示定日镜立柱绕Y轴转角(单位为度)，ΔAz表示定日镜方位角零位偏差(单位为度)，ΔAt表示定日镜俯仰角零位偏差(单位为度)，hnum表示定日镜编号；
(5)单个子镜初始法线可为
其中表示编号为hnum定日镜的第j片子镜初始法线，RotX()表示绕X轴的旋转矩阵，RotY()表示绕Y轴的旋转矩阵，RotZ()表示绕Z轴的旋转矩阵；
(6)待测定日镜初始法线可为
其中表示所有计算所得的子镜初始法线求和，||表示2-范数运算；
(7)保存计算所得的待测定日镜初始法线。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过在基本处于水平状态的定日镜镜面上布置两轴姿态传感器测量目标子镜的空间姿态，能够直接测量定日镜的初始法线，且测量状态更接近定日镜的初始状态，测量结果更准确。
(2)本发明只需要在待测定日镜子镜上布置两轴姿态传感器即可测量定日镜的初始法线，并且可以通过多套测量系统进行并行测量，测量效率高。
(3)本发明基于两轴姿态传感器进行测量，不会受到环境光影响，也不需要工程成本，且与太阳光照强度、定日镜镜面反射率不相关，环境适应性更好。
附图说明
图1为本发明测量系统的示意图；
图2为姿态倾角仪坐标示意图；
图3为姿态传感器转角分量示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种定日镜面形初始法线室外测量系统，至少包括两轴姿态传感器1和计算单元2。两轴姿态传感器1的数量至少为两台，分别布置在目标子镜镜面上，用于测量摆放点处两个正交方向的转动分量。计算单元2用于采集两轴姿态传感器1的数据，然后基于采集数据计算待测定日镜的初始法线，并将计算结果保存在计算单元2中。两轴姿态传感器1以有线或无线的方式与计算单元2连接，并进行数据传输。
实施例2
一种定日镜面形初始法线室外测量方法，包括如下步骤：
(1)将待测定日镜俯仰角和方位角调整为0°，定日镜镜面基本处于水平状态；
(2)在目标子镜上布置两轴姿态传感器，如图2所示，所有两轴姿态传感器的对应转轴相互平行；
(3)待测定日镜稳定后通过计算单元采集两轴传感器转动分量，如图3所示，两轴姿态传感器将对应子镜的反射法线分解为绕X轴转动分量θx和绕Y轴转动分量θy；
(4)待测定日镜的传动误差模型已知，校正所得的传动误差参数为[φx φy ΔAzΔAt]hnum，其中φx表示定日镜立柱绕X轴转角(单位为度)，φy表示定日镜立柱绕Y轴转角(单位为度)，ΔAz表示定日镜方位角零位偏差(单位为度)，ΔAt表示定日镜俯仰角零位偏差(单位为度)，hnum表示定日镜编号；
(5)单个子镜初始法线可为
其中表示编号为hnum定日镜的第j片子镜初始法线，RotX()表示绕X轴的旋转矩阵，RotY()表示绕Y轴的旋转矩阵，RotZ()表示绕Z轴的旋转矩阵；
(6)待测定日镜初始法线可为
其中表示所有计算所得的子镜初始法线求和，||表示2-范数运算；
(7)计算所得的待测定日镜初始法线保存至计算单元。

Claims (1)

1.一种定日镜面形初始法线室外测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将待测定日镜俯仰角和方位角调整为0°，定日镜镜面基本处于水平状态；
(2)在目标子镜上布置两轴姿态传感器，所有两轴姿态传感器的对应转轴相互平行；
(3)待测定日镜稳定后采集两轴传感器的转动分量，两轴姿态传感器将对应子镜的反射法线分解为绕X轴转动分量θx和绕Y轴转动分量θy；
(4)待测定日镜的传动误差模型已知，校正所得的传动误差参数为[φx φy ΔAz ΔAt]hnum，其中φx表示定日镜立柱绕X轴转角，φy表示定日镜立柱绕Y轴转角，ΔAz表示定日镜方位角零位偏差，ΔAt表示定日镜俯仰角零位偏差，hnum表示定日镜编号；
(5)单个子镜初始法线为：
其中表示编号为hnum定日镜的第j片子镜初始法线，RotX()表示绕X轴的旋转矩阵，RotY()表示绕Y轴的旋转矩阵，RotZ()表示绕Z轴的旋转矩阵；
(6)待测定日镜初始法线为：
其中表示所有计算所得的子镜初始法线求和，||表示2-范数运算；
(7)保存计算所得的待测定日镜初始法线。
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