CN115793721A - 太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质 - Google Patents

太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN115793721A CN202310044645.4A CN202310044645A CN115793721A CN 115793721 A CN115793721 A CN 115793721A CN 202310044645 A CN202310044645 A CN 202310044645A CN 115793721 A CN115793721 A CN 115793721A
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Abstract

本发明提供太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质，涉及太阳能追踪技术领域，太阳追踪控制方法包括对太阳跟踪结构建立动力学模型；基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。通过上述方式，本发明的太阳追踪控制方法能够在高空移动条件下在线实时地跟踪太阳位置，鲁棒性强，可实现对太阳光的可靠、准确对准。

Description

太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及太阳能追踪技术领域，尤其涉及太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质。
背景技术
近年来，多结太阳电池技术（砷化镓电池）发展迅速，同时又出现了新型电池（如钙钛矿电池等），其光电转换效率不断提高，为空间航天器和临近空间飞行器提供了新的能源系统解决方案。在设计新的太阳电池能源系统时，需要获得空间和临近空间标准阳光下太阳电池的性能参数，因此需要对太阳电池进行空间和临近空间标定试验。
到目前为止，可以采用太阳辐射模拟器或地面阳光直射的方法对空间太阳电池进行地面条件下的标定。但是在地面对光电池进行标定时，通常采用地面太阳辐射模拟器进行，存在着光匹配度和辐射稳定性问题，与标定所需要的理想条件存在差距，不足以反映太阳电池的真正性能。太阳电池外太空标定问题一直受到航天机构的关注，目前被认为准确可靠的标定主要采用高空标定方法。
目前空间AM0太阳电池标定搭载平台主要有高空气球、人造卫星、航天飞机和高空飞机等多种方式。在标定过程中，需要太阳跟踪控制系统实现对太阳的运动位置的实时跟踪。
不同于传统的地面固定位置太阳跟踪系统，搭载于航空（高空气球等）和航天飞行器的太阳跟踪系统要求在平台运动过程中，仍要求保持高精度持续稳定的跟踪。然而，平台运动和不同风向将导致太阳电池板朝向不定，跟踪控制系统受到的外部扰动较大，这导致了跟踪结果不够准确。
发明内容
本发明提供太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质，用以解决现有技术中跟踪控制系统受外部影响较大，导致太阳跟踪不准确的缺陷。
本发明提供一种太阳追踪控制方法，包括：对太阳跟踪结构建立动力学模型；基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。
根据本发明提供的一种太阳追踪控制方法，对太阳跟踪结构建立动力学模型，包括：分别建立步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型；基于步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型建立负载模型；以标定装置的标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度为控制目标，确定对应负载模型的滑模控制器；其中滑模控制器包括误差向量、滑模运动微分方程和模态切换平面；基于负载模型和滑模控制器得到动力学模型。
根据本发明提供的一种太阳追踪控制方法，基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内，包括：根据经纬度、日期、时间、太阳高度角和太阳方位角确定动力学模型的初始位置；将动力学模型的初始位置与当前标定装置的姿态数据作对比，并根据对比结果得到标定板的初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度；其中，姿态数据由标定装置上的电子罗盘实时测量得出；基于初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度，控制标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内。
根据本发明提供的一种太阳追踪控制方法，光电传感器包括太阳敏感器，根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置，包括：当标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域时，太阳光进入标定装置的太阳敏感器的感测范围内；根据太阳敏感器的输出电压值，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的太阳入射角和太阳方位角；基于太阳入射角和太阳方位角，以及标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度。
根据本发明提供的一种太阳追踪控制方法，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度之后，包括：根据太阳敏感器输出的四象限电压，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置；基于入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置，对标定板进行微调，以使太阳入射角满足预设角度。
本发明还提供一种太阳追踪控制装置，包括：模型建立模块，用于对太阳跟踪结构建立动力学模型；预估区域确定模块，用于基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取模块，用于获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；目标位置确定模块，用于根据光电传感器所采集到的光电传感数据和所述坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。
本发明还提供一种标定装置，包括上述的太阳追踪控制装置、太阳跟踪结构、电子罗盘、光电传感器和标定板；太阳跟踪结构包括电机驱动器和步进电机；其中光电传感器、电子罗盘和电机驱动器分别与太阳追踪控制装置实现通信连接；电机驱动器与步进电机实现电连接，步进电机与标定板实现机械连接；标定板分别与电子罗盘和光电传感器实现机械连接。
根据本发明提供的一种标定装置，电机驱动器包括方位电机驱动器和俯仰电机驱动器；步进电机包括方位步进电机和俯仰步进电机；标定装置还包括第一减速机构和第二减速机构；其中，方位步进电机与方位电机驱动器实现电连接，方位步进电机与第一减速机构实现机械连接；俯仰步进电机与俯仰电机驱动器实现电连接，俯仰步进电机与第二减速机构实现机械连接；方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别与太阳追踪控制装置实现通信连接；方位步进电机通过第一减速机构与标定板实现机械连接；俯仰步进电机通过第二减速机构与标定板实现机械连接。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述任一种太阳追踪控制方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种太阳追踪控制方法。
本发明提供的太阳追踪控制方法、装置、标定装置、设备及存储介质，通过标定装置的太阳跟踪结构建立动力学模型；基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。通过上述方式，本发明的太阳追踪控制方法建立太阳跟踪结构的动力学模型，能够在高空移动条件下在线实时地跟踪太阳位置，鲁棒性强，可实现对太阳光的可靠、准确对准。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明太阳追踪控制方法一实施例的流程示意图；
图2是本发明坐标换算关系一实施例的示意图；
图3是本发明太阳追踪控制装置一实施例的结构示意图；
图4是本发明标定装置一实施例的结构示意图；
图5是本发明电子设备一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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做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。
本发明提供一种太阳追踪控制方法，请参阅图1，图1是本发明太阳追踪控制方法一实施例的流程示意图。在本实施例中，太阳追踪控制方法包括步骤S110~S140，各步骤具体如下：
S110：对太阳跟踪结构建立动力学模型。
其中，标定装置包括太阳跟踪结构和标定板；太阳跟踪结构用于控制标定板的位置。进一步地，太阳跟踪结构包括电机驱动器和步进电机。
可选地，本实施例的标定装置可以为太阳电池标定装置；标定板可以是太阳电池板。
在一些实施例中，对太阳跟踪结构建立动力学模型，包括：
分别建立步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型；基于步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型建立负载模型；以标定装置的标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度为控制目标，确定对应负载模型的滑模控制器；其中滑模控制器包括误差向量、滑模运动微分方程和模态切换平面；基于负载模型和滑模控制器得到动力学模型。
具体地，建立步进电机驱动器模型如下：
Figure SMS_1
；
Figure SMS_2
；
其中，
Figure SMS_3
和
Figure SMS_4
分别为二相绕组的相电流；
Figure SMS_5
为驱动器工作电流；N为细分数；F为预设角度所需脉冲步数。
建立二相混合步进电机模型如下：
Figure SMS_6
；
其中，Jm为电机转动惯量；
Figure SMS_7
和
Figure SMS_8
分别为二相绕组的相电流；Km为反电势系数；P为转子齿数；TL为负载转矩；即电机输出转矩；Be为电机轴的等效粘滞摩擦系数；
Figure SMS_9
为旋转角度；
Figure SMS_10
和
Figure SMS_11
分别表示对
Figure SMS_12
进行一次微分和二次微分。
此外，还需要说明的是，步进电机包括方位步进电机和俯仰步进电机，相应地由两个驱动器分别进行驱动。但是电机驱动器模型和二相混合步进电机模型可以是相同的。
建立负载模型如下：
电机输出转矩TL：
Figure SMS_13
；
Figure SMS_14
为蜗杆转动惯量；
Figure SMS_15
为蜗杆输出转矩；
Figure SMS_16
；
Figure SMS_17
；
Figure SMS_18
为传动效率；
Figure SMS_19
为传动比；
Figure SMS_20
为蜗轮转动惯量；
Figure SMS_21
为转轴转动惯量；
Figure SMS_22
为联轴器转动惯量。
Figure SMS_23
为标定板的转动角度。
综合上述各模型，得到整个的模型，状态量分别表示如下：
Figure SMS_24
；
Figure SMS_25
；
Figure SMS_26
；
状态空间描述为:
Figure SMS_27
；
Figure SMS_28
；
其中，
Figure SMS_29
；
Figure SMS_30
；
Figure SMS_31
；
此外，建立的标定装置的太阳跟踪结构的模型还可以包括传动系统模型和联轴器模型等等。
以标定装置的标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度为控制目标，确定对应负载模型的滑模控制器，具体地：
设计误差向量为：
Figure SMS_32
；
Figure SMS_33
为期望转动角度，
Figure SMS_34
为系统输出角度。
则滑模运动微分方程为：
Figure SMS_35
；
模态切换平面：
Figure SMS_36
；
令
Figure SMS_37
，即：
Figure SMS_38
；
其中
Figure SMS_39
是误差向量元素。
Figure SMS_40
、
Figure SMS_41
是常数。
根据上述方程，再根据
Figure SMS_42
的表达式，可以得到滑模等价控制律。
S120：基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内。
S130：获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系。
S140：根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。
本实施例中将太阳追踪控制方法分为三个阶段，即视日运动轨迹搜寻、光电传感器对准、持续动态跟踪三个阶段。
在视日运动轨迹搜寻阶段，标定装置通过比较当前电子罗盘测得的姿态与计算所得的太阳位置，驱动标定板快速搜寻到太阳位置的预估区域。
在光电传感器对准阶段，标定装置根据采集的太阳敏感器输出电压值，计算入射太阳光在光电传感器坐标系中的入射角和方位角，然后通过坐标变换得出标定装置方位轴和俯仰轴所需转动角度，从而调整标定板精准对准太阳。
在持续动态跟踪阶段，标定装置根据入射光在光电传感器坐标系中的象限位置，慢速微调标定板以持续跟踪太阳，当太阳入射角满足一定阈值时，控制步进电机停止转动，等待再次启动。
空间太阳电池标定时，无论在何种搭载平台进行标定，太阳光照射方向垂直于标定对象电池的表面是最基本的要求，即要保证太阳光线直射于电池标定板。本实施例采用的双轴式跟踪机构，在高度角和方位角方向上都能跟踪太阳。双轴跟踪中地平坐标系式跟踪又最为常用。即太阳光照接收板的方位轴与地平面垂直，俯仰轴则与方位轴垂直；这种方式跟踪精度高，机构设计简单。
视日轨迹式跟踪：由于太阳运行规律是确定的，可以根据系统位置和时间计算当地太阳位置，进行视日轨迹跟踪。此种跟踪方式不需光传感器，而且结构简单、不易受天气情况影响。但是这种跟踪系统对安装精度要求较高，安装误差及位置、时间计算误差直接影响系统的跟踪精度，并不适用于移动平台上的太阳位置跟踪。
光电式跟踪：光电式跟踪根据光敏器件的光照特性，检测太阳光线与光传感器的位置夹角，控制机构动作，对太阳位置进行跟踪。光电式太阳跟踪属于闭环式控制，对安装位置没有要求，适用于地面固定跟踪和搭载移动平台的跟踪，但是光传感器性能对跟踪系统的影响较大，光传感器的选型设计尤为重要。
因此本实施例的太阳追踪方法是综合利用了视日轨迹式跟踪和光电式跟踪的优点，先通过视日轨迹式跟踪确定太阳位置的预估区域，再根据光电式跟踪实现太阳位置的精确定位。
在一些实施例中，基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内，包括：
根据经纬度、日期、时间、太阳高度角和太阳方位角确定动力学模型的初始位置；将动力学模型的初始位置与当前标定装置的姿态数据作对比，并根据对比结果得到标定板的初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度；其中，姿态数据由标定装置上的电子罗盘实时测量得出；基于初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度，控制标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内。
在一些实施例中，光电传感器包括太阳敏感器，根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整所述标定板到达预估区域内的目标位置，包括：
当标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域时，太阳光进入标定装置的太阳敏感器的感测范围内；根据太阳敏感器的输出电压值，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的太阳入射角和太阳方位角；基于太阳入射角和太阳方位角，以及标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度。
可选地，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度之后，包括：根据太阳敏感器输出的四象限电压，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置；基于入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置，对标定板进行微调，以使太阳入射角满足预设角度。
本实施例提供一种太阳追踪控制方法，通过标定装置的太阳跟踪结构建立动力学模型；基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。通过上述方式，本实施例的太阳追踪控制方法建立太阳跟踪结构的动力学模型，能够在高空移动条件下在线实时地跟踪太阳位置，鲁棒性强，可实现对太阳光的可靠、准确对准。
在一些实施例中，根据太阳高度角和方位角，再对比电子罗盘的读数，得到方位轴和俯仰轴的转动角度：
太阳方位角
Figure SMS_43
与太阳高度角
Figure SMS_44
的计算公式如下：
Figure SMS_45
；
太阳方位角计算公式中加180°的作用是将其零点从正南变换到正北，便于与电子罗盘偏航角读数比较。其中，
Figure SMS_46
为系统所在地的纬度，
Figure SMS_47
为赤纬角，
Figure SMS_48
为时角，单位均为度。赤纬角和时角分别由下式给出：
Figure SMS_49
；
其中，n为系统当前日期距离1月1日的天数，T为真太阳时。真太阳时的计算公式为：
Figure SMS_50
；
其中，
Figure SMS_51
为系统当前的北京时间，“+”适用于西半球，“-”适用于东半球，
Figure SMS_52
为系统所在地的经度，E为真太阳时的时差。
请参阅图2，图2是本发明坐标换算关系一实施例的示意图。换算到标定板法线的俯仰角时还需加上90°；电子罗盘偏航角读数即是标定板法线的方位角，以正北为零，顺时针为正。标定板的法线矢量
Figure SMS_53
与电子罗盘读数俯仰角Pitch和偏航角Heading之间的关系为：
Figure SMS_54
；
因此，标定装置方位轴和俯仰轴所需转动角度H、P分别为：
Figure SMS_55
；
在视日运动轨迹搜寻阶段，根据上述的方位轴和俯仰轴角度，可找到太阳光方向，并使其进入太阳敏感器感测范围内。
在一些实施例中，根据太阳敏感器的转换角度值，再根据标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系，得到方位轴转动角度和俯仰轴转动角度：
模拟太阳敏感器的四个电压值U1～U4计算太阳入射角λ和方位角ξ的计算公式为：
Figure SMS_56
；
Figure SMS_57
；
其中，B为通光孔径大小；A为感光面到通光孔径的垂直高度。
标定装置的本体坐标系为图2中的o-xyz坐标系，z轴沿方位主轴向上，x轴与y轴在水平面内分别垂直和平行于标定装置俯仰轴。光电传感器（例如太阳敏感器等）贴附安装在标定板表面，光电传感器坐标系也是标定板的坐标系，即图2中O-XYZ坐标系，Z轴沿标定板法线向上，X轴和Y轴在标定板平面内分别垂直于其相邻两边。入射太阳光方向矢量为
Figure SMS_58
，入射角λ为
Figure SMS_59
与Z轴的夹角，方位角θ为
Figure SMS_60
在XOY平面上的投影与X轴的夹角。α为标定板的俯仰角。
由于太阳光在空间中平行照射到标定装置，因此可以不考虑坐标系平移对入射光方向矢量的影响，只需考虑坐标系旋转，由O-XYZ坐标系顺时针旋转α角到o-xyz坐标系的旋转变换矩阵
Figure SMS_61
为：
Figure SMS_62
；
入射太阳光在光电传感器坐标系（O-XYZ坐标系）中的方向矢量
Figure SMS_63
为：
Figure SMS_64
；
变换到标定装置的本体坐标系（o-xyz坐标系）中的法向矢量
Figure SMS_65
为：
Figure SMS_66
；
Figure SMS_67
；
则标定装置方位轴和俯仰轴所需转动角度分别为：
Figure SMS_68
；
该角度可以作为光电跟踪阶段各轴的转动角度。
下面对本发明提供的太阳追踪控制装置进行描述，下文描述的太阳追踪控制装置与上文描述的太阳追踪控制方法可相互对应参照。
请参阅图3，图3是本发明太阳追踪控制装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，本发明太阳追踪控制装置包括：
模型建立模块310，用于对太阳跟踪结构建立动力学模型；其中，标定装置包括太阳跟踪结构和标定板；太阳跟踪结构用于控制标定板的位置。
预估区域确定模块320，用于基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内。
获取模块330，用于获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系。
目标位置确定模块340，用于据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。
在一些实施例中，模型建立模块310用于：
分别建立步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型；基于步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型建立负载模型；以标定装置的标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度为控制目标，确定对应负载模型的滑模控制器；其中滑模控制器包括误差向量、滑模运动微分方程和模态切换平面；基于负载模型和滑模控制器得到动力学模型。
在一些实施例中，预估区域确定模块320用于：
根据经纬度、日期、时间、太阳高度角和太阳方位角确定动力学模型的初始位置；将动力学模型的初始位置与当前标定装置的姿态数据作对比，并根据对比结果得到标定板的初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度；其中，姿态数据由标定装置上的电子罗盘实时测量得出；基于初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度，控制标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内。
在一些实施例中，光电传感器包括太阳敏感器，目标位置确定模块340用于：
当标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域时，太阳光进入标定装置的太阳敏感器的感测范围内；根据太阳敏感器的输出电压值，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的太阳入射角和太阳方位角；基于太阳入射角和太阳方位角，以及标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度。
在一些实施例中，目标位置确定模块340用于：
根据太阳敏感器输出的四象限电压，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置；基于入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置，对标定板进行微调，以使太阳入射角满足预设角度。
本发明还提供一种标定装置，请参阅图4，图4是本发明标定装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，标定装置可以包括上述的太阳追踪控制装置、太阳跟踪结构、电子罗盘、光电传感器和标定板；太阳跟踪结构包括电机驱动器和步进电机。
其中光电传感器、电子罗盘和电机驱动器分别与太阳追踪控制装置实现通信连接；电机驱动器与步进电机实现电连接，步进电机与标定板实现机械连接；标定板分别与电子罗盘和光电传感器实现机械连接。可选地，光电传感器可以为太阳敏感器。
在一些实施例中，电机驱动器包括方位电机驱动器和俯仰电机驱动器；步进电机包括方位步进电机和俯仰步进电机；标定装置还包括第一减速机构和第二减速机构。
其中，方位步进电机与方位电机驱动器实现电连接，方位步进电机与第一减速机构实现机械连接；俯仰步进电机与俯仰电机驱动器实现电连接，俯仰步进电机与第二减速机构实现机械连接；方位电机驱动器和俯仰电机驱动器分别与太阳追踪控制装置实现通信连接；方位步进电机通过第一减速机构与标定板实现机械连接；俯仰步进电机通过第二减速机构与标定板实现机械连接。
本发明还提供一种电子设备，请参阅图5，图5是本发明电子设备一实施例的结构示意图。在本实施例中，电子设备可以包括存储器(memory)520、处理器(processor)510及存储在存储器520上并可在处理器510上运行的计算机程序。处理器510执行程序时实现上述各方法所提供的太阳追踪控制方法。
可选地，电子设备还可以包括通信总线530和通信接口(CommunicationsInterface)540，其中，处理器510，通信接口540，存储器520通过通信总线530完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器520中的逻辑指令，以执行太阳追踪控制方法，该方法包括：
对太阳跟踪结构建立动力学模型；基于动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达太阳位置的预估区域内；获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；根据光电传感器所采集到的光电传感数据和坐标转换关系，确定标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整标定板到达预估区域内的目标位置。
此外，上述的存储器520中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-OnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的太阳追踪控制方法，其步骤和原理在上述方法已详细介绍，在此不再赘述。
综上，本发明是为了解决在实际使用条件下，如何进行标定装置的太阳跟踪模型建立以及跟踪控制方法的设计。一般跟踪方法未考虑标定系统的动力学过程，控制过程简单，无法实现太阳跟踪角度的精确控制。本发明对太阳跟踪结构进行动力学模型建立，在模型建立基础上，设计了滑模控制控制方法，包括误差向量设计、滑模运动微分方程建立、模态切换平面的选择和滑模等价控制律的设计。最后针对跟踪系统视日运动阶段和光电跟踪阶段方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，给定了角度计算方法。具体内容包括太阳角度计算、太阳敏感器角度转换计算以及标定本体及标定板坐标系的变换。通过这样的方式，本发明能够在高空移动条件下在线实时地跟踪太阳位置，确保阳光直射所标定的太阳电池。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：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 (10)

1.一种太阳追踪控制方法，其特征在于，包括：
对太阳跟踪结构建立动力学模型；
基于所述动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整标定装置的标定板到达所述太阳位置的预估区域内；
获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；
根据光电传感器所采集到的光电传感数据和所述坐标转换关系，确定所述标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整所述标定板到达所述预估区域内的目标位置。
2.根据权利要求1所述的太阳追踪控制方法，其特征在于，所述对太阳跟踪结构建立动力学模型，包括：
分别建立步进电机驱动器模型和二相混合步进电机模型；
基于所述步进电机驱动器模型和所述二相混合步进电机模型建立负载模型；
以所述标定装置的标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度为控制目标，确定对应所述负载模型的滑模控制器；其中所述滑模控制器包括误差向量、滑模运动微分方程和模态切换平面；
基于所述负载模型和所述滑模控制器得到所述动力学模型。
3.根据权利要求1所述的太阳追踪控制方法，其特征在于，所述基于所述动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整所述标定装置的标定板到达所述太阳位置的预估区域内，包括：
根据经纬度、日期、时间、太阳高度角和太阳方位角确定所述动力学模型的初始位置；
将所述动力学模型的初始位置与所述当前标定装置的姿态数据作对比，并根据对比结果得到所述标定板的初始方位轴转动角度和初始俯仰轴转动角度；其中，所述姿态数据由所述标定装置上的电子罗盘实时测量得出；
基于所述初始方位轴转动角度和所述初始俯仰轴转动角度，控制所述标定装置的标定板到达所述太阳位置的预估区域内。
4.根据权利要求1所述的太阳追踪控制方法，其特征在于，光电传感器包括太阳敏感器，所述根据光电传感器所采集到的光电传感数据和所述坐标转换关系，确定所述标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整所述标定板到达所述预估区域内的目标位置，包括：
当所述标定装置的标定板到达所述太阳位置的预估区域时，太阳光进入所述标定装置的太阳敏感器的感测范围内；
根据太阳敏感器的输出电压值，确定入射太阳光在所述光电传感器坐标系中的太阳入射角和太阳方位角；
基于所述太阳入射角和所述太阳方位角，以及所述标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的关系，确定所述标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度。
5.根据权利要求4所述的太阳追踪控制方法，其特征在于，所述确定所述标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度之后，包括：
根据太阳敏感器输出的四象限电压，确定入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置；
基于所述入射太阳光在光电传感器坐标系中的象限位置，对所述标定板进行微调，以使所述太阳入射角满足预设角度。
6.一种太阳追踪控制装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于对太阳跟踪结构建立动力学模型；
预估区域确定模块，用于基于所述动力学模型和当前标定装置的姿态数据确定太阳位置的预估区域，调整所述标定装置的标定板到达所述太阳位置的预估区域内；
获取模块，用于获取标定装置的本体坐标系和光电传感器的坐标系之间的坐标转换关系；
目标位置确定模块，用于根据光电传感器所采集到的光电传感数据和所述坐标转换关系，确定所述标定板的方位轴转动角度和俯仰轴转动角度，以供调整所述标定板到达所述预估区域内的目标位置。
7.一种标定装置，其特征在于，包括如权利要求6所述的太阳追踪控制装置、太阳跟踪结构、电子罗盘、光电传感器和标定板；所述太阳跟踪结构包括电机驱动器和步进电机；
其中所述光电传感器、所述电子罗盘和所述电机驱动器分别与所述太阳追踪控制装置实现通信连接；所述电机驱动器与所述步进电机实现电连接，所述步进电机与所述标定板实现机械连接；所述标定板分别与所述电子罗盘和所述光电传感器实现机械连接。
8.根据权利要求7所述的标定装置，其特征在于，所述电机驱动器包括方位电机驱动器和俯仰电机驱动器；所述步进电机包括方位步进电机和俯仰步进电机；所述标定装置还包括第一减速机构和第二减速机构；
其中，所述方位步进电机与所述方位电机驱动器实现电连接；所述方位步进电机与所述第一减速机构实现机械连接；所述俯仰步进电机与所述俯仰电机驱动器实现电连接；所述俯仰步进电机与所述第二减速机构实现机械连接；所述方位电机驱动器和所述俯仰电机驱动器分别与所述太阳追踪控制装置实现通信连接；
所述方位步进电机通过所述第一减速机构与所述标定板实现机械连接；所述俯仰步进电机通过所述第二减速机构与所述标定板实现机械连接。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述太阳追踪控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述太阳追踪控制方法。
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