CN116225078A - 一种定日镜的视觉跟踪装置及跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光热发电技术领域，具体公开了一种定日镜的视觉跟踪装置及跟踪方法，包括感知模块、计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块；所述感知模块与定日镜镜面紧密相连，用于感知标志物；所述计算模块在感知模块感知标志物后，对标志物进行信息处理，以实现定日镜的闭环感知；所述核心模块对计算模块的处理数据进行决策，发送相关命令，以让定日镜执行认为必要的动作；所述通讯模块接收上位机发送的任务指令、发送上位机需要的状态信息。本发明装置与镜面紧密相连，通过实时感知太阳的实际位置来实现定日镜姿态的实时控制；有效解决了定日镜跟踪过程中，无法感知和实时修正定日镜姿态的问题，实现了实时高效的定日镜光路闭环控制。

Description

一种定日镜的视觉跟踪装置及跟踪方法

技术领域

本发明属于光热发电技术领域，具体公开了一种定日镜的视觉跟踪装置及跟踪方法。

背景技术

作为塔式太阳能光热发电站的核心部件，定日镜的功能是将照射至其表面的太阳光反射至目标吸热器区域。由于太阳随时间不断改变位置，所以定日镜需要拥有足够的控制精度才能保证反射光的指向精度满足设计要求，即经定日镜反射的太阳光能够持续地、准确地照射至目标吸热器区域，从而保证吸热器区域太阳光能量的汇聚效率和太阳能光热发电站的工作效率。

现有的定日镜跟踪装置通常包含两个旋转轴，以将太阳光转向固定的焦点上。一般来说，定日镜的转动方式一种为方位角/高度角方案，利用该方案，镜子围绕与地表面垂直的轴线旋转方位角，然后，围绕与地面平行的俯仰轴线旋转高度角，获得定日镜法线与方位角/高度角相关的函数，以实现定日镜的跟踪；另一种为俯仰角/滚转角方案，镜子围绕平行于地面的固定轴旋转，然后围绕垂直于地面的旋转轴旋转，获得定日镜法线与俯仰角/滚转角相关的函数，以实现定日镜的跟踪。

然而，在实际的安装过程中，已知定日镜的旋转轴安装角度和定日镜的位置一般不足以精确地把光反射到目标吸热器区域。于是需要外部的传感器和设备，通过外部的标定设备来实现对定日镜位置和旋转角度的精确估计。

对于标定，目前已经开发了技术和传感器，其涉及安装传感器、摄像机或人工视觉装置或现场的其它装置或安装有反射器的太阳能场本身或者操作员移动到所述太阳能场以检查系统的部件，包括镜子等。在现有技术中已知以下验证和/或控制手段：

通过在目标吸热器附近固定摄像机或其他人工视觉设备，能够采集定日镜的反射光，基于期望的位置和测量的位置之间的差异来确定偏差后完成标定。该方法有以下缺点：①增加了外部设备或第三方标定平台，增加了额外的误差，对定日镜的姿态描述不完全准确；②标定时间太长，需要采集大量的数据和定日镜的反射光线；③对于定日镜和外部设备的交互性要求高；④标定后，易受环境干扰(地基沉降、风的扰动等)，导致标定参数不稳定。

通过直接安装在定日镜上的几何精度的系统(如摄影测量、偏转测量等)，采集定日镜的实际角度，获得计算期望的位置和测量的位置之间的差异来完成标定。该方法有以下缺点：①上述测量系统为二次安装，为了安装准确，需要一个精心安装、校准、安装和调试的过程，增加了新的误差、以及额外的成本；②定日镜的两旋转轴并非完全正交，简单的偏转测量，并不能完全描述定日镜的法线；③此方法仅适用于刚性强、两轴旋转的定日镜，对于柔性，非双轴旋转定日镜则无法适用，无法实现后续定日镜的经济型优化问题。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种视觉跟踪装置，其能够自身感知定日镜光轴法线，无需借助额外的设备来进行标定；该装置集成到定日镜本身中，在定日镜本身的制造期间完成集成，减少二次安装的成本；能够适应多种转动方式、多种结构形态的定日镜。

本发明装置与镜面紧密相连，通过实时感知太阳的实际位置来实现定日镜姿态的实时控制；有效解决了定日镜跟踪过程中，无法感知和实时修正定日镜姿态的问题，实现了一种高精度、高效率的、实时的定日镜光路闭环控制。

具体地，本发明所述一种定日镜的视觉跟踪装置，包括感知模块、计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块；

所述感知模块与定日镜镜面紧密相连，包括光学镜头传感器和外壳支撑架，用于感知标志物；

所述计算模块在感知模块感知标志物后，对标志物进行信息处理，以实现定日镜的闭环感知；

所述核心模块对计算模块的处理数据进行决策，发送相关命令给感知模块、运动模块、供电模块、通讯模块，以让定日镜执行认为必要的动作；

所述通讯模块接收上位机发送的任务指令、发送上位机需要的状态信息。

进一步地，所述定日镜镜面上开有孔，所述外壳支撑架贴于定日镜背面，光学镜头传感器从孔中穿出，略高于定日镜镜面，保证感知模块的光轴与镜面光轴平行。

进一步地，所述外壳支撑架8贴于定日镜背面，光学镜头传感器从边缘固定，略高于定日镜镜面，保证感知模块的光轴与镜面光轴平行。

进一步地，所述光学镜头传感器与计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块集成在同一电路板上，且放置在所述外壳支撑架中。

进一步地，所述感知模块、计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块分别集成在不同的电路板上，且安装在定日镜的不同位置。

对于安装有本发明视觉跟踪装置的定日镜，本发明提出了一种定日镜的视觉跟踪方法，其流程如下：

(1)感知模块采集当前时刻的标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(2)计算模块分析标志物图像信息数据，计算运动模块需要执行的动作；

(3)核心模块将计算模块计算的数据传递给运动模块；

(4)运动模块根据收到的数据，执行相关的运动操作，通过通讯模块与其他设备(如上位机等)进行数据交互；

(5)运动模块运动完成后，感知模块再次采集标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(6)计算模块再次分析标志物图像信息数据，判断运动模块是否执行到位；

(7)重复步骤(2)～(6)。

本发明的有益效果：

(1)本发明视觉跟踪装置集成在定日镜上，随定日镜产品本身一起提供，与定日镜法线光轴紧密贴合，无需额外的外部设备进行标定，安装精确、成本可控。

(2)本发明视觉控制装置能够直接感知太阳光位置，根据太阳的像素点在视觉传感器中的位置，推算定日镜的实际姿态，做到闭环感知。能够自主感知定日镜的当前姿态、感知周围的环境如温度、云量等，实现定日镜的自主运行，无需外部设备如上位机等发送相关的指令，有效降低了上位机系统的复杂性、稳定性和实时性，从而保障了整个镜场定日镜执行相关操作的稳定性和正确性。

(3)本发明视觉控制装置能够感知定日镜自身在周围复杂环境工况中的自身变化，并自主采取一定的手段来修复这一干扰，不再需要一个可描述的数学函数来表示。因此，对于定日镜的转动方式，只需保证镜面的姿态正确，无需考虑从哪种转动方式达到这种姿态，对于定日镜的结构，由于自主抗干扰能力强，在结构刚性上，不再有严苛的要求。

附图说明

图1为本发明视觉跟踪装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述感知模块的优选安装方式一；

图3为本发明实施例所述感知模块的优选安装方式二；

图4为本发明实施例所述视觉跟踪装置的模块安装示意图一；

图5为本发明实施例所述视觉跟踪装置的模块安装示意图二；

图6为安装视觉跟踪装置应用于双轴转动型定日镜的示意图；

图7为安装视觉跟踪装置应用于非正交线性驱动型定日镜的示意图。

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，一种视觉跟踪装置，所述视觉跟踪装置111包括感知模块1、计算模块2、运动模块3、供电系统4、核心模块5和通讯模块6。

所述感知模块1与定日镜镜面9紧密相连，由光学镜头传感器7和外壳支撑架8组成，用于感知太阳、云、吸热器等标志物。

所述计算模块2在感知模块1感知标志物后，对标志物进行识别、数据分析、预测等信息处理的工作，以实现定日镜的闭环感知。

所述运动模块3包括转动机构和电机，用于控制定日镜的运动。

所述供电模块4包括光伏板、蓄电池和电源管理设备，用于给各模块供电。

所述核心模块5包括管理部件和存储部件，用于对计算模块2的处理数据进行决策，发送相关命令给感知模块1、运动模块3、供电模块4、通讯模块6，以让定日镜执行认为必要的动作。

所述通讯模块2用于接收上位机发送的任务指令、发送上位机需要的状态信息。

本发明还提供了一种视觉跟踪装置的安装方法，其核心为感知模块1与定日镜镜面紧密相连，如本发明所提出的，定日镜的所有安装、组装、调试和操作活动都被简化，这是因为所有技术复杂性都已经包括在定日镜镜面本身中，即在制造时，在将镜子安装到反射器中之前将其集成在一起。本发明以举例的方式给出几种优选的安装方式，且并不限于附图中图形，主要为：

如图2所示，定日镜镜面9开了一个孔，感知模块1的外壳支撑架8贴于定日镜背面，感知模块1的光学镜头传感器7从孔中穿出，略高于镜面，保证感知模块1的光轴与镜面光轴平行。

如图3所示，感知模块1的外壳支撑架8贴于定日镜背面，感知模块1的光学镜头传感器7从边缘固定，略高于镜面，保证感知模块1的光轴与镜面光轴平行。

如图4所示，光学镜头传感器7与计算模块2、运动模块3、供电系统4、核心模块5和通讯模块6集成在同一电路板10上，所述电路板10放置在所述的感知模块的外壳支撑架8中。

如图5所示，感知模块1、计算模块2、运动模块3、供电系统4、核心模块5和通讯模块6分别集成在不同的电路板上，且安装在定日镜的不同位置，方便设备的更换。

实施例2

对于安装有本发明视觉跟踪装置的定日镜，本发明提出了一种定日镜的视觉跟踪方法，其流程如下：

(1)感知模块1采集当前时刻的标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(2)计算模块2分析标志物图像信息数据，计算运动模块3需要执行的动作；

(3)核心模块5将计算模块2计算的数据传递给运动模块3；

(4)运动模块3根据收到的数据，执行相关的运动操作，通过通讯模块6与其他设备(如上位机等)进行数据交互；

(5)运动模块3运动完成后，感知模块1再次采集标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(6)计算模块2再次分析标志物图像信息数据，判断运动模块3是否执行到位；

(7)重复步骤(2)～(6)。

实施例3

对图6类型的双轴转动型定日镜，利用视觉跟踪装置111，其跟踪方法如下：

(1)感知模块采集标志物图像，识别出标志物图像中心坐标

其中u表示标志物中心图像行坐标，v表示标志物中心图像列坐标，hnum表示定日镜编号，t表示采集时间；

(2)计算模块分析标志物图像信息数据，如采集了t时刻与t+1时刻的图像中心坐标

与/>

计算标志物中心的图像坐标偏差：

(3)计算模块计算运动模块需要执行的动作，即双轴执行机构需要转动的角度11：

式中：

和/>

表示定日镜转角偏差值，h表示光学镜头传感器7行数，w表示光学镜头传感器7列数，f表示光学镜头传感器7的焦距；

(4)核心模块将计算模块计算的数据

与/>

传递给运动模块；/>

(5)运动模块根据收到的数据，两轴分别转动角度

与/>

转动时通过通讯模块将实时数据传递给上位机，供检测使用；

(6)运动模块运动完成后，感知模块再次采集标志物图像中心坐标

与

并计算标志物中心的图像坐标偏差/>

与/>

(7)计算模块再次分析标志物中心的图像坐标偏差

与/>

当判断

与/>

的值都趋近于0时，运动模块执行到位；

(8)在定日镜跟踪阶段，始终重复步骤(2)～(7)。

实施例4

对图7类型的非正交线性驱动型定日镜，利用视觉跟踪装置111，其跟踪方法如下：

(1)感知模块采集标志物图像，识别出标志物图像中心坐标

(2)计算模块分析标志物图像信息数据，如采集了t时刻与t+1时刻的图像中心坐标

与/>

计算标志物中心的图像坐标偏差：

(3)计算模块计算运动模块需要执行的动作，即线性驱动装置需要移动的长度12：

式中：

和/>

表示线性驱动装置长度偏差值，函数H和G表示线性驱动装置长度与标志物中心的图像坐标偏差构成的相关的函数，该函数可以为传统的PID控制算法；

(4)核心模块将计算模块计算的数据

和/>

传递给运动模块；

(5)运动模块根据收到的数据，线性驱动装置推动相关长度数据

和

运动时通过通讯模块将实时数据传递给上位机，供检测使用；

(6)运动模块运动完成后，感知模块再次采集标志物图像中心坐标

与

并计算标志物中心的图像坐标偏差/>

与/>

(7)计算模块再次分析标志物中心的图像坐标偏差

与/>

当判断

与/>

的值都趋近于0时，运动模块执行到位；

(8)在定日镜跟踪阶段，始终重复步骤(2)～(7)。

根据上述的双轴正交跟踪方法和非正交柔性线性驱动跟踪方法可知，利用本发明所述的视觉跟踪装置，可以做到定日镜的跟踪只与感知模块的图像信息相关，与定日镜采用何种驱动装置，采用何种结构形式并无关联，简化了定日镜的跟踪难度，为定日镜的多样化，低成本化提供了一条便捷的路线。

Claims (6)

1.一种定日镜的视觉跟踪装置，其特征在于：包括感知模块(1)、计算模块(2)、运动模块(3)、供电系统(4)、核心模块(5)和通讯模块(6)；

所述感知模块与定日镜镜面紧密相连，包括光学镜头传感器(7)和外壳支撑架(8)，用于感知标志物；

所述计算模块在感知模块感知标志物后，对标志物进行信息处理，以实现定日镜的闭环感知；

所述核心模块对计算模块的处理数据进行决策，发送相关命令给感知模块、运动模块、供电模块、通讯模块，以让定日镜执行认为必要的动作；

所述通讯模块接收上位机发送的任务指令、发送上位机需要的状态信息。

2.根据权利要求1所述的视觉跟踪装置，其特征在于：所述定日镜镜面上开有孔，所述外壳支撑架贴于定日镜背面，光学镜头传感器从孔中穿出，略高于定日镜镜面，保证感知模块的光轴与镜面光轴平行。

3.根据权利要求1所述的视觉跟踪装置，其特征在于：所述外壳支撑架贴于定日镜背面，光学镜头传感器从边缘固定，略高于定日镜镜面，保证感知模块的光轴与镜面光轴平行。

4.根据权利要求1所述的视觉跟踪装置，其特征在于：所述光学镜头传感器与计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块集成在同一电路板(10)上，且放置在所述外壳支撑架中。

5.根据权利要求1所述的视觉跟踪装置，其特征在于：所述感知模块、计算模块、运动模块、供电系统、核心模块和通讯模块分别集成在不同的电路板上，且安装在定日镜的不同位置。

6.一种定日镜的视觉跟踪方法，所述定日镜上安装有权利要求1-5任一项所述的视觉跟踪装置，其特征在于，步骤如下：

(1)感知模块采集当前时刻的标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(2)计算模块分析标志物图像信息数据，计算运动模块需要执行的动作；

(3)核心模块将计算模块计算的数据传递给运动模块；

(4)运动模块根据收到的数据，执行相关的运动操作，通过通讯模块与上位机进行数据交互；

(5)运动模块运动完成后，感知模块再次采集标志物图像，识别出标志物图像信息数据；

(6)计算模块再次分析标志物图像信息数据，判断运动模块是否执行到位；

(7)重复步骤(2)～(6)。

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