CN220420109U - 激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布了一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，涉及光电技术领域，包括安装在演示台架上方的接收装置，和下方的发射装置；发射装置包括控制云台，控制云台表面相邻安装有激光源和摄像头；控制云台通过第二旋转舵机连接支架，支架通过第一旋转舵机连接底座，底座安装在演示台架下方；控制云台连接有控制器；接收装置包括安装在演示台架上方的双向移动组件；双向移动组件下方设置有太阳能电池组件；太阳能电池组件连接充电电路模块；充电电路模块上预留充电接口。本实用新型实现在光伏电池移动情况下激光源追踪进行光电转换演示，本系统结构轻巧，更适用于室内小型电子产品的扩展应用和研究。

Description

激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统

技术领域

本实用新型涉及光电技术领域，具体而言，涉及一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统。

背景技术

传统电能传输普遍采用金属导线或电缆线等物理介质，限制了电能传输的便捷性；此外，其在传输过程当中不可避免地会产生传输损耗。因此，无线电能传输作为一种新型电能传输方式有效地避免物理连接方式的局限，提高了供电方法的自由度。激光无线电能传输技术基于光电效应，以激光束为能量载体对一定距离的用电设备进行无线供电。其中，光伏电池在激光源照射下的光电转换效率是系统能量的重要组成部分。随着材料科学的不断发展，新型光电材料在光伏领域的实践应用为光伏电池光电转换效率的提升带来更多新的机遇，尤其是在室内小型电子产品的扩展应用上有较大的拓展空间。

然后若是采用商用大型激光源与太阳能板实现远距离的无线电能传输研究成本相对较高，体积较大，不能实现低成本和方便在实验室中进行研究和演示。

鉴于此，有必要设计一种演示装置来展示激光源追踪太阳能电池实现光电转换的演示系统，便于在实验室内灵活进行科研演示和研究。

实用新型内容

针对背景技术中的问题，本实用新型提供一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，实现在光伏电池移动情况下激光源追踪进行光电转换演示，本系统结构轻巧，更适用于室内小型电子产品的扩展应用研究。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，包括安装在演示台架上方的接收装置，和下方的发射装置；所述发射装置包括控制云台，控制云台表面相邻安装有激光源和摄像头；所述控制云台通过第二旋转舵机连接支架，支架通过第一旋转舵机连接底座，底座安装在演示台架下方；所述控制云台连接有控制器；所述接收装置包括安装在演示台架上方的双向移动组件；所述双向移动组件下方设置有太阳能电池组件；所述太阳能电池组件连接充电电路模块；充电电路模块上预留充电接口。

作为上述方案的进一步改进，所述激光源采用近红外激光。

作为上述方案的进一步改进，所述双向移动控制组件为十字滚珠丝杆导轨滑台。

作为上述方案的进一步改进，所述充电电路模块采用Boost升压电路，并在输出端预留USB插口。

作为上述方案的进一步改进，所述太阳能电池组件为薄膜太阳能电池。

作为上述方案的进一步改进，所述发射装置和接收装置上均设置有用于信号传输的蓝牙模块。

作为上述方案的进一步改进，所述演示台架包括台面和用于支撑台面的支腿；所述接收装置安装在台面上。

作为上述方案的进一步改进，所述控制器为STM32最小系统板和K210开发板构成。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

采用一种立体演示台架来安装可移动的太阳能电池组件，然后在演示台架下方安装可360°旋转的控制云台，利用摄像头追踪太阳能电池组件位置，激光源同步保持照射到太阳能电池组件上，实现激光无线电能传输，将激光源与太阳能电池的追踪式光电转换形成了小型化的演示研究系统，便于研究室内小型电子产品的扩展应用。

附图说明

图1为演示系统结构示意图；

图2为控制云台的结构示意图；

图3为演示系统结构组成框图；

图4为演示系统工作流程图；

图5为发射装置控制流程图。

图中：1、控制云台；2、激光源；3、摄像头；4、蓝牙模块；5、太阳能电池组件；6、USB接口；7、双向移动组件；8、演示台架；9、底座；10、第一旋转舵机；11、支架；12、第二旋转舵机。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案及装置结构，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参阅图1-图5，一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，包括发射装置和接收装置。所述发射装置包括控制云台1、图像采集装置3和激光源2；所述控制云台1底端装有旋转舵机和控制器，顶端装有激光源2和微型的摄像头3。所述接收装置由双向移动组件7、太阳能电池组件5及充电电路模块构成；所述双向移动组件7下方安装太阳能电池组件5，上方预留充电接口。所述控制器由STM32最小系统板和K210开发板构成。其中，STM32最小系统板接收来自K210开发板的数据控制舵机转动，K210开发板接受来自摄像头的数据并处理后发送给STM32最小系统板。

STM32最小系统板是一种用于STM32微控制器开发的简化电路板。它通常包含了一个微控制器芯片、外部晶振、电源电路和常见的外围器件，如复位电路、串口通信电路等。最小系统板的设计初衷是为了方便开发者进行STM32微控制器的原型验证和低成本应用开发。

STM32最小系统板通常具有以下特征：

占用空间小，板载器件简化，只包含最基本的电路。

提供了必要的引脚和连接器，方便与其他外部设备进行连接。

提供标准的编程接口，如SWD或JTAG接口，以方便烧写程序和调试。

可以通过USB或外部电源供电。

根据不同的型号和规格，支持不同的STM32微控制器系列。

使用STM32最小系统板，开发者可以快速搭建起一个基本的STM32开发环境，进行软件开发、调试和验证。同时，它也可以作为嵌入式系统中的一部分，用于打造小型的应用系统。

K210全称为堪智K210，是嘉楠科技自主研发的一款采用RISC-V处理器架构，具备视听一体、自主IP内核与可编程能力强三大特点，支持机器视觉与机器听觉多模态识别，可广泛应用于智能家居、智能园区、智能能耗和智能农场等场景。堪智K210使用台积电超低功耗的28nm先进制程，具有双核64位处理器，总算力可达1TOPS，内置多种硬件加速单元(KPU、FPU、FFT等)，并且拥有较好的功耗性能、稳定性与可靠性。

其中，控制云台1底通过第二旋转舵机12安装在支架11上，支架11通过第一旋转舵机10安装在底座9上，通过控制器控制激光源2的发射方向以实现激光束与太阳能电池的自对准。

旋转舵机是一种常用的电机设备，用于控制机械系统中的角度位置。与普通舵机只能旋转一定角度不同，旋转舵机可以连续旋转360度，没有角度限制。它通常由一个直流电机和一个内置的位置反馈装置(如编码器)构成，可通过控制信号来控制电机的方向和速度。旋转舵机是机器人领域中常见的组件之一，在小车、机械臂、航模等项目中广泛应用。通过调整控制信号的脉宽，可以控制旋转舵机的转动速度和方向。

第二旋转舵机12实现控制云台1在竖直平面内旋转，第一旋转舵机10控制支架11在水平面内旋转，第二旋转舵机12和第一旋转舵机10均可同步旋转工作，以实现球状发射端的全方位追踪。

其中，控制云台1顶端装有激光源2和摄像头3，用于采集接收端目标环境以实时传输接收端位置坐标并调整激光源2追踪方向。

摄像头3采用LRCP10541080P型号，是一种微型摄像头。其中，摄像头3通过图像识别算法识别太阳能电池的位置坐标，经过跟踪算法计算出激光源2与太阳能电池之间的距离差值。图像识别算法为现有技术，在这里不再赘述。

以下控制部分均为现有技术，为了便于理解本技术方案，简单介绍如下：

发射端(装置)的控制算法包括目标-数据处理和激光源2驱动及控制两大部分。其中，目标-数据处理部分涵盖环境扫描，目标识别，阻挡检测，确定坐标，数据发送五个步骤。激光源2驱动及控制部分涵盖串口通信，信号处理，中断控制，数据处理四个步骤。

目标-数据处理部分基于OpenCV计算机视觉库来提供识别和追踪函数，具体为CSRTTracker追踪函数。其中，通过使用空间可靠性图将滤波器支持调整为从一帧图像中选择区域的一部分进行追踪，以确保框选区域的缩放和定位并改善对非矩形规则区域的追踪。

激光源2驱动及控制部分基于TIM_SetCompare函数控制旋转舵机。其中，串口通信接收追踪坐标参数，通过PID控制产生PWM信号稳定驱动舵机旋转，TIM_SetCompare函数根据舵机驱动信号稳定控制舵机运行。

其中，所述接收装置由双向移动组件7、太阳能电池组件5及充电电路模块构成；所述双向移动组件7下方安装太阳能电池组件5，上方预留充电接口。

进一步地，所述双向移动组件7采用十字滚珠丝杆导轨滑台PKH系列并安装于演示台架下方，丝杆滑台有助于目标快速移动。

进一步地，所述太阳能电池组件5采用砷化镓、钙钛矿等新型薄膜太阳能电池。其中，聚光三结砷化镓电池组件具有较高的光电转换效率，在高强太阳光下性能稳定；钙钛矿太阳能电池选用自制备高性能器件。

进一步地，所述充电电路模块采用Boost升压电路模块，并在输出端预留USB插口。其中，太阳能电池将光能转换为电能需要经过DC-DC升压模块产生稳定合适的供能。

在上述实施例的基础上进一步优化：所述发射装置可集成多个激光源2于球面均匀分布，其一可以兼顾不同光谱范围的发射光源，其二多发射源也可以同时进行多目标识别与追踪。

在上述实施例的基础上进一步优化：所述发射装置可添加温度传感器，用以监测长时间光源照射下装置周围的温度，如果超出预设温度以便及时关闭激光源2。

在上述实施例的基础上进一步优化：所述接收装置可通过蓝牙/WIFI配对，设计APP/小程序实时监测充电状态。

应当明确的是，本实用新型技术方案所要提供一种激光源2与太阳能电池的追踪式光电转换演示系统。以室内小型电子设备充电应用为例，实现光源对太阳能电池位置的自追踪，在确保追踪精度与速度的基础上，同时提供光电转换过程中的无线电能传输。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，包括安装在演示台架（8）上方的接收装置，和下方的发射装置；所述发射装置包括控制云台（1），控制云台（1）表面相邻安装有激光源（2）和摄像头（3）；所述控制云台（1）通过第二旋转舵机（12）连接支架（11），支架（11）通过第一旋转舵机（10）连接底座（9），底座（9）安装在演示台架（8）下方；所述控制云台（1）连接有控制器；所述接收装置包括安装在演示台架（8）上方的双向移动组件（7）；所述双向移动组件（7）下方设置有太阳能电池组件（5）；所述太阳能电池组件（5）连接充电电路模块；充电电路模块上预留充电接口。

2.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，所述激光源（2）采用近红外激光。

3.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于：所述双向移动组件（7）为十字滚珠丝杆导轨滑台。

4.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，所述充电电路模块采用Boost升压电路，并在输出端预留USB插口。

5.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，所述太阳能电池组件（5）为薄膜太阳能电池。

6.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于：所述发射装置和接收装置上均设置有用于信号传输的蓝牙模块（4）。

7.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，所述演示台架（8）包括台面和用于支撑台面的支腿；所述接收装置安装在台面上。

8.根据权利要求1所述的激光源与太阳能电池的追踪式光电转换演示研究系统，其特征在于，所述控制器为STM32最小系统板和K210开发板构成。