本發(fā)明屬于太陽(yáng)能技術(shù)中碟式太陽(yáng)能領(lǐng)域，是一種聚光熱發(fā)電中的陽(yáng)光收集器方面的技術(shù)，尤其是一種碟式stirling太陽(yáng)能聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)方法。
背景技術(shù)：
目前，化石能源的高速消耗和環(huán)境的嚴(yán)重污染已經(jīng)成為世界共同關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，新能源的開(kāi)發(fā)也成為各國(guó)研究的核心。其中，太陽(yáng)能以其可持續(xù)性、清潔性吸引了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。太陽(yáng)能的主要利用方式是將光能轉(zhuǎn)化為電能，現(xiàn)有的技術(shù)主要包括光伏發(fā)電和聚光熱發(fā)電，其中聚光熱發(fā)電中的碟式stirling技術(shù)具有最高的光電轉(zhuǎn)化效率。碟式stirling熱發(fā)電技術(shù)采用巨型的拋物碟面匯聚陽(yáng)光，在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生高能量密度的輻射源，進(jìn)而產(chǎn)生用于推動(dòng)stirling發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的熱源。熱源的質(zhì)量直接影響設(shè)備的發(fā)電效率和使用壽命，而影響該質(zhì)量的主要因素為碟面組成鏡面的質(zhì)量和鏡面安裝的精度。鏡面質(zhì)量的檢測(cè)是本發(fā)明的核心。
鏡面質(zhì)量的檢測(cè)的難點(diǎn)在于高精度地測(cè)量聚光鏡面的焦距和鏡面的平整度。在碟式stirling技術(shù)中，聚光碟面的組成鏡面為拋物面的一部分，所以其在x和y方向的焦距均需要測(cè)量。并且，光斑的大小對(duì)焦距的變化十分敏感，焦距的測(cè)量必須保證較高的精度。另外，鏡面表面存在局部凹凸不平的現(xiàn)象，我們定義表征此凹凸程度的量為鏡面的平整度，它決定了鏡面匯聚光斑的均勻度。由于鏡面的反射特性，其表面的三維信息的測(cè)量并不能采用傳統(tǒng)物體表面三維重建的方法實(shí)現(xiàn)，而需要特殊的方法。因此，鏡面質(zhì)量的檢測(cè)是比較困難的問(wèn)題。
針對(duì)鏡面質(zhì)量檢測(cè)的問(wèn)題，傳統(tǒng)高精度的方法是vshot。該技術(shù)采用可六個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的激光發(fā)射器掃描鏡面，并用特定位置上的接收屏接收鏡面反射的激光，記錄反射位置，從而實(shí)現(xiàn)鏡面表面法向量的精確測(cè)量，最終得到鏡面的精確模型。但是，該方法設(shè)備昂貴，并且效率較低，特別是鏡面的掃描過(guò)程，其將花費(fèi)大量的時(shí)間。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服已有鏡面質(zhì)量檢測(cè)的無(wú)法兼顧效率和精度的不足，本發(fā)明提供了一種檢測(cè)效率較高、檢測(cè)精度較高的碟式stirling太陽(yáng)能聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
一種碟式stirling太陽(yáng)能聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)方法，包括以下步驟：
1)安裝設(shè)備，測(cè)量設(shè)備為工業(yè)相機(jī)和lcd顯示屏，將兩設(shè)備固定在一起，放置在距離鏡面2倍焦距處；調(diào)整相機(jī)角度，使得它看到的鏡面反射區(qū)域全部在lcd屏幕上；
2)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)，利用棋盤(pán)格標(biāo)定板對(duì)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)；
3)相機(jī)與lcd顯示屏位置關(guān)系校準(zhǔn)，將長(zhǎng)方形平面鏡置于相機(jī)與屏幕前方，在lcd上顯示標(biāo)準(zhǔn)棋盤(pán)格，調(diào)整鏡面姿態(tài)，使得相機(jī)看到的鏡面反射區(qū)域全部落在lcd上；
4)初步建立相機(jī)與鏡面位置關(guān)系，采用相機(jī)拍攝聚光鏡面的圖片，通過(guò)圖像處理的方法提取各個(gè)角點(diǎn)的位置，結(jié)合各角點(diǎn)在鏡面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)位置，利用姿態(tài)估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與鏡面位置的初步估算；
5)根據(jù)鏡面初始模型估算鏡面表面法向量的分布
在完成相機(jī)響應(yīng)與lcd亮度關(guān)系的校準(zhǔn)后，在lcd上顯示四步移相光柵，用相機(jī)拍攝各相的圖片，然后即得到可相機(jī)各像素與屏幕上各像素間的位置關(guān)系；然后利用相機(jī)像素與焦點(diǎn)形成的射線(xiàn)，找到該射線(xiàn)與鏡面的交點(diǎn)的空間位置，至此計(jì)算出該焦點(diǎn)處鏡面法向量的位置，交點(diǎn)的計(jì)算采用鏡面的原始模型，模型如下：
z＝a×x2+b×y2
其中，x、y和z為鏡面坐標(biāo)系中三坐標(biāo)軸，a、b為拋物碟面設(shè)計(jì)模型中的參數(shù)；
6)根據(jù)法向量擬合新的鏡面模型，擬合方式為最小二乘法，鏡面的模型公式如下：
z＝a×x2+b×y2+c×xy+d×x+e×y+f
其中，x、y和z為鏡面坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸，a、b、c、d、e和f為需要擬合的參數(shù)；
由偏導(dǎo)公式可知，在(x,y,z)點(diǎn)處的法向量為(n1,n2,n3)
n1＝2a×x+c×y+d
n2＝2b×y+c×x+e
n3＝-1
根據(jù)步驟5)計(jì)算出來(lái)的各點(diǎn)法向量，擬合出所有的參數(shù)，其中c值取兩個(gè)擬合值的平均值，實(shí)現(xiàn)了新鏡面模型的擬合；
7)根據(jù)新鏡面模型，利用步驟5)中同樣的方式，重新計(jì)算鏡面表面法向量分布；
8)根據(jù)新計(jì)算的法向量，再次擬合鏡面模型；
9)比較相鄰兩次擬合模型的參數(shù)，如果兩次模型的參數(shù)不相同，則重復(fù)步驟7)、8)、9)，直到模型收斂，進(jìn)入步驟10)；
10)根據(jù)以上得到的收斂后的鏡面模型，計(jì)算鏡面參考點(diǎn)處法向量，參考點(diǎn)在鏡面兩短邊的平分線(xiàn)上，從較小短邊到較大短邊3/4處；
11)比較參考點(diǎn)處擬合的法向量與設(shè)計(jì)的法向量是否相同，如果相同，則進(jìn)入下一步；如果不同，則通過(guò)鏡面坐標(biāo)系繞參考點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，使得兩法向量重合，然后重復(fù)步驟5)到11)；
12)根據(jù)以上擬合的鏡面模型公式，計(jì)算被擬合的拋物鏡面在x、y方向上的焦距，計(jì)算鏡面表面法向量與理想值偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，以此表征鏡面的平整度。
本發(fā)明中的方法僅僅需要采集18張圖片，鏡面表面的法向量計(jì)算過(guò)程采用并行的方式，并利用雙層迭代保證鏡面模型的擬合精度，從而大大提高的鏡面檢測(cè)的效率，可以直接用于流水線(xiàn)工作。
本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：測(cè)量設(shè)備為相機(jī)和lcd平面，設(shè)備簡(jiǎn)單。測(cè)量的過(guò)程僅需要18張圖片，耗時(shí)較少，效率高；相機(jī)與lcd的位置關(guān)系以校準(zhǔn)的方式進(jìn)行測(cè)量，鏡面模型的擬合采用雙層迭代的方式，精度高。
附圖說(shuō)明
圖1是碟式stirling太陽(yáng)能聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)方法的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
參照?qǐng)D1，一種碟式stirling太陽(yáng)能聚光鏡面質(zhì)量檢測(cè)方法，包括以下步驟：
1)安裝設(shè)備。本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備為工業(yè)相機(jī)和lcd顯示屏。將兩設(shè)備固定在一起，放置在距離鏡面約2倍焦距處。調(diào)整相機(jī)角度，使得它看到的鏡面反射區(qū)域全部在lcd屏幕上。
2)相機(jī)內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)。利用棋盤(pán)格標(biāo)定板對(duì)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，包括焦距、圖片中心和鏡頭畸變等校準(zhǔn)。
3)相機(jī)與lcd顯示屏位置關(guān)系校準(zhǔn)。將長(zhǎng)方形平面鏡置于相機(jī)與屏幕前方，在lcd上顯示標(biāo)準(zhǔn)棋盤(pán)格，調(diào)整鏡面姿態(tài)，使得相機(jī)看到的鏡面反射區(qū)域全部落在lcd上。通過(guò)此校準(zhǔn)，即可實(shí)現(xiàn)相機(jī)與lcd間位置關(guān)系的準(zhǔn)確校準(zhǔn)。
4)初步建立相機(jī)與鏡面位置關(guān)系。本發(fā)明采用相機(jī)拍攝聚光鏡面的圖片，通過(guò)圖像處理的方法提取各個(gè)角點(diǎn)的位置，結(jié)合各角點(diǎn)在鏡面坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)位置，利用姿態(tài)估計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)相機(jī)與鏡面位置的初步估算。
5)根據(jù)鏡面初始模型估算鏡面表面法向量的分布。在完成相機(jī)響應(yīng)與lcd亮度關(guān)系的校準(zhǔn)后，該發(fā)明在lcd上顯示四步移相光柵，用相機(jī)拍攝各相的圖片，然后即得到可相機(jī)各像素與屏幕上各像素間的位置關(guān)系。然后利用相機(jī)像素與焦點(diǎn)形成的射線(xiàn)，找到該射線(xiàn)與鏡面的交點(diǎn)的空間位置，至此即可計(jì)算出該焦點(diǎn)處鏡面法向量的位置。該步驟中交點(diǎn)的計(jì)算采用鏡面的原始模型，模型如下：
z＝a×x2+b×y2
其中，x、y和z為鏡面坐標(biāo)系中三坐標(biāo)軸，a、b為拋物碟面設(shè)計(jì)模型中的參數(shù)。
6)根據(jù)法向量擬合新的鏡面模型，擬合方式為最小二乘法。鏡面的模型公式如下：
z＝a×x2+b×y2+c×xy+d×x+e×y+f
其中，x、y和z為鏡面坐標(biāo)系三坐標(biāo)軸，a、b、c、d、e和f為需要擬合的參數(shù)。
由偏導(dǎo)公式可知，在(x,y,z)點(diǎn)處的法向量為(n1,n2,n3)
n1＝2a×x+c×y+d
n2＝2b×y+c×x+e
n3＝-1
根據(jù)步驟5)計(jì)算出來(lái)的各點(diǎn)法向量，擬合出所有的參數(shù)，其中c值取兩個(gè)擬合值的平均值。這樣就實(shí)現(xiàn)了新鏡面模型的擬合。
7)根據(jù)新鏡面模型，利用步驟5)中同樣的方式，重新計(jì)算鏡面表面法向量分布。
9)根據(jù)新計(jì)算的法向量，再次擬合鏡面模型。
9)比較相鄰兩次擬合模型的參數(shù)，如果兩次模型的參數(shù)不相同，則重復(fù)步驟7)、8)、9)，直到模型收斂，進(jìn)入步驟10)；
10)根據(jù)以上得到的收斂后的鏡面模型，計(jì)算鏡面參考點(diǎn)處法向量，參考點(diǎn)在鏡面兩短邊的平分線(xiàn)上，從較小短邊到較大短邊3/4處；
11)比較參考點(diǎn)處擬合的法向量與設(shè)計(jì)的法向量是否相同，如果相同，則進(jìn)入下一步。如果不同，則通過(guò)鏡面坐標(biāo)系繞參考點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)，使得兩法向量重合，然后重復(fù)步驟5)到11)。
12)根據(jù)以上擬合的鏡面模型公式，計(jì)算被擬合的拋物鏡面在x、y方向上的焦距，計(jì)算鏡面表面法向量與理想值偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，以此表征鏡面的平整度。
本發(fā)明中的方法僅僅需要拍攝18張圖片，鏡面表面的三維信息計(jì)算過(guò)程采用并行的方式，并利用雙層迭代的方法來(lái)保證鏡面模型的擬合精度，從而大大提高的鏡面檢測(cè)的效率，達(dá)到了可以直接用于流水線(xiàn)工作的水平。
本說(shuō)明書(shū)實(shí)施例所述的內(nèi)容僅僅是對(duì)發(fā)明構(gòu)思的實(shí)現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護(hù)范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實(shí)施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護(hù)范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。