高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法。該方法采用四象限傳感器和視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法兩種追蹤模式；太陽跟蹤控制系統(tǒng)除設(shè)有主程序外，還設(shè)有自動(dòng)搜尋目標(biāo)子程序、跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)子程序、高速返回三圈子程序，以保證高空太陽跟蹤的精度及可靠性；通過無線電對太陽跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和跟蹤狀態(tài)檢測傳感器信號下傳，地面依據(jù)該信號進(jìn)行控制模式選擇和系統(tǒng)啟停；跟蹤狀態(tài)傳感器及多塊被標(biāo)定太陽能電池的輸出電壓信號、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、吊籃內(nèi)溫度等檢測信號通過CR1000采集并存儲在記錄儀中。本發(fā)明旨在提供一種移動(dòng)載體上使用的高精度、高可靠性太陽跟蹤控制方法。
【專利說明】高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要采用地面固定方式，只能適應(yīng)地面環(huán)境和固定載體上運(yùn)行，而運(yùn)行在高空極端環(huán)境和搭載在移動(dòng)氣球上的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)則研究較少，因此當(dāng)前的太陽跟蹤系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境、控制方法等方面不能夠滿足高空氣球太陽能電池標(biāo)定試驗(yàn)的科研需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)技術(shù)中的不足，提供一種高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法，其能夠在高空極端環(huán)境和移動(dòng)氣球載體上實(shí)現(xiàn)太陽自動(dòng)跟足示，完成太陽能電池標(biāo)定試驗(yàn)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法，太陽跟蹤控制系統(tǒng)主要由二維機(jī)械平臺、方位步進(jìn)電機(jī)、俯仰步進(jìn)電機(jī)、STM32控制板、四象限傳感器、跟蹤狀態(tài)檢測傳感器、電子羅盤、GPS和上下限位開關(guān)組成；
[0005]控制方法具體過程如下:
[0006]a.太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用四象限傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤兩種跟蹤方式，以四象限傳感器跟蹤為主，視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法跟蹤為輔；當(dāng)四象限傳感器出現(xiàn)故障無法工作時(shí)，可通過地面控制指令，切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法跟蹤方式，以確保跟蹤控制系統(tǒng)正常工作；
[0007]b.四象限傳感器跟蹤方式過程是，通過四象限傳感器檢測太陽光強(qiáng)，其光電信號經(jīng)由STM32控制板采集并處理，計(jì)算出太陽相對于標(biāo)定板位置坐標(biāo)，STM32控制板依據(jù)坐標(biāo)發(fā)出方向和脈沖信號，控制方位和俯仰步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)追蹤太陽的目的；
[0008]c.視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤方式過程是，通過電子羅盤接口電路獲取太陽能電池標(biāo)定板朝向角度，通過GPS獲取系統(tǒng)當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、海拔及時(shí)間信息，STM32控制板通過視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法計(jì)算出太陽高度角及方位角，發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)方位及俯仰步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到追蹤太陽的目的；
[0009]d.太陽跟蹤控制系統(tǒng)除設(shè)有主程序外，還設(shè)有自動(dòng)搜尋太陽子程序、跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)子程序、高速返回三圈子程序，以保證高空太陽跟蹤的精度及可靠性；
[0010]e.太陽跟蹤控制系統(tǒng)通過無線電進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，通過其發(fā)出命令控制太陽跟蹤控制系統(tǒng)啟動(dòng)和停止；同時(shí)地面可接收跟蹤狀態(tài)檢測傳感器信號，判斷太陽跟蹤情況，依此對太陽跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤方式進(jìn)行選擇；
[0011]f.通過CR1000采集并存儲跟蹤狀態(tài)檢測傳感器及被標(biāo)定太陽能電池的輸出信號、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、吊籃內(nèi)溫度等信號。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖2是本發(fā)明太陽跟蹤控制板電路示意圖；
[0014]圖3是太陽跟蹤控制系統(tǒng)控制方法流程圖；
[0015]圖4是四象限傳感器跟蹤流程圖；
[0016]圖5是視日運(yùn)動(dòng)算法跟蹤流程圖；
[0017]圖6是自動(dòng)搜尋太陽程序流程圖；
[0018]圖7是跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)程序流程圖；
[0019]圖8是聞速返回二圈程序流程圖；
[0020]圖9是本發(fā)明實(shí)施例氣球平飛階段跟蹤狀態(tài)檢測信號隨時(shí)間變化曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0022]如圖1所示是本發(fā)明高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，太陽跟蹤控制系統(tǒng)主要由二維機(jī)械平臺、方位步進(jìn)電機(jī)、俯仰步進(jìn)電機(jī)、STM32控制板、四象限傳感器、跟蹤狀態(tài)檢測傳感器、電子羅盤、GPS和上下限位開關(guān)組成。二維機(jī)械平臺包括水平承載板和太陽能電池標(biāo)定板，其對各種元器件起到支撐固定作用。四象限傳感器檢測太陽光強(qiáng)，跟蹤狀態(tài)檢測傳感器檢測太陽跟蹤過程中跟蹤狀況；電子羅盤和GPS為視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤提供數(shù)據(jù)信息；STM32控制板為太陽跟蹤控制系統(tǒng)的核心，采集各傳感器信號并接收和發(fā)出控制指令；方位和俯仰步進(jìn)電機(jī)為系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過STM32控制板發(fā)出信號，調(diào)節(jié)方位和俯仰角度；上下限位開關(guān)限定了俯仰角度的范圍，能夠有效防止機(jī)械結(jié)構(gòu)極限位置卡死。
[0023]如圖2所示是本發(fā)明太陽跟蹤控制板電路示意圖。太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用STM32芯片作為主控制器，其主要包括四象限傳感器信號調(diào)理電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、跟蹤狀態(tài)檢測傳感器電路、電子羅盤和GPS電路、電源電路、限位開關(guān)電路。STM32控制板采集傳感器信號、軟件運(yùn)算、接收和發(fā)出控制指令；四象限傳感器信號調(diào)理電路處理太陽光強(qiáng)信號，并傳遞給STM32控制板；步進(jìn)電機(jī)接收脈沖信號調(diào)整跟蹤裝置俯仰和方位角度；電子羅盤輸出跟蹤系統(tǒng)相對于電磁北極的角度信息；GPS輸出跟蹤系統(tǒng)經(jīng)緯度、高度、時(shí)間等信息；電源電路為各個(gè)元器件提供工作電源；限位開關(guān)電路能夠有效防止俯仰方向超過運(yùn)行行程，造成機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞。
[0024]如圖3所示是太陽跟蹤控制系統(tǒng)控制方法流程圖。太陽跟蹤控制板上電后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接到地面發(fā)出啟動(dòng)跟蹤指令后，程序開始動(dòng)作，否則等待啟動(dòng)命令。開始動(dòng)作后，將俯仰方向降到起始位置，依據(jù)跟蹤狀態(tài)檢測傳感器信號對跟蹤模式進(jìn)行選擇，即是選擇運(yùn)行四象限傳感器跟蹤還是視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法進(jìn)行追蹤。運(yùn)行四象限傳感器跟蹤后，當(dāng)接收到地面停止指令時(shí)，則系統(tǒng)停止跟蹤，俯仰方向回到初始水平位置；否則繼續(xù)執(zhí)行四象限傳感器跟蹤程序，若在此過程中接收到啟動(dòng)快速三圈返回程序命令，則方位電機(jī)進(jìn)行高速反轉(zhuǎn)三圈，運(yùn)行完畢后系統(tǒng)返回到初始化狀態(tài)，等待地面啟動(dòng)命令。若進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤，當(dāng)接收到地面停止指令后，則系統(tǒng)停止跟蹤，俯仰方向回到初始水平位置；否則繼續(xù)執(zhí)行視日運(yùn)動(dòng)算法跟蹤。
[0025]如圖4所示是四象限傳感器跟蹤流程圖。STM32采集四象限傳感器四個(gè)象限的電壓值，存儲其數(shù)據(jù)在DMA中，并對電壓數(shù)據(jù)采用中位值平均濾波法進(jìn)行處理，即每個(gè)通道采樣10次，去除最大值和最小值，再求剩余8個(gè)數(shù)據(jù)的平均值作為每個(gè)通道采樣得到的數(shù)據(jù)，利用最后數(shù)據(jù)計(jì)算出太陽光斑的坐標(biāo)。當(dāng)坐標(biāo)X或Y軸在一定閾值范圍內(nèi)時(shí)，則表明跟蹤控制系統(tǒng)已經(jīng)正對太陽，且精度達(dá)到要求時(shí)，電機(jī)不運(yùn)動(dòng)。當(dāng)坐標(biāo)X或Y中超過一定閾值，則調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)X為負(fù)值時(shí)，方位步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；否則逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)Y為負(fù)值時(shí)，俯仰步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，否則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)到太陽能電池標(biāo)定板正對太陽。
[0026]如圖5所示是視日運(yùn)動(dòng)算法跟蹤流程圖。視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法流程是，太陽跟蹤控制器通過GPS獲取系統(tǒng)當(dāng)前經(jīng)度、緯度、時(shí)間及電子羅盤方向數(shù)據(jù)，視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法依據(jù)GPS數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前太陽的高度角和方位角的理論值，并與上次計(jì)算的高度角和方位角值進(jìn)行比較，計(jì)算出方位步進(jìn)電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該旋轉(zhuǎn)的角度和方向，驅(qū)動(dòng)兩臺步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對太陽的視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。
[0027]如圖6所示是自動(dòng)搜尋太陽程序流程圖。氣球在高空飛行時(shí)會產(chǎn)生自旋和平飛運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致太陽能電池標(biāo)定板相對于太陽的角度不定，當(dāng)太陽處在四象限傳感器視角范圍外時(shí)，無法使用四象限傳感器對其進(jìn)行追蹤，此時(shí)需要對太陽進(jìn)行搜索。進(jìn)入搜尋太陽程序，首先將太陽能標(biāo)定板俯仰方向抬高到預(yù)定角度(該角度由試驗(yàn)地區(qū)經(jīng)緯度和時(shí)間決定)，方位步進(jìn)電機(jī)開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)四象限傳感器開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，若四象限傳感器采集的數(shù)據(jù)大于設(shè)定閾值，則系統(tǒng)搜尋到太陽，轉(zhuǎn)入四象限太陽跟蹤程序。若在水平方向旋轉(zhuǎn)一周仍未找到太陽，則將太陽能電池板俯仰方向抬高5 °，方位電機(jī)再次水平旋轉(zhuǎn)，依次循環(huán)抬高搜尋六次，直到找到太陽目標(biāo)。
[0028]如圖7所示是跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)程序流程圖。采用四象限傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，陰天和透光不良的天氣跟蹤系統(tǒng)易產(chǎn)生振蕩，通過防抖動(dòng)程序編程方法消除或減小系統(tǒng)在追蹤點(diǎn)附近的振動(dòng)程度。太陽跟蹤閾值設(shè)置在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，以消除抖動(dòng)的影響。即在精確鎖定太陽后，不以坐標(biāo)(0，0)作為對準(zhǔn)太陽的坐標(biāo)，而是在設(shè)定的閾值所圍成的矩形范圍內(nèi)，則認(rèn)為太陽已直射。程序通過實(shí)時(shí)情況改變調(diào)節(jié)量，當(dāng)偏差較大時(shí)，進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，保障系統(tǒng)的快速響應(yīng)；在追蹤穩(wěn)定點(diǎn)附近即以搜尋到太陽并且需要保持跟蹤狀態(tài)，減小調(diào)節(jié)量，使系統(tǒng)的單步調(diào)節(jié)減少，保障系統(tǒng)的高精度和避免過量調(diào)節(jié)引起的系統(tǒng)抖動(dòng)。
[0029]如圖8所示是高速返回三圈程序流程圖，在追蹤平臺運(yùn)行一段時(shí)間后，根據(jù)動(dòng)量矩守恒定理，隨著跟蹤平臺的不停旋轉(zhuǎn)，會引起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量積累使高空氣球反向自旋速度加快。高速返回軟件的設(shè)計(jì)，主要目的是消除由于跟蹤平臺的不停旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致氣球反向自旋速度越轉(zhuǎn)越快從而引起追蹤控制器無法追蹤上目標(biāo)情況的發(fā)生。在太陽跟蹤控制系統(tǒng)運(yùn)行中，分別記錄方位電機(jī)和俯仰步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向次數(shù)之差，當(dāng)其差大于O時(shí)，方位電機(jī)高速左轉(zhuǎn)三圈，反之，則高速右轉(zhuǎn)三圈。
[0030]如圖9所示是本發(fā)明實(shí)施例氣球平飛階段跟蹤狀態(tài)檢測信號隨時(shí)間變化曲線。在10:53發(fā)出跟蹤指令后，一直到12:43發(fā)出停止跟蹤指令，連續(xù)2個(gè)小時(shí)追蹤系統(tǒng)捕捉到了太陽，并進(jìn)行自主追蹤。在整個(gè)追蹤過程中只出現(xiàn)了兩次目標(biāo)丟失現(xiàn)象，但很快在幾分鐘之內(nèi)又重新捕捉到了太陽，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)不間斷追蹤的目的。[0031]由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制器，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有這樣的有益效果:
[0032]1.本發(fā)明的高空太陽跟蹤主控制板采用STM32芯片，設(shè)計(jì)有四象限傳感器、電子羅盤、GPS、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等接口電路。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高；
[0033]2.本發(fā)明采用四象限傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法追蹤兩種跟蹤方式，并可通過無線電遠(yuǎn)程通訊方式進(jìn)行模式選擇，當(dāng)其中一種跟蹤方式出現(xiàn)故障時(shí)，可切換到另一種跟蹤方式，確保太陽跟蹤的可靠性；
[0034]3.本發(fā)明設(shè)計(jì)的自動(dòng)搜尋太陽子程序，能夠自動(dòng)快速搜尋到太陽，并在丟失太陽的情況下停止跟蹤，再次進(jìn)入搜尋太陽子程序，減少了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間；
[0035]4.本發(fā)明設(shè)計(jì)了跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)子程序，一定程度上消除了在正對太陽時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)，提聞了跟蹤精度；
[0036]5.本發(fā)明跟蹤控制方法設(shè)計(jì)了高速返回三圈子程序，能夠有效解決高空氣球旋轉(zhuǎn)過快問題，確保試驗(yàn)的可靠性。
[0037]6.本發(fā)明采用無線電方式對太陽跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，方法簡便，成本低，易于操作。
【權(quán)利要求】
1.一種高空氣球電池標(biāo)定用太陽跟蹤控制方法，其特征在于:太陽跟蹤控制系統(tǒng)主要由二維機(jī)械平臺、方位步進(jìn)電機(jī)、俯仰步進(jìn)電機(jī)、STM32控制板、四象限傳感器、跟蹤狀態(tài)檢測傳感器、電子羅盤、GPS和上下限位開關(guān)組成； 控制方法具體過程如下: a.太陽跟蹤控制系統(tǒng)采用四象限傳感器跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤兩種跟蹤方式，以四象限傳感器跟蹤為主，視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法跟蹤為輔；當(dāng)四象限傳感器出現(xiàn)故障無法工作時(shí)，可通過地面控制指令，切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法跟蹤方式，以確保跟蹤控制系統(tǒng)正常工作； b.四象限傳感器跟蹤方式過程是，通過四象限傳感器檢測太陽光強(qiáng)，其光電信號經(jīng)由STM32控制板采集并處理，計(jì)算出太陽相對于標(biāo)定板位置坐標(biāo)，STM32控制板依據(jù)坐標(biāo)發(fā)出方向和脈沖信號，控制方位和俯仰步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)追蹤太陽的目的； c.視日運(yùn)動(dòng)算法軌跡跟蹤方式過程是，通過電子羅盤接口電路獲取太陽能電池標(biāo)定板朝向角度，通過GPS獲取系統(tǒng)當(dāng)前經(jīng)度、緯度、海拔及時(shí)間信息，STM32控制板通過視日運(yùn)動(dòng)軌跡算法計(jì)算出太陽高度角及方位角，發(fā)出控制信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)方位及俯仰步進(jìn)電機(jī)，達(dá)到追蹤太陽的目的； d.太陽跟蹤控制系統(tǒng)除設(shè)有主程序外，還設(shè)有自動(dòng)搜尋太陽子程序、跟蹤點(diǎn)附近防抖動(dòng)子程序、高速返回三圈子程序，以保證高空太陽跟蹤的精度及可靠性； e.太陽跟蹤控制系統(tǒng)通過無線電進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，通過其發(fā)出命令控制太陽跟蹤控制系統(tǒng)啟動(dòng)和停止；同時(shí)地面可接收跟蹤狀態(tài)檢測傳感器信號，判斷太陽跟蹤情況，依此對太陽跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤方式進(jìn)行選擇； f.通過CRlOOO采集并存儲跟蹤狀態(tài)檢測傳感器及被標(biāo)定太陽能電池的輸出信號、環(huán)境溫度、濕度、氣壓、吊籃內(nèi)溫度等信號。
【文檔編號】H02S50/15GK104007769SQ201410179399
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】劉福才, 趙陽, 溫銀堂 申請人:燕山大學(xué)