一种对日跟踪伺服控制系统的设计

摘要

随着我国社会的快速发展，城市居住人口聚增，楼宇分布越来越密集，人们对于生活环境的采光需求也急剧上升。太阳能作为可再生的清洁能源已经受到世界各国的高度重视和广泛应用，并且能满足城市居住群体对于生活环境采光的迫切需求。如何解决楼宇背光侧用户对太阳光照的需求成为了主要研究问题之一。
　　本文以解决楼宇背光侧用户对太阳光照的需求为研究目标，设计一种对日跟踪伺服控制系统，解决楼宇背光侧房间采光问题，本文的主要工作内容如下：
　　首先对现有的太阳跟踪策略进行分析，提出视日轨迹跟踪与光电跟踪双模式结合的跟踪策略，实现目标位置用户全天候的太阳光照需求。然后针对视日轨迹跟踪策略在本系统中的具体作用进行分析，提出一种基于拉格朗日插值的视日轨迹跟踪改进算法，以解决系统粗调以及初始定位问题，并通过仿真分析验证了该方法与Spenser计算方法的误差及有效性。其次为实现光电跟踪控制，设计一种光电传感器，通过图像处理实时检测太阳反射光线以实现系统闭环控制，并通过实验分析验证了所设计的光电传感器的有效性。接下来，为保证太阳运动过程中太阳反射光线照射目标位置不变，设计了以模糊PID作为控制算法的双轴伺服跟踪系统，通过仿真分析验证了该方法的有效性。最后结合上述理论搭建了以Raspberry Pi为主控制器的对日跟踪装置，完成系统硬件和软件设计，最后通过系统实验验证了基于拉格朗日插值的视日跟踪轨迹计算方法的可行性、光电传感器检测精度以及双轴伺服跟踪系统硬件平台与程序设计的合理性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本设计完成的主要工作

1.4 论文的章节安排

第2章 一种基于拉格朗日插值的视日轨迹跟踪改进算法

2.1 系统跟踪策略分析

2.2 视日轨迹跟踪算法的改进研究

2.3 太阳位置计算方法仿真

2.4 本章小结

第3章 光电跟踪传感器的设计

3.1 光电传感器的结构及检测原理

3.2 光电传感器检测算法设计

3.3 光电传感器检测实验

3.3 本章小结

第4章 基于模糊PID控制的双轴伺服跟踪控制系统设计

4.1 模糊PID控制策略分析

4.2 建立双轴伺服跟踪系统数学模型

4.3 控制器的设计

4.4 系统仿真

4.5 本章小结

第5章 基于Raspberry Pi的对日跟踪伺服控制系统实现

5.1 系统控制器及编程语言说明

5.2 视日轨迹跟踪改进算法程序设计

5.3 光电传感器硬件及程序设计

5.4 双轴跟踪系统硬件设计

5.5 按键电路连接及程序设计

5.6 系统装置机械设计以及系统实验验证

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果