一种定日镜姿态传感器及定日镜自动跟踪方法

摘要

本发明公开了属于太阳能塔式热发电领域的一种定日镜姿态传感器及定日镜自动跟踪方法。装置包括图像传感器、重力传感器、GPS、集成接口、信号处理器、内支架、外壳和透明盖，图像传感器用于检测太阳光点的位置，重力传感器用于反馈重力加速度大小，GPS反馈时间和地理位置信息，外壳则起到产生光点和保护内部部件的作用；定日镜自动跟踪方法包括利用整个装置对定日镜进行调整，实现定日镜自动跟踪；本发明为一个集成型传感器，通过多传感器反馈信息对定日镜进行闭环自动控制，解决了开环控制的程序和装置矫正困难，调试周期长等问题，适用于太阳能塔式热发电定日镜场或利用定日镜进行日光照明等场所。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能塔式热发电领域，特别涉及定日镜自动跟踪的方法。

背景技术

定日镜将太阳光反射到吸热器上是太阳能塔式热发电厂聚光发电的第一步，能否准确有效的聚光决定了整个电厂的效益，所以定日镜自动控制技术十分的重要。镜场中需要大量的定日镜，控制数量众多的镜子则是一大难题，在以往塔式热发电厂中，定日镜通常采用开环控制，即直接通过时间算出太阳位置，关于通过时间计算太阳位置的算法已经非常成熟，再结合吸热器目标方向计算出定日镜应处的姿态，再通过电机旋转使定日镜达到指定姿态。使用的传感器最多则是编码器等对电机旋转角度的测量从而间接控制镜面姿态，实际镜面姿态并没有检测。由于安装误差、机械误差以及地基的逐年变化等各种原因会导致间接控制电机旋转角度，达到的实际定日镜姿态并不准确，跟踪精度大大降低，影响聚光效果。对了应对这一缺点，电厂的实际运行中需要建立数据库并不断的更新数据库来矫正跟踪误差，数量众多的定日镜调试工作往往十分的复杂和耗时。国内外对定日镜的自动跟踪研究的颇多，但多局限于对跟踪误差的矫正上。矫正中用到的传感器——编码器，是基于安装轴进行角度的矫正，可是安装轴本身就存在倾斜，所以矫正很困难，而且此方法需要定日镜脱离工作状态一段时间进入矫正状态，从而影响了整个塔式热电厂的效益，对于数量庞多的定日镜，不可能定日镜全部脱离工作状态，所以整个矫正周期特别的长，并且需要不断的进行。

发明内容

本发明的目的是提出一种能够直接检测镜面姿态的传感器，其特征在于，该传感器是具备检测镜面姿态的集成型传感器，该传感器以精确的太阳方向和重力方向为基准，直接对镜面姿态进行测量和控制，具体是利用图像传感器、重力传感器、GPS采集镜面的姿态相关信号，最后由信号处理器将各种信息汇总、处理、计算得到姿态信息，并对定日镜发出控制指令，达到定日镜自动控制的需求；

具体是利用图像传感器得到镜面坐标系下的太阳向量，利用重力传感器得到定日镜坐标系下的重力向量，利用GPS得到准确的位置和时间，从而得到天球坐标系下的重力向量和太阳向量，通过坐标变换关系计算得出在天球坐标系下的镜面向量，即实际镜面姿态；通过天球坐标系下的太阳向量和吸热器目标向量可以计算出定日镜应该达到的理论镜面姿态。对比实际镜面姿态和理论镜面姿态对定日镜进行旋转，直到理论镜面姿态和实际镜面姿态相同。

所述镜面姿态传感器包括图像传感器、重力传感器、GPS、集成接口、信号处理器、内支架、外壳和透明盖，其中，图像传感器平铺于内支架的上平台，重力传感器、GPS、集成接口位于内支架的下平台，内支架的上下平台平行，使重力传感器和图像传感器相平行；外壳上端面中心开小孔，并用透明材料封住；

图像传感器、重力传感器、GPS信号输出端与集成接口连接，外壳开接口孔，信号处理器可从外部与集成接口连接，读取信号；所述外壳安装于定日镜面上特征平面处，即定日镜面上代表整个定日镜平面的某一处，并且使图像传感器与特征平面平行；所述信号处理器可以安装于定日镜上，也可不安装于定日镜上。

作为镜面姿态传感器的进一步改进，所述内支架的结构可以多样，保证重力传感器和图像传感器以固定已知角度安装即可。

作为镜面姿态传感器的进一步改进，所述信号处理器可设置单端口与单个集成接口相连，对一组传感器信号进行处理，也可设置多端口与多个集成接口相连，对多组传感器信号进行处理；所述信号处理器可以增设显示器直接显示定日镜姿态信息。

作为镜面姿态传感器的进一步改进，所述集成接口可增设无线通信或加强有线通讯将信号传输到远端处理器。

作为镜面姿态传感器的进一步改进，所述透明盖可过滤红外光线，也可过滤一定比例的可见光。

所述镜面姿态传感器用于定日镜自动跟踪的方法，包括利用三个传感器反馈的信息算出镜面法向量即镜面姿态，利用镜面姿态信息对定日镜进行控制实现自动跟踪，特别是：

镜面姿态传感器固定安装于定日镜上，使图像传感器与镜面平行，信号处理器与集成接口连接后收集三个传感器的信号；

阳光通过外壳上端面的小孔照射到图像传感器上，得到光点在图像传感器上的位置信息即镜面坐标系下的太阳方向信息，并传输到集成接口；重力传感器得到镜面坐标系下的重力方向信息，并传输到集成接口；GPS得到时间和整个装置的地理位置信息，反馈时间和当地天球坐标系下的重力方向信息，并传输到集成接口；

所有信号同时由集成接口传输入信号处理器，信号处理器利用提供的镜面坐标系下太阳方向信息、镜面坐标系下的重力方向信息、通过时间计算出的天球坐标系下的太阳方向信息和当地天球坐标系下的重力方向信息通过算法计算得到实际镜面姿态；信号处理器利用天球坐标系下的太阳方向和吸热器目标方向信息计算出镜面应该达到的理论镜面姿态；

不断控制电机旋转带动镜面旋转使实际镜面姿态理论镜面姿态相同即达到自动跟踪的目的。

作为镜面姿态传感器用于定日镜自动跟踪方法的进一步改进，所述图像传感器、重力传感器和GPS传输到集成接口的信息可以是经过自身处理过的信号也可以是原始信号。

作为镜面姿态传感器用于定日镜自动跟踪方法的进一步改进，所诉算法可以经过一定的优化和变形。

本发明的有益效果是：

1.本发明包括图像传感器、重力传感器和GPS三种传感器，通过充分利用传感器得到的信息进行计算，可以得到准确的镜面姿态，此算法以精确的太阳方向和重力方向为参考，并没有以其他物体如基座等安装设备为参考，避免了安装误差、机械误差等误差。

2.本发明使定日镜自动跟踪系统加入闭环反馈信号对定日镜进行控制，实现定日镜精确控制，使整个定日镜场的控制更加简单容易，还缩短了定日镜场调试期，更期许对整个电厂调控运行有所帮助。

附图说明

图1为本发明装置结构爆炸视图；

图2为本发明装置使用安装环境示意图；

图3为本发明方法定日镜自动跟踪方法流程图。图中标号：透明盖为1，外壳为2，图像传感器为3，内支架为4，重力传感器为5，GPS为6，集成接口为7，信号处理器为8，特征镜面为9。

具体实施方式(说明：本发明中涉及的向量均为单位向量)

本发明的目的是提出一种能够直接检测镜面姿态的传感器和定日镜自动跟踪方法，该传感器是具备检测镜面姿态的集成型传感器，该传感器以精确的太阳方向和重力方向为基准，直接对镜面姿态进行测量和控制，具体是利用图像传感器、重力传感器、GPS采集镜面的姿态相关信号，最后由信号处理器将各种信息汇总、处理、计算得到姿态信息，并对定日镜发出控制指令，达到定日镜自动控制的需求；下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

图1中，透明盖1固定在外壳2上端面的小孔上，图像传感器3固定在内支架4的上平台上，重力传感器5、GPS 6、集成接口7固定在内支架4的下平台，外壳2可将内支架4套住形成整体，图像传感器3、重力传感器5、GPS 6分别与集成接口7电连接，集成接口7与信号处理器8电连接。

内支架4的结构可以多样，保证重力传感器5和图像传感器3以固定已知角度安装即可；

信号处理器8可设置单端口与单个集成接口相连，对一组传感器信号进行处理，也可设置多端口与多个集成接口相连，对多组传感器信号进行处理；所述信号处理器可以增设显示器直接显示定日镜姿态信息也可以有线或无线输出定日镜姿态信息信号。

集成接口7可增设无线通信或加强有线通讯将信号传输到远端处理器8。

图2中，外壳2底面紧贴特征镜面9固定，信号处理器8可放置于镜面上也可不放置于镜面上。

图3中是定日镜自动跟踪方法流程图。

本发明定日镜自动跟踪方法具体包括：镜面姿态传感器平行安装于定日镜上，使图像传感器3与镜面平行，信号处理器8与集成接口7连接后收集三个传感器的信号；

阳光通过外壳上端面的小孔照射到图像传感器3上，得到光点在图像传感器3上的位置信息即镜面坐标系下的太阳方向信息并传输到集成接口7；重力传感器5得到镜面坐标系下的重力方向信息并传输到集成接口7；GPS 6得到时间和整个装置的地理位置信息，时间信息通过国际上通用的太阳算法可以进一步得到精确的天球坐标系下的太阳方向地理位置信息可以算出当地天球坐标系下的重力方向并传输到集成接口7；

人工在信号处理器上设置吸热器在镜场中的空间坐标，从而得到吸热器目标向量

所有信号同时由集成接口7传输入信号处理器8，信号处理器8利用提供的镜面坐标系下太阳方向信息、镜面坐标系下的重力方向信息、通过时间计算出的天球坐标系下的太阳方向信息和当地天球坐标系下的重力方向信息计算得到实际镜面姿态，算法如下：

设：天球坐标系为镜面坐标系的三坐标轴在天球坐标系下的坐标为

那么两坐标系的转化矩阵为其中x₁＝y₂＝z_H，即为所求，对应的镜面坐标系下的镜面坐标为真正的7个未知数为y₁>1>2>2>H>H>H；

通过以下关系式

总共12个等式，求得最优解

信号处理器8利用天球坐标系下的太阳方向和吸热器目标方向信息计算出镜面应该达到的理论镜面姿态，计算方法如下：

其中为吸热器目标向量；

不断控制电机旋转带动镜面旋转使实际镜面姿态理论镜面姿态相同即达到自动跟踪的目的。

参见图3，镜面姿态传感器用于定日镜自动跟踪的方法和工作流程如下：通电启动后，开始工作(步骤110)，转入步骤120、步骤140和步骤160；步骤120中，图像传感器检测到太阳光点，并转入步骤130；在步骤130中，得到镜面坐标系下的太阳方向，并转入步骤180；步骤140中，重力传感器检测到地球重力方向，并转入步骤150；在步骤150中，得到镜面坐标系下的重力方向，并转入步骤180；步骤160中，GPS检测到当地时间和地理位置，并转入步骤170；在步骤170中，得到天球坐标系下的太阳方向和重力方向，并转入步骤180；步骤180中，集成接口汇总各传感器信号，并转入步骤190；步骤190中，信号处理器对传感器信号进行计算，通过镜面坐标系下的太阳方向和重力方向、天球坐标系下的太阳方向和重力方向计算得到实际定日镜姿态，转入步骤200，通过天球坐标系下的太阳方向和吸热器目标方向计算得到理论定日镜姿态，转入步骤210；步骤220中，判断实际定日镜姿态和理论定日镜姿态是否相同，如果不同，则转入步骤230，否则转入步骤240；步骤230中，以使两镜面姿态相同为目的对电机进行控制带动镜面旋转，转动一定角度后则再转入步骤110之后，从头开始；步骤240中，依靠前时间段稳定运行时电机转动速度，推测下一时间的电机转动速度，以此惯性速度控制电机带动镜面旋转，转动一定角度后则再转入步骤110之后，从头开始。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。