嵌入式太陽(yáng)跟蹤定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

　　摘 要：太陽(yáng)能設(shè)備應(yīng)用中對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)位置的跟蹤和定位，決定了太陽(yáng)能量的利用率。為了能夠最大限度的獲得太陽(yáng)能量，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤太陽(yáng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)位置的跟蹤定位控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是依托太陽(yáng)位置算法，通過(guò)采集時(shí)間、空間信息計(jì)算后獲得當(dāng)前太陽(yáng)高度角和方位角。將角度信息送入嵌入式控制器驅(qū)動(dòng)兩軸伺服電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置的實(shí)時(shí)跟蹤定位。通過(guò)將理論計(jì)算值與光強(qiáng)度傳感器采集光斑最大強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證嵌入式太陽(yáng)跟蹤定位控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。通過(guò)太陽(yáng)位置算法理論值與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值對(duì)比表明：高度角誤差±1°、方位角誤差±3°，滿足實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)位置的精度要求。

　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)跟蹤; 太陽(yáng)位置算法;嵌入式系統(tǒng); 高度角; 方位角; 對(duì)比分析

　　胡寅; 梅月蘭， 電子測(cè)量技術(shù) 發(fā)表時(shí)間：2021-10-29

　　0 引 言

　　在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，對(duì)于能源的消耗日益嚴(yán)重。這就使新能源的開(kāi)發(fā)和利用迫在眉睫。新能源領(lǐng)域中的太陽(yáng)能技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)和前景。太陽(yáng)能具有能源儲(chǔ)量趨近于無(wú)限、適用范圍普遍存在、清潔環(huán)保無(wú)污染以及使用成本經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)[1]。目前可知的利用方式主要通過(guò)太陽(yáng)能電池、斯特林發(fā)電機(jī)等太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備實(shí)現(xiàn)。太陽(yáng)能有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在劣勢(shì)，究其原因主要是相對(duì)于地球而言，太陽(yáng)的位置每時(shí)每刻都在發(fā)生變化。太陽(yáng)能的能量分布存在地域差異，而且能量的獲得是隨機(jī)的、間接的和不均勻的[2]。

　　針對(duì)太陽(yáng)能的上述特點(diǎn)，目前已經(jīng)發(fā)展了一系列利用太陽(yáng)能的設(shè)備。要提高太陽(yáng)能設(shè)備的轉(zhuǎn)換效率需要能量轉(zhuǎn)換裝置必須隨時(shí)與太陽(yáng)光保持垂直，這樣才能夠在有限的受光面積上獲得最大限度的太陽(yáng)能量。太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)位置的跟蹤定位與否，決定了其能量的利用率。文獻(xiàn) [4]研究表明了太陽(yáng)光照角度與太陽(yáng)能接收率相關(guān)，太陽(yáng)跟蹤定位系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)能的利用率相較于非跟蹤系統(tǒng)而言提高了37.7%[3]。對(duì)于太陽(yáng)能技術(shù)而言，跟蹤定位技術(shù)的發(fā)展顯得尤為重要。

　　近年來(lái)，太陽(yáng)跟蹤定位技術(shù)發(fā)展有兩大趨勢(shì)，一種是使用光學(xué)傳感器進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤定位，主要涵蓋時(shí)間控制式、程序控制式和光電跟蹤式等[4]。上述的跟蹤定位裝置原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，易于實(shí)現(xiàn)。余佳煥提出了基于全站儀采集目標(biāo)棱鏡三維坐標(biāo)并進(jìn)行兩軸線相對(duì)位置轉(zhuǎn)換方法。但是對(duì)于有隨機(jī)遮擋的太陽(yáng)光線，光學(xué)類傳感器會(huì)存在跟蹤盲區(qū)，無(wú)法持續(xù)不間斷地跟蹤定位太陽(yáng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的位置。光學(xué)傳感器也存在累計(jì)誤差和傳感器老化等問(wèn)題 [5];另一種跟蹤定位裝置不采用光學(xué)傳感器，而是利用天文學(xué)中對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡進(jìn)行觀測(cè)和跟蹤的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。李紫倩提出了利用經(jīng)緯度和時(shí)間計(jì)算高度角和方位角的方式進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤調(diào)節(jié)，該類裝置原理復(fù)雜，高度集成化，無(wú)外置傳感器，需要通過(guò)大量計(jì)算獲得當(dāng)前太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，可以持續(xù)不間斷地跟蹤定位太陽(yáng)實(shí)時(shí)運(yùn)行的位置[6]。本文開(kāi)展了基于太陽(yáng)位置算法的嵌入式太陽(yáng)跟蹤定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)搭建嵌入式太陽(yáng)跟蹤定位平臺(tái)，對(duì)理論計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，驗(yàn)證了太陽(yáng)位置算法的精確性，為后續(xù)研究無(wú)外置傳感器太陽(yáng)位置精確跟蹤系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

　　1 基于太陽(yáng)位置算法的實(shí)驗(yàn)框架搭建

　　1.1 太陽(yáng)跟蹤定位平臺(tái)搭建

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)位置的精確跟蹤定位，如圖1所示。機(jī)械結(jié)構(gòu)方面跟蹤定位機(jī)架整體采用不銹鋼材焊接而成。為了保證機(jī)架運(yùn)行的穩(wěn)定性和平滑性，減小振動(dòng)對(duì)機(jī)架的影響，兩自由度旋轉(zhuǎn)軸上均安裝了軸承。定位機(jī)架上安裝旋轉(zhuǎn)和俯仰兩個(gè)自由度的伺服電機(jī)和減速器。在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸向的位置安裝絕對(duì)編碼器，用于精確檢測(cè)跟蹤機(jī)架實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的高度角和方位角。在機(jī)架上安裝了聚光器，其目的是為后續(xù)架設(shè)斯特林發(fā)電機(jī)做準(zhǔn)備工作。為了驗(yàn)證跟蹤定位的實(shí)際效果，在聚光器同側(cè)靠上的位置頂端安裝有 8個(gè)硅光電池傳感器，該類傳感器主要用于檢測(cè)在聚光器平面上的太陽(yáng)光線強(qiáng)度。上述設(shè)計(jì)的主要目的是能夠獲得當(dāng)前位置下太陽(yáng)光照強(qiáng)度的情況。目的是為了后續(xù)能夠自動(dòng)記錄和驗(yàn)證太陽(yáng)定位算法實(shí)時(shí)控制效率以及實(shí)際與太陽(yáng)運(yùn)行位置的偏差。通過(guò)上述數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)基于太陽(yáng)位置算法的跟蹤定位精確控制[7]。

　　1.2嵌入式控制系統(tǒng)構(gòu)建

　　嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建主要涉及嵌入式控制器、前向通道和后向通道三個(gè)部分，如圖2所示。

　　嵌入式控制器的主控 CPU 是四核 Cortex-A9 的 Exynos4412處理器。嵌入式控制器移植Linux操作系統(tǒng)。在上述軟硬件平臺(tái)上通過(guò)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)定位算法，驅(qū)動(dòng)俯仰和方位兩軸伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置的自動(dòng)跟蹤定位。

　　前向通道主要負(fù)責(zé)采集太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤定位所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，主要涉及時(shí)間、地理位置和光照強(qiáng)度三類數(shù)據(jù)形式：

　　1. RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)

　　太陽(yáng)定位算法需要當(dāng)前實(shí)時(shí)的時(shí)間信息作為算法輸入?yún)?shù)。利用RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路可以獲得當(dāng)前的實(shí)時(shí)時(shí)間信息。該電路與嵌入式控制器采用I2C協(xié)議進(jìn)行通信。內(nèi)容涉及有年、月、日、時(shí)、分、秒等6項(xiàng)數(shù)據(jù)。

　　2. GPS 衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)

　　太陽(yáng)定位算法還需要結(jié)合當(dāng)前地理位置信息來(lái)計(jì)算太陽(yáng)當(dāng)前所處的方位和高度，所以GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)也是算法輸入的重要參數(shù)。利用GPS衛(wèi)星定位電路可以獲得當(dāng)前地理位置的經(jīng)緯度等信息。GPS電路采用異步串行通信協(xié)議方式向嵌入式控制器傳送當(dāng)前地理位置經(jīng)度、緯度和時(shí)區(qū)等3項(xiàng)數(shù)據(jù)。

　　3. 硅光電池光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)

　　采用硅光電池作為太陽(yáng)光光照強(qiáng)度檢測(cè)的傳感器，主要是考慮通過(guò)硅光電池輸出電壓的分布情況來(lái)檢驗(yàn)太陽(yáng)定位算法輸出控制的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。硅光電池的光照強(qiáng)度電壓通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送入嵌入式控制器中，嵌入式控制器將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得到光強(qiáng)度偏離中心的程度，將該數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄下來(lái)，為后續(xù)的太陽(yáng)定位算法的修正提供依據(jù)。

　　后向通道主要實(shí)現(xiàn)俯仰和方位兩軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。兩軸伺服電機(jī)采用PWM信號(hào)進(jìn)行速度控制，兩軸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程均通過(guò)12位絕對(duì)式編碼器進(jìn)行檢測(cè)。絕對(duì)式編碼器通過(guò)SSI接口與嵌入式控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)。從而可以精確的控制伺服電機(jī)按照太陽(yáng)位置算法的結(jié)果進(jìn)行跟蹤定位[8-9]。

　　2 太陽(yáng)位置算法理論

　　太陽(yáng)位置算法的核心是要得到精確的太陽(yáng)實(shí)時(shí)位置，而太陽(yáng)實(shí)時(shí)位置是通過(guò)太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角來(lái)表達(dá)的。如圖3所示，太陽(yáng)高度角是指太陽(yáng)入射光線與太陽(yáng)入射光線所在地平面的夾角，用?表示。而太陽(yáng)方位角是指從北極點(diǎn)開(kāi)始順時(shí)針?lè)较虻教?yáng)入射光線在地平面上投影的夾角，用?表示。

　　在太陽(yáng)位置算法中要獲得精確的太陽(yáng)高度角和方位角數(shù)據(jù)，就需要將時(shí)間和空間信息作為太陽(yáng)位置算法的輸入?yún)?shù)。通過(guò)一系列的數(shù)值計(jì)算，可以獲得對(duì)應(yīng)時(shí)間和空間下的實(shí)際的太陽(yáng)高度角和方位角。

　　在時(shí)間維度上將當(dāng)前的日期和時(shí)間按照：年、月、日、時(shí)、分和秒6個(gè)參數(shù)進(jìn)行劃分。在空間維度上將當(dāng)前的地理位置按照：經(jīng)度、緯度和時(shí)區(qū)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行劃分。通過(guò)上述9個(gè)參數(shù)送入太陽(yáng)位置算法進(jìn)行計(jì)算，就可以求解出當(dāng)前太陽(yáng)所在空間、時(shí)間的實(shí)時(shí)高度角和方位角[10-14]。太陽(yáng)位置算法的計(jì)算流程如圖4所示。

　　首先利用當(dāng)前RTC數(shù)據(jù)中的年 Y 、月 M 、日 D 參數(shù)進(jìn)行計(jì)算獲得年積日 n 和太陽(yáng)赤緯角?，計(jì)算公式如1，2所示。

　　利用上述數(shù)據(jù)還可以求得儒略日 D J 和儒略世紀(jì) C J ，計(jì)算公式如3，4所示。

　　接下來(lái)由儒略世紀(jì) C J 可以同步求得太陽(yáng)平黃經(jīng) L0 、太陽(yáng)平近點(diǎn)角? M 、地球軌道離心率 e 和黃赤交角?四個(gè)參數(shù)，計(jì)算公式如5，6，7，8所示：

　　對(duì)上述四個(gè)參數(shù)進(jìn)行如公式9所示計(jì)算，可以獲得當(dāng)前的時(shí)差 EQ ： 2 2 0 0 4 2 tan ( )sin(2 ) 2 sin( ) 4 tan ( )sin( )cos(2 ) 2 2 tan ( ) 5e 2 ( )sin(4 ) sin(2 ) 2 4 Q M M M M E L e e L ? ? ? ??? ?? ? ?? ? (9)得到時(shí)差 EQ 后，引入經(jīng)度?和時(shí)區(qū) Z 參數(shù)可以求得平太陽(yáng)時(shí) TF ，計(jì)算公式如10所示： 4 60 T E Z F Q ? ? ? ? (10)然后在平太陽(yáng)時(shí)的基礎(chǔ)上，再引入時(shí) H 、分 Mi 、秒 S 參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到真太陽(yáng)時(shí) TS 和時(shí)角?，計(jì)算公式如11，12所示： S i TF S T ? H ? M ? ) ? 60 (60 (11) 180) 4 ? ( ? TS ? (12)最終通過(guò)時(shí)角?、太陽(yáng)赤緯角?和緯度?可以求出太陽(yáng)高度角?以及太陽(yáng)方位角?，計(jì)算公式如13，14所示：? ? arcsin(sin (?)sin( ? ) ? cos(?) cos(? ) cos(?)) (13) sin( )sin( ) sin( ) arccos( ) cos( )cos( ) ? ? ? ?? ??? (14)至此，通過(guò)太陽(yáng)位置算法就完成了從當(dāng)前時(shí)間維度和空間維度實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算轉(zhuǎn)化過(guò)程[15-17]。

　　3 實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比

　　基于上述的機(jī)械物理架構(gòu)和太陽(yáng)定位算法，為了驗(yàn)證太陽(yáng)定位算法的跟蹤精度和效率，我們進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，如圖5所示。

　　3.1 高度角跟蹤實(shí)驗(yàn)

　　選擇光照時(shí)間充足，少云的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將設(shè)備置于開(kāi)闊場(chǎng)地，本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間是從早上7點(diǎn)至晚上19點(diǎn)，嵌入式控制器根據(jù)太陽(yáng)定位算法利用時(shí)間、地理等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后驅(qū)動(dòng)俯仰伺服電機(jī)進(jìn)行控制。絕對(duì)值編碼器將實(shí)時(shí)測(cè)量到的俯仰角度送至嵌入式控制器中進(jìn)行記錄。同時(shí)硅光電池傳感器記錄當(dāng)前太陽(yáng)光照強(qiáng)度的分布情況。將時(shí)間、俯仰角度和光照強(qiáng)度三類數(shù)據(jù)綜合分析后對(duì)太陽(yáng)定位算法權(quán)值進(jìn)行修正得到太陽(yáng)高度角，使其更加貼合實(shí)際太陽(yáng)高度位置運(yùn)行情況[18-19]。如圖6所示為在昆明太陽(yáng)高度角隨著時(shí)間推移帶來(lái)的變化情況。虛線是我們通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)影子的方式來(lái)間接測(cè)量太陽(yáng)高度角，實(shí)線是我們通過(guò)絕對(duì)值編碼器測(cè)量的太陽(yáng)高度角度值。兩者從整體上來(lái)看，誤差范圍控制在±1°以內(nèi)。

　　3.2 方位角跟蹤實(shí)驗(yàn)

　　同樣，對(duì)方位角也采用了相似的方式進(jìn)行，如圖7所示。虛線是我們通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)影子的方式來(lái)間接測(cè)量太陽(yáng)方位角，實(shí)線是我們通過(guò)絕對(duì)值編碼器測(cè)量的太陽(yáng)方位角度值。兩者從整體上來(lái)看，誤差范圍控制在±3°以內(nèi)。

　　從實(shí)驗(yàn)誤差分析可以看出太陽(yáng)高度和方位的實(shí)際測(cè)量值和太陽(yáng)位置理論計(jì)算值之間的平均誤差較小，可以滿足實(shí)際太陽(yáng)位置的跟蹤控制需求。

　　4 結(jié)論

　　本文提出了基于太陽(yáng)位置算法的嵌入式太陽(yáng)跟蹤定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究探索。從跟蹤定位系統(tǒng)運(yùn)行的精度來(lái)看，該跟蹤定位系統(tǒng)完全不用考慮外界因素對(duì)整體系統(tǒng)的影響，整個(gè)系統(tǒng)按照嵌入式系統(tǒng)內(nèi)的太陽(yáng)位置算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精確地跟蹤定位。達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的。本文的先進(jìn)性在于沒(méi)有外置光學(xué)傳感器將使整個(gè)跟蹤定位系統(tǒng)的造價(jià)成本大幅下降，系統(tǒng)的穩(wěn)定性可靠性提升。未來(lái)針對(duì)集群式的太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)用場(chǎng)景，可對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電裝置的遠(yuǎn)程集群控制展開(kāi)研究，有助于太陽(yáng)能設(shè)備發(fā)電效率的提升和太陽(yáng)能裝置的推廣及應(yīng)用。