張宇思， 時維鐸， 徐 磊， 丁 銳

(南京林業大學 信息科學技術學院，江蘇 南京 210037)

0 引 言

隨著清潔能源不斷推廣，對于太陽能利用率的要求越來越高。雖然太陽能覆蓋范圍廣，但能量密度較低且具有間歇性，太陽能的利用率與接收太陽光的角度密切相關，使得固定式太陽能板對太陽能的利用率普遍較低。近年來，對于太陽能自動跟蹤系統的研究逐漸增多，有實驗證明,跟蹤系統比固定模式多吸收30 %的能量[1]。跟蹤系統主要特點為能夠實現對太陽自動跟蹤，使得太陽光與太陽能板保持垂直，以得到最大的能量利用率。

太陽能自動跟蹤系統根據信號采集方式分為視日運動軌跡跟蹤、光電跟蹤[2，3]。將二者結合的跟蹤方式使用較多，因為視日運動軌跡方式是通過算法估算太陽的位置，誤差較大，光電跟蹤受天氣與視角的影響較大[4，5]，因此,將二者結合可以彌補各自缺陷。

本文將視日運動軌跡方式與光電跟蹤方式相結合，采用雙軸伺服閉環控制系統，不僅可以大大提高太陽能的利用效率，且在控制精度、速度上有了很大的提高，不僅滿足民用企業的需要，對一些高精度的軍工產品具有重要意義。

1 系統總體方案設計

本文以STM32F429為主控制器，由全球定位系統(global positioning system,GPS)模塊采集當前時間與經緯度信息。開機首先對各個模塊進行初始化，然后通過GPS獲取當前的時間信息，若為早晨6︰00以后則進行視日運動軌跡計算，通過數字式伺服電機調節，再由攝像頭采集太陽圖像信息，經處理后得到視日運動軌跡的差值，根據差值進行細調，同時定時將時間與對應的俯仰角、方位角偏移量存入外部電可擦可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)中，并顯示圖像與當前信息。若因為天氣等原因無法采集到圖像信息，則由保存的最近日期的相近時間的偏移量代替，達到繼續跟蹤的目的。當系統判斷處在18︰00～6︰00之間時，系統將自動進入休眠態，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統控制算法設計

2.1 視日運動追蹤算法

太陽的俯仰角和方位角與觀測地的地理位置和時間相關。時間采用協調世界時(coordinated universal time,UTC)，當太陽時角為ω，俯仰角為αs，方位角為γs，觀測地緯度為l,太陽赤緯為δ時，太陽的俯仰角與方位角為

sinαs=sinlsinδ+coslcosδcosω

(1)

sinγs=cosδsinω/cosαs

(2)

再通過反正弦的方法，可以計算出當前太陽的方位角和俯仰角。

2.2 圖像處理算法

圖像處理的目的是為了尋找質心，通過質心可以更加精確地尋找到太陽位置，提高控制精度，涉及到圖像二值化處理、邊緣檢測與獲得質心[6,7]。

圖像二值化處理采用最大類間方差法，按圖像的灰度特性將圖像分為背景和目標兩部分。假設背景點數占圖像比例為w0，平均灰度為u0；前景點數占圖像比例為w1，平均灰度為u1,T為前景與背景的分割閾值,圖像總平均灰度u為

u=w0*u0+w1*u1

(3)

從最小灰度值到最大灰度值遍歷t，當g最大時,t即為分割的最佳閾值

g=w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2

(4)

邊緣檢測采用Kirsch算子，Kirsch算子采用8個3×3的模板對圖像進行卷積，8個模板代表8個方向，并取最大值作為圖像的邊緣輸出。設圖像P，模板為Mk,則在(x,y)處的邊緣強度為

E(x,y)=max{Mk*P},k=1,2,…,8

(5)

根據邊緣后的連通區域取平均值，從而得到質心坐標。

3 硬件電路設計

3.1 GPS模塊電路設計

GPS模塊采用ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模塊。ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模塊是一種高性能GPS/北斗雙模定位模塊，該模塊體積小巧，定位精度高，可通過串口進行參數設置，兼容3.3V/5V電平，使用方便。

本文使用GPS模塊獲取時間與經緯度信息，通過天文算法得到太陽的俯仰角和方位角，ATK—S1216F8—BD模塊原理如圖2所示。

圖2 ATK—S1216F8—BD模塊原理

3.2 攝像頭模塊電路設計

攝像頭模塊采用OV2640模塊，該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能，UXGA圖像最高達到15幀/s，具有標準SCCB接口，原理如圖3所示。

圖3 OV2640驅動模塊原理

由于OV2640光傳感器在強光下很容易進入飽和值，所以,在實驗時采用星特朗天文望遠鏡目鏡太陽濾光片進行濾光，可以減小反射，采集到清晰的圖像。

3.3 數據存儲模塊電路設計

數據存儲模塊采用AT24C02模塊，AT24C02是低工作電壓的2 kb串行電可擦除只讀存儲器。本文使用AT24C02模塊存儲視日運動軌跡追蹤的偏移量，以供陰天或無法識別圖像時的繼續追蹤功能。AT24C02模塊原理圖如圖4。

圖4 AT24C02模塊原理

3.4 電機驅動模塊電路設計

系統采用2個高精度數字式伺服電機對太陽的俯仰角和方位角進行跟蹤控制，通過輸出脈沖信號與方向信號控制伺服電機運動控制2個電機轉到相應角度，通過控制電機輸出脈寬調制(pulse width modulation,PWM)波的頻率來控制電機轉動的速度，原理如圖5所示。

圖5 電機模塊原理

3.5 編碼器模塊電路設計

編碼器安裝在整個跟蹤系統的末端，通過編碼器時刻取得電機運轉的實際角度，不僅可以有效地消除由于渦輪、蝸桿造成的機械誤差，還給整個控制系統的提供閉環控制量，對控制系統精度的提高具有重要作用。

系統采用的絕對值編碼器GES38 HA08RDB模塊，具有14位分辨率，高精度全數字化，高速數字通信輸出，冗余的絕對值信號輸出，實現位置與速度控制的雙閉環，并提供RS—485自由通信協議，使用方便、快捷。

4 系統軟件流程設計

系統軟件主要實現的功能有：采集處理GPS數據、攝像頭數據、編碼器數據，存儲數據到外部EEPROM，輸出PWM與方向信號給伺服電機，顯示采集與處理后圖像與相關信息。軟件流程如圖6所示。

圖6 系統軟件流程

系統上電后，對各個模塊進行初始化，通過GPS模塊獲取當前的時間值和經緯度值，若時間在6︰00～18︰00之間時系統進行追蹤運動，否則通過檢測到的時間定時進入睡眠狀態[8]。進行追蹤運動時，首先根據視日運動軌跡算法取得方位角與俯仰角并控制電機運動，再采集攝像頭數據，若視角中圖像可找到質心，則控制電機進行追蹤，否則取得存儲的最近日期的最近時間點的偏移量，根據存儲的偏移量控制電機運動，最后顯示當前信息[9]。

5 試驗數據

本設備于2017年11月11日在南京林業大學進行試驗，從8︰30～12︰00，進行連續4h的測試，系統可以實時跟蹤上太陽，當太陽光被擋時，系統可以通過內部存儲的誤差數據進行跟蹤，當太陽光恢復正常后，又可以恢復圖像跟蹤，系統測試界面如圖7所示。

圖7 系統測試界面

系統安裝之后，會因為定位不準造成誤差，經過零點校準之后，可以準確找到天文正北方向，找到零點。零點找準之后，通過連續測試，可以得出系統不同時刻(9︰30～12︰00)編碼器輸出的俯仰角和方位角通過與計算的理論值對比：系統俯仰角的最大絕對誤差為-0.057°，最小絕對誤差為0.000 7°，平均絕對誤差為-0.024 2，最大相對誤差為0.18 %，最小相對誤差為0.002 %，平均相對誤差為0.076 %；系統方位角的最大絕對誤差為-0.095 4，最小絕對誤差為-0.007 4，平均絕對誤差為-0.035，最大相對誤差為0.06 %，最小相對誤差為0.01 %，平均相對誤差為0.027 %。系統平均誤差均在0.1 %以下，控制精度完全滿足民品和大部分軍品的要求。

6 結 論

本文研究的高精度太陽跟蹤伺服閉環控制系統，將視日運動和光電跟蹤相結合，不僅在控制精度和速度上有個很大的提高，在陰天或無法取得圖像信息時，系統可以通過內部存儲誤差的方法進行校準跟蹤。無論是在太陽能效率提高，還是在氣象氣候的研究方面，都具有實際應用價值。