张宇思， 时维铎， 徐 磊， 丁 锐

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

0 引 言

随着清洁能源不断推广，对于太阳能利用率的要求越来越高。虽然太阳能覆盖范围广，但能量密度较低且具有间歇性，太阳能的利用率与接收太阳光的角度密切相关，使得固定式太阳能板对太阳能的利用率普遍较低。近年来，对于太阳能自动跟踪系统的研究逐渐增多，有实验证明,跟踪系统比固定模式多吸收30 %的能量[1]。跟踪系统主要特点为能够实现对太阳自动跟踪，使得太阳光与太阳能板保持垂直，以得到最大的能量利用率。

太阳能自动跟踪系统根据信号采集方式分为视日运动轨迹跟踪、光电跟踪[2，3]。将二者结合的跟踪方式使用较多，因为视日运动轨迹方式是通过算法估算太阳的位置，误差较大，光电跟踪受天气与视角的影响较大[4，5]，因此,将二者结合可以弥补各自缺陷。

本文将视日运动轨迹方式与光电跟踪方式相结合，采用双轴伺服闭环控制系统，不仅可以大大提高太阳能的利用效率，且在控制精度、速度上有了很大的提高，不仅满足民用企业的需要，对一些高精度的军工产品具有重要意义。

1 系统总体方案设计

本文以STM32F429为主控制器，由全球定位系统(global positioning system,GPS)模块采集当前时间与经纬度信息。开机首先对各个模块进行初始化，然后通过GPS获取当前的时间信息，若为早晨6︰00以后则进行视日运动轨迹计算，通过数字式伺服电机调节，再由摄像头采集太阳图像信息，经处理后得到视日运动轨迹的差值，根据差值进行细调，同时定时将时间与对应的俯仰角、方位角偏移量存入外部电可擦可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory,EEPROM)中，并显示图像与当前信息。若因为天气等原因无法采集到图像信息，则由保存的最近日期的相近时间的偏移量代替，达到继续跟踪的目的。当系统判断处在18︰00～6︰00之间时，系统将自动进入休眠态，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统控制算法设计

2.1 视日运动追踪算法

太阳的俯仰角和方位角与观测地的地理位置和时间相关。时间采用协调世界时(coordinated universal time,UTC)，当太阳时角为ω，俯仰角为αs，方位角为γs，观测地纬度为l,太阳赤纬为δ时，太阳的俯仰角与方位角为

sinαs=sinlsinδ+coslcosδcosω

(1)

sinγs=cosδsinω/cosαs

(2)

再通过反正弦的方法，可以计算出当前太阳的方位角和俯仰角。

2.2 图像处理算法

图像处理的目的是为了寻找质心，通过质心可以更加精确地寻找到太阳位置，提高控制精度，涉及到图像二值化处理、边缘检测与获得质心[6,7]。

图像二值化处理采用最大类间方差法，按图像的灰度特性将图像分为背景和目标两部分。假设背景点数占图像比例为w0，平均灰度为u0；前景点数占图像比例为w1，平均灰度为u1,T为前景与背景的分割阈值,图像总平均灰度u为

u=w0*u0+w1*u1

(3)

从最小灰度值到最大灰度值遍历t，当g最大时,t即为分割的最佳阈值

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

(4)

边缘检测采用Kirsch算子，Kirsch算子采用8个3×3的模板对图像进行卷积，8个模板代表8个方向，并取最大值作为图像的边缘输出。设图像P，模板为Mk,则在(x,y)处的边缘强度为

E(x,y)=max{Mk*P},k=1,2,…,8

(5)

根据边缘后的连通区域取平均值，从而得到质心坐标。

3 硬件电路设计

3.1 GPS模块电路设计

GPS模块采用ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模块。ATK—S1216F8—BD GPS/北斗模块是一种高性能GPS/北斗双模定位模块，该模块体积小巧，定位精度高，可通过串口进行参数设置，兼容3.3V/5V电平，使用方便。

本文使用GPS模块获取时间与经纬度信息，通过天文算法得到太阳的俯仰角和方位角，ATK—S1216F8—BD模块原理如图2所示。

图2 ATK—S1216F8—BD模块原理

3.2 摄像头模块电路设计

摄像头模块采用OV2640模块，该传感器体积小、工作电压低，提供单片UXGA摄像头和影像处理器的所有功能，UXGA图像最高达到15帧/s，具有标准SCCB接口，原理如图3所示。

图3 OV2640驱动模块原理

由于OV2640光传感器在强光下很容易进入饱和值，所以,在实验时采用星特朗天文望远镜目镜太阳滤光片进行滤光，可以减小反射，采集到清晰的图像。

3.3 数据存储模块电路设计

数据存储模块采用AT24C02模块，AT24C02是低工作电压的2 kb串行电可擦除只读存储器。本文使用AT24C02模块存储视日运动轨迹追踪的偏移量，以供阴天或无法识别图像时的继续追踪功能。AT24C02模块原理图如图4。

图4 AT24C02模块原理

3.4 电机驱动模块电路设计

系统采用2个高精度数字式伺服电机对太阳的俯仰角和方位角进行跟踪控制，通过输出脉冲信号与方向信号控制伺服电机运动控制2个电机转到相应角度，通过控制电机输出脉宽调制(pulse width modulation,PWM)波的频率来控制电机转动的速度，原理如图5所示。

图5 电机模块原理

3.5 编码器模块电路设计

编码器安装在整个跟踪系统的末端，通过编码器时刻取得电机运转的实际角度，不仅可以有效地消除由于涡轮、蜗杆造成的机械误差，还给整个控制系统的提供闭环控制量，对控制系统精度的提高具有重要作用。

系统采用的绝对值编码器GES38 HA08RDB模块，具有14位分辨率，高精度全数字化，高速数字通信输出，冗余的绝对值信号输出，实现位置与速度控制的双闭环，并提供RS—485自由通信协议，使用方便、快捷。

4 系统软件流程设计

系统软件主要实现的功能有：采集处理GPS数据、摄像头数据、编码器数据，存储数据到外部EEPROM，输出PWM与方向信号给伺服电机，显示采集与处理后图像与相关信息。软件流程如图6所示。

图6 系统软件流程

系统上电后，对各个模块进行初始化，通过GPS模块获取当前的时间值和经纬度值，若时间在6︰00～18︰00之间时系统进行追踪运动，否则通过检测到的时间定时进入睡眠状态[8]。进行追踪运动时，首先根据视日运动轨迹算法取得方位角与俯仰角并控制电机运动，再采集摄像头数据，若视角中图像可找到质心，则控制电机进行追踪，否则取得存储的最近日期的最近时间点的偏移量，根据存储的偏移量控制电机运动，最后显示当前信息[9]。

5 试验数据

本设备于2017年11月11日在南京林业大学进行试验，从8︰30～12︰00，进行连续4h的测试，系统可以实时跟踪上太阳，当太阳光被挡时，系统可以通过内部存储的误差数据进行跟踪，当太阳光恢复正常后，又可以恢复图像跟踪，系统测试界面如图7所示。

图7 系统测试界面

系统安装之后，会因为定位不准造成误差，经过零点校准之后，可以准确找到天文正北方向，找到零点。零点找准之后，通过连续测试，可以得出系统不同时刻(9︰30～12︰00)编码器输出的俯仰角和方位角通过与计算的理论值对比：系统俯仰角的最大绝对误差为-0.057°，最小绝对误差为0.000 7°，平均绝对误差为-0.024 2，最大相对误差为0.18 %，最小相对误差为0.002 %，平均相对误差为0.076 %；系统方位角的最大绝对误差为-0.095 4，最小绝对误差为-0.007 4，平均绝对误差为-0.035，最大相对误差为0.06 %，最小相对误差为0.01 %，平均相对误差为0.027 %。系统平均误差均在0.1 %以下，控制精度完全满足民品和大部分军品的要求。

6 结 论

本文研究的高精度太阳跟踪伺服闭环控制系统，将视日运动和光电跟踪相结合，不仅在控制精度和速度上有个很大的提高，在阴天或无法取得图像信息时，系统可以通过内部存储误差的方法进行校准跟踪。无论是在太阳能效率提高，还是在气象气候的研究方面，都具有实际应用价值。