(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.03.19
C N 103644665
A (21)申请号 201310717973.2
(22)申请日 2013.12.23
F24J 2/38(2014.01)
F24J 2/40(2006.01)
(71)申请人中国科学院电工研究所
地址100190 北京市海淀区中关村北二条6
号
(72)发明人綦述飞 王志峰 张渐寒 朱会宾
付向东 郭明焕 徐立
(74)专利代理机构北京科迪生专利代理有限责
任公司 11251
代理人
关玲
(54)发明名称
(57)摘要
一种定日镜跟踪控制系统及定日镜跟踪方
器视觉初始误差矫正系统，以及上位控制系统。双
轴倾角传感器用以测量双俯仰定日镜镜面在南北
和东西两个维度相对与水平面的实时倾角，机器
视觉初始误差矫正系统用以矫正双轴倾角传感器
初始安装误差。由太阳位置算法计算出当时当地
太阳入射光线向量，由几何跟踪算法计算得到双
俯仰定日镜在东西向和南北向相对于水平面分别
应处的理论倾角，将理论倾角与双轴倾角传感器
反馈的双俯仰定日镜镜面实际倾斜角度较，得出
倾角差值，控制装置中的就地控制器根据此倾角
转动，完成跟踪。
(51)Int.Cl.
权利要求书2页 说明书6页 附图4页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书6页 附图4页(10)申请公布号CN 103644665 A
1.一种定日镜跟踪控制系统，其特征在于，所述的定日镜跟踪控制系统包括双俯仰定日镜、双轴倾角传感器、机器视觉初始误差矫正系统和上位控制系统；
所述双俯仰定日镜通过东西向和南北向两个维度的俯仰运动实现定日镜追日跟踪；所述的双轴倾角传感器贴附于双俯仰定日镜镜面的正面或背部，所述的双轴倾角传感器的安装平面与双俯仰定日镜镜面平行；
双轴倾角传感器的输出端与双俯仰定日镜控制装置中的就地控制器相连，双轴倾角传感器的输出值直接体现双俯仰定日镜镜面实际倾斜角度，用以作为上位策略执行和电机转动的逻辑判断依据；所述的机器视觉初始误差矫正系统与双俯仰定日镜控制装置中的就地控制器相连进行通信，所述的上位控制系统与双俯仰定日镜控制装置的就地控制器相连进行通信。
2.根据权利要求1所述的定日镜控制系统，其特征在于：所述双俯仰定日镜包括双俯仰定日镜镜面、支撑结构、控制装置和双轴驱动系统。所述的支撑结构主要由双俯仰定日镜镜面支架和立柱构成，双俯仰定日镜镜面支架支撑双俯仰定日镜镜面，立柱的两端分别连接双轴驱动系统和地基；双俯仰定日镜镜面支架的一端连接双轴驱动系统，另一端连接并支撑双俯仰定日镜镜面；所述的双轴驱动系统包括电机和减速机，垂直相交的双俯仰定日镜东西向俯仰轴和南北向俯仰轴均由一台电机搭配一台减速机驱动，减速机与双俯仰定日镜镜面支架相连，驱动双俯仰定日镜运转，电机输出轴与减速机输入端相连；所述的控制装置固定于立柱侧面，主要由就地控制器和电机驱动器构成，其中就地控制器负责执行跟踪算法和电机控制逻辑，电机驱动器接受就地控制器的控制信号，驱动电机运转。就地控制器与上位控制系统通过网络连接进行通讯，与双轴倾角传感器输出线连接，采集双俯仰定日镜镜面倾角信息；电机驱动器与就地控制器相连接，接收就地控制器发来的控制信号并向就地控制器反馈电机运行状态信号，并与电机连接，驱动电机运转。
3.根据权利要求1所述的定日镜跟踪控制系统，其特征在于，所述的机器视觉初始误差矫正系统主要由以
下几部分构成：摄像机（6）、靶面（2）和图像处理系统（7）；所述的摄像机（6）放置于双俯仰定日镜镜场中，摄像机（6）的镜头朝向靶面中心固定安装，所述的靶面（2）安置在太阳能热发电系统吸热器（1）的正下方；摄像机（6）与图像处理系统（7）通过网络连接，图像处理系统（7）和上位控制系统（5）之间通过以太网络连接，进行通讯。
4.应用权利要求1所述的定日镜跟踪控制系统的定日镜跟踪方法，其特征在于，所述的定日镜跟踪方法如下：由太阳位置算法计算出当时当地太阳入射光线向量，基于双俯仰定日镜镜面中心坐标和投射目标位置坐标关系由几何跟踪算法计算出双俯仰定日镜镜面理论法线向量，即计算出双俯仰定日镜在东西向和南北向相对于水平面分别应处的理论倾角，将理论倾角与双轴倾角传感器反馈的双俯仰定日镜镜面实际倾斜角度比较，得出倾角差值，控制装置中的就地控制器根据此倾角差值控制电机转动，当倾角差值为0时电机停止转动，完成跟踪。
5.根据权利要求4所述的定日镜跟踪方法，其特征在于，双俯仰定日镜镜面实际倾斜角度=双轴倾角传感器测量值+初始安装误差；所述的初始安装误差由机器视觉初始误差矫正系统得到，由初始安装精度决定，保持不变。
6.根据权利要求5所述的定日镜跟踪方法，其特征在于，所述的机器视觉初始误差矫正系统得到初始安装误差的方法如下：
以靶面中心为跟踪目标控制双俯仰定日镜投射太阳光线，由朝向靶面中心的摄像头采
集靶面上的投射光斑图像，经图像处理系统分析得到投射光斑图像的实际中心坐标，与靶面中心坐标比对，求得初始安装误差；
所述的初始安装误差矫正算法如下：
假设一面双俯仰定日镜将太阳光发射至机器视觉初始误差矫正系统的靶面，摄像机采
集到靶面光斑，由图像处理系统计算出光斑中心的实际坐标为(x
2,y
2
,z
2
)，
首先以纠偏靶面中心为目标点，经由几何跟踪算法求得双俯仰定日镜在南北俯仰轴和和东西俯仰轴的理论倾角分别设为α和β；
设以实测光斑中心为目标点的目标向量设为
经几何跟踪算法求得双俯仰定日镜在南北俯仰轴和东西俯仰轴的实际倾角，分别设为α′和β′；
则双轴倾角传感器在南北俯仰轴的初始误差为α′-α，东西俯仰轴的初始误差为β′-β。
定日镜跟踪控制系统及定日镜跟踪方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于塔式太阳能热发电的定日镜跟踪控制系统及定日镜跟踪方法。
背景技术
[0002] 定日镜是塔式太阳能热发电系统的聚光装置，掌管着整个塔式电站的前端能量供给，一般采用双轴驱动，定日镜实时将太阳光反射并聚集到固定目标处。
[0003] 定日镜的双轴驱动方式主要有两种，分别为方位-俯仰定日镜和自旋-俯仰定日镜。常规的方位-俯仰定日镜通过电机脉冲或者编码器脉冲结合初始位置角度来间接计算出双俯仰定日镜镜面实时倾角，其缺点在于精度不高同时断电后脉冲丢失，需要复位重新计算倾角，耗费时间。常规的自旋俯仰定日镜可以实现很好的光斑质量，其缺点在于自旋轴轻微的机械误差将带来相对较大的跟踪误差。
[0004] 当今定日镜跟踪控制多采用开环控制方案，即就地控制器或者上位控制系统通过当地时间，经纬度计算出当时当地的太阳位置，通过定日镜和投射目标之间的相对位置确定出定日镜的跟踪目标角度，通过电机脉冲或者电机编码器得来定日镜的当前角度，进而比较定日镜当前角度和目标角度之间的差值，发出电机驱动信号，电机驱动器接收电机驱动信号，驱动电机，减速机旋转到目标角度，完成跟踪过程。
[0005] 定日镜的开环跟踪方式有其固有局限，主要跟踪误差源主要来自太阳位置计算误差，立柱倾斜，双轴非正交等累积机械误差，编码器（脉冲）参考位误差和减速机误差。其中当前太阳位置计算的精度可达0.003度，已经足够定日镜跟踪使用。立柱倾斜，减速机误差随工况，随时间变化，是定日镜开环跟踪的主要误差源，以上误差源的有效消除也一直是定日镜跟踪领域的难题。
[0006] 美国专利4440150即采用了以上的开环控制方案，此种开环控制方式也为现今绝大多数塔式电站采用。此种控制方案精度层面的局限在于其定日镜的镜面实际位置由步进电机的脉冲数量间接得来，由
于定日镜立柱倾斜，减速机误差等累积机械误差，编码器（脉冲）参考位误差和减速机误差的存在，并不能真实的反映定日镜镜面的实际倾斜角度。此种控制方案成本层面的局限在于镜面位置间接获得的方式，若要保证精度表现，对电机性能，减速机性能，以及定日镜支撑结构强度均提出了极高的要求。
[0007] 中国专利101776919A中的定日镜跟踪误差矫正方法，是针对美国专利4440150采用的定日镜开环控制方案中误差源而设计，可以达到较好的跟踪效果。其纠偏方法是通过对定日镜跟踪误差一年多天，一天多次的检测得到定日镜多个时刻的跟踪偏差角度，通过对这些跟踪偏差角度数据分析及曲线拟合到每一面定日镜每天的跟踪偏差曲线，将偏差反馈至定日镜的初始角度，是定日镜的光斑可以更准备的打到目标位置。其纠偏方法的缺陷也显而易见，定日镜跟踪精度的保证依赖于大量纠偏数据库的采集，由于纠偏系统每次启动只能获取一面定日镜的当时纠偏数据，商业化的定日镜场定日镜数量庞大，此种纠偏方式必将影响施工进度，同时占用大量的工作时间。
[0008] 定日镜跟踪控制系统的核心在于传动系统的设计，传动系统成本的居高不下是定日镜商业化推广的巨大障碍，现有传动方案多为步进电机或者伺服电机配合减速机的形式，由于定日镜实时位置需要由电机端确定，为了保证定日镜实时位置测算精度，整套系统的性能要求极高，也带来极高的成本压力，同时此种方式测算的定日镜实时位置精度较低，特别是长期运行后由于累积机械误差的原因跟踪精度极难保证。
发明内容
[0009] 本发明的目的是克服现有定日镜跟踪控制系统中电机和减速机性能要求极高带来的高成本缺陷，以及控制方法在长期运行后跟踪精度难以保证的缺陷，提供一套低成本，高精度的定日镜跟踪控制系统及定日镜跟踪方法。
[0010] 本发明采用的双俯仰定日镜为自旋-俯仰定日镜的一种特殊形式，此种双俯仰定日镜可以最大化的利用定日镜场面积，有助于降低系统成本。本发明采用双俯仰定日镜和双轴倾角传感器的搭配克服了以往定日镜跟踪中的精度较低，成本高昂的问题；双轴倾角传感器的加入形成了跟踪闭环，简化了纠偏操作，同时克服了传统开环跟踪方式需要的纠偏工作量庞大且效果不佳的问题，具有极高的实用价值。
[0011] 本发明采用以下技术方案：
[0012] 本发明定日镜跟踪控制系统包括双俯仰定日镜，双轴倾角传感器，机器视觉初始误差矫正系统和上位控制系统。
[0013] 所述的双俯仰定日镜可以实现南北向和东西向两个方向的俯仰运动。所述的双轴倾角传感器贴附于双俯仰定日镜镜面的正面或背部，反馈双俯仰定日镜镜面东西俯仰方向和南北俯仰方向两个维度的角度位置。所述的双轴倾角传感器的输出线与双俯仰定日镜控制装置中的就地控制器相连接。所述的机器视觉初始误差矫正系统中的电脑与上位控制系统中的电脑通过以太网络连接，所述的双俯仰定日镜控制装置中的就地控制器与上位控制系统中的电脑相连接。
[0014] 双俯仰定日镜主要包括双俯仰定日镜镜面、支撑结构、控制装置和双轴驱动系统。[0015] 所述的支撑结构主要由定日镜镜面支架和立柱构成，双俯仰定日镜镜面支架支撑双俯仰定日镜镜面，立柱的两端分别连接双轴驱动系统和地基，承载整面定日镜的重量。双俯仰定日镜镜面支架的一端连接双轴驱动系统，另一端连接并支撑双俯仰定日镜镜面。[0016] 所述的双轴驱动系统包括电机和减速机，垂直相交的双俯仰定日镜的东西俯仰轴和南北俯仰轴均由一个电机搭配一台减速机驱动，减速机与双俯仰定日镜镜面支架连结，直接驱动双俯仰定日镜镜面运转，电机的输出轴与减速机输入端相连。
[0017] 所述的控制装置固定于立柱侧面，主要由就地控制器和电机驱动器构成，其中就地控制器负责执行跟踪算法和电机控制逻辑，电机驱动器接受就地控制器的控制信号，驱动电机运转。就地控制器与上位控制系统通过网络连接进行通讯，与双轴倾角传感器输出线连接，采集双俯仰定日镜镜面倾角信息。电机驱动器与就地控制器相连接，接收就地控制器发来的控制信号并向就地控制器反馈电机运行状态信号，并与电机连接，驱动电机运转。[0018] 所述的双轴倾角传感器基于重力感应原理，可以精确反馈测量平面相对与水平位置的倾角，因此可以同时反馈双俯仰定日镜镜面东西俯仰方向和南北俯仰方向两个维度的角度位置。所述的双轴倾角传感器贴附于双俯仰定日镜镜面的正面或背部，其安装平面与
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