柯熙政，王 歡

(西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安 710048)

0 引言

太陽(yáng)能因其可再生、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。但因其穩(wěn)定性差，能流密度低，使得利用率低于預(yù)期狀態(tài)[1-3]。太陽(yáng)能利用率主要受太陽(yáng)輻射接收效率的影響。因此，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確跟蹤，能有效提高能量利用率[4]。

目前，專(zhuān)家們?yōu)樘岣咛?yáng)能使用效率已經(jīng)做了大量工作。Sunger等人利用PLC設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多軸機(jī)電太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，并證明雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)相比固定系統(tǒng)獲得的能量增加了42.6%[5]，但是會(huì)產(chǎn)生累積偏差。Arbab等人研究了一種基于條形陰影計(jì)算機(jī)圖像處理的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受地理位置和周期性校準(zhǔn)的影響[6]。Song等人將圖像傳感器應(yīng)用在太陽(yáng)跟蹤器中，從圖像角度保證了太陽(yáng)跟蹤器的精度[7]。Bentaher 研制了一種簡(jiǎn)單的光電跟蹤器跟蹤系統(tǒng)，對(duì)光敏電阻之間的最佳角度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究[8]。Jerin設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能跟蹤器，用混合算法定位太陽(yáng)位置，可以在所有天氣條件下利用最佳的太陽(yáng)能[9]。通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)反饋控制器的閉環(huán)光電跟蹤系統(tǒng)具有成本較低、靈敏度高、跟蹤精度高等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是受天氣條件的影響較大，系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性低[10-11]。而視日運(yùn)行軌跡跟蹤是一個(gè)無(wú)反饋系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤，不受外界氣象環(huán)境干擾；但會(huì)形成累積誤差，需要按時(shí)糾正[12-13]以消除其影響。

本文采用將兩種方法混合的跟蹤方式，既可以解決光電跟蹤在多云天氣無(wú)法進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤的問(wèn)題，又可以修正視日運(yùn)行軌跡跟蹤帶來(lái)的累積誤差。本文以PLC和ARM處理器為控制核心，根據(jù)PLC控制庫(kù)，進(jìn)行太陽(yáng)位置算法實(shí)現(xiàn)方法的研究，獲取其實(shí)際位置的高度角及方位角信息。利用CMOS圖像傳感器拍攝圖片傳至ARM處理器進(jìn)行圖像處理，計(jì)算太陽(yáng)偏轉(zhuǎn)角度。再通過(guò)串口發(fā)送給PLC后控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使碟架在任意時(shí)刻都能正對(duì)太陽(yáng)。

1 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件架構(gòu)框圖如圖1所示，上位機(jī)軟件在PC機(jī)上運(yùn)行，完成下位機(jī)控制器數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程調(diào)試及數(shù)據(jù)記錄等功能。下位機(jī)控制器采用PLC和ARM處理器構(gòu)建伺服控制系統(tǒng)，并分為3部分：斯特林碟架的水平/垂直電機(jī)與相應(yīng)傳感器部分；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器部分；自動(dòng)跟蹤控制算法部分。其中圖像處理算法與太陽(yáng)位置算法是整個(gè)自動(dòng)跟蹤對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的核心。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

1.2 硬件介紹

(1)ARM處理器。系統(tǒng)采用32位TQIMX6_E9V3卡片電腦，其具有豐富的接口，強(qiáng)悍的性能，體積較小，易于拆裝，出廠時(shí)已內(nèi)置Ubuntu、QT+Linux系統(tǒng)，智能化程度高，應(yīng)用于圖像處理部分，可有效提高其處理速度和精度[14]。

(2)PLC控制器。西門(mén)子S7-1200小型可編程控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算指令，可以滿(mǎn)足對(duì)視日運(yùn)行軌跡跟蹤中太陽(yáng)位置算法的精準(zhǔn)運(yùn)算。利用RS485和RS232通訊模塊，S7-1200可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊。與GPS模塊進(jìn)行串口通訊，配置協(xié)議后，輸出經(jīng)度、緯度、時(shí)間、海拔等信息[15]。

(3)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。斯特林碟架具備水平和垂直步進(jìn)電機(jī)，因此采用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。系統(tǒng)使用的是混合式步進(jìn)電機(jī)，需要配合相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路才可正常工作[16-17]。系統(tǒng)選用SM-80A，SM-90A細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)各類(lèi)兩相和四相電機(jī)，具有較好的性能。

(4)CMOS圖像傳感器。其所有功能集成于內(nèi)部芯片，能有效降低成本，使得跟蹤裝置簡(jiǎn)約化，性能優(yōu)良，可以達(dá)到穩(wěn)定傳輸圖像的效果[18]。本文采用的圖像采集設(shè)備為0521V2型CMOS攝像頭，其像素大小為3.0 μm×3.0 μm，焦距為12 mm，視場(chǎng)角為27°×15°，并提供3種分辨率，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。

(5)陀螺儀姿態(tài)測(cè)量傳感器。在視日運(yùn)行軌跡跟蹤模式下，為了將SPA算法得到的太陽(yáng)方向角和高度角信息用于校準(zhǔn)斯特林碟架，系統(tǒng)采用磁場(chǎng)傳感器角度測(cè)量陀螺儀傳感器來(lái)測(cè)量得到碟架的實(shí)時(shí)角度方位，測(cè)量精度在0.05°[19]。這里地磁傳感器的三維角度基準(zhǔn)為：X軸以正東方向?yàn)?，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°定向Y軸基準(zhǔn)線(xiàn)，Z軸則與其余兩軸所構(gòu)成的平面垂直，角度數(shù)值變化符合右手準(zhǔn)則。

1.3 跟蹤裝置實(shí)物

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置實(shí)物圖如圖2所示，其中圖2(a)為碟架裝置圖，CMOS圖像傳感器位于杠桿最頂端，方便采集陽(yáng)光，水平和垂直電機(jī)則內(nèi)嵌于銅管內(nèi)；圖2(b)為控制系統(tǒng)，由7部分構(gòu)成。

(a)碟架裝置圖

(b)控制系統(tǒng)圖2 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)物圖

2 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)原理

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的算法流程圖如圖3所示。其工作原理為：系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入太陽(yáng)位置算法粗跟蹤模塊，即通過(guò)GPS模塊輸出時(shí)鐘、日期、經(jīng)緯度、海拔、天文歷表等相關(guān)參數(shù)，并將其發(fā)送到PLC處理器，采用SPA算法處理得到當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角和方位角信息[20]。根據(jù)以上結(jié)果調(diào)整碟架的位置。完成視日運(yùn)行軌跡跟蹤后，進(jìn)入圖像處理精跟蹤方式，基于圖像處理的跟蹤算法，其核心在于由圖像處理計(jì)算得到太陽(yáng)的質(zhì)心位置。CMOS圖像傳感器將采集到的天空?qǐng)D像以固定的幀頻發(fā)送給ARM處理器，對(duì)圖像經(jīng)過(guò)一系列的處理以提取太陽(yáng)中心實(shí)際位置。

圖3 系統(tǒng)總體算法流程圖

采用上述算法得到太陽(yáng)光斑實(shí)際位置后，通過(guò)判斷其是否在視場(chǎng)范圍內(nèi)以決定系統(tǒng)進(jìn)一步操作。若光斑中心位置在CMOS傳感器視野區(qū)域中，則進(jìn)行閉環(huán)控制。首先在圖像處理算法精跟蹤模塊內(nèi)獲取光斑中心相對(duì)于視場(chǎng)中心的偏移量，并由ARM處理器將其計(jì)算轉(zhuǎn)換成電機(jī)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。然后將該數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC控制器，完成對(duì)應(yīng)脈沖數(shù)的計(jì)算及發(fā)送。驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)據(jù)并操縱步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，使得視場(chǎng)中心與光斑中心重合。若沒(méi)有提取出太陽(yáng)光斑，此時(shí)圖像處理算法提取光斑質(zhì)心失敗，轉(zhuǎn)入視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式，即采用SPA算法得到的太陽(yáng)位置控制水平、垂直雙軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整斯特林碟架的角度，完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤動(dòng)作。

3 PLC核心控制模塊

圖4為PLC核心控制模塊原理圖，其中PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的主控機(jī)構(gòu)，主要完成3方面的工作：一是完成視日運(yùn)行軌跡跟蹤的太陽(yáng)位置算法；二是接收ARM處理器中圖像處理算法的最終偏轉(zhuǎn)角度結(jié)果；三是控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)碟架至最佳視場(chǎng)范圍內(nèi)。

圖4 PLC核心控制模塊原理圖

3.1 太陽(yáng)位置算法

太陽(yáng)位置算法用于計(jì)算太陽(yáng)實(shí)際方位的相關(guān)數(shù)據(jù)，包含方位角及高度角。其原理如下[21]：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(1)

(2)

式中：h為太陽(yáng)高度角；γ為太陽(yáng)方位角；δ為太陽(yáng)赤緯角；ω為太陽(yáng)時(shí)角；φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥取?/p>

基于以上天文學(xué)公式，SIMATIC公司在TIA Portal軟件系統(tǒng)中改進(jìn)了SPA算法并將其模塊化。圖5為該算法的功能程序塊示意圖。與傳統(tǒng)太陽(yáng)位置算法相比，該SPA算法可有效減小累積誤差，提高算法精度，同時(shí)使用戶(hù)更加方便地得到太陽(yáng)高度角和方位角實(shí)際角度。

圖5 太陽(yáng)位置算法功能程序塊示意圖

3.2 太陽(yáng)圖像處理算法

太陽(yáng)圖像處理算法利用CMOS相機(jī)采集和傳輸太陽(yáng)圖像，并通過(guò)ARM處理器對(duì)太陽(yáng)圖像進(jìn)行處理，獲取高度角及方位角偏差角度，傳送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中基于ARM處理器的處理算法包含3部分：圖像二值化處理、質(zhì)心求取和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

3.2.1 圖像二值化處理

針對(duì)攝像頭的圖像采集部分，系統(tǒng)采用5.0+0.25%的Astro Solar組合濾光片進(jìn)行可見(jiàn)光濾除。同時(shí)，本文采用最大類(lèi)間方差法(OTSU)來(lái)降低圖片背景雜光對(duì)計(jì)算結(jié)果的干擾[22-23]。圖6(a)為太陽(yáng)光斑原始圖像，圖6(b)為濾光膜組合后拍攝的太陽(yáng)光斑圖片，圖6(c)為OTSU算法處理后得到的二值化圖像。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，濾光膜組合后的圖像濾除了原圖像中大部分可見(jiàn)光。OTSU算法處理后能有效消除圖像中的細(xì)微干擾。

圖6 圖像處理對(duì)比圖

3.2.2 質(zhì)心求取

二值化圖像的質(zhì)心求取是實(shí)現(xiàn)整個(gè)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)也決定著系統(tǒng)的跟蹤精度和運(yùn)行可靠性。本文采用二進(jìn)制質(zhì)心跟蹤算法，對(duì)太陽(yáng)圖像光斑進(jìn)行定位。假設(shè)光斑范圍內(nèi)共有n個(gè)像素點(diǎn)，它們的坐標(biāo)可由式(3)表示：

(3)

則目標(biāo)區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)(xt,yt)如下[24]：

(4)

根據(jù)上述公式，二值化圖像質(zhì)心求取的結(jié)果如圖7所示。圖中的點(diǎn)為太陽(yáng)光斑的質(zhì)心和圖像中心的質(zhì)心。

圖7 二值化圖像質(zhì)心求取

3.2.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是將根據(jù)質(zhì)心求取算法獲得的太陽(yáng)光斑和圖像中心坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)水平及垂直方向偏轉(zhuǎn)角度。圖8是太陽(yáng)光斑視場(chǎng)坐標(biāo)差示意圖。建立如圖8所示的二維坐標(biāo)，并記圖像中心的坐標(biāo)為(x0,y0)，光斑中心的坐標(biāo)為(x,y)，則兩者之間的橫坐標(biāo)差為Δx，縱坐標(biāo)差為Δy。

圖8 太陽(yáng)光斑視場(chǎng)坐標(biāo)差示意圖

根據(jù)所獲圖像坐標(biāo)差求取轉(zhuǎn)臺(tái)水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，其原理為[25]：

(5)

式中：α和β分別為水平軸和垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；攝像頭實(shí)際視場(chǎng)角為θ×δ=27°×15°；M、N分別為圖片橫、縱向的像素大小，實(shí)際系統(tǒng)中取值為640和480。

則建立上述坐標(biāo)軸后，圖像中心的實(shí)際坐標(biāo)為(320,240)。

根據(jù)式(5)求出的水平和垂直軸的偏轉(zhuǎn)角度范圍是0～360°。當(dāng)其取值大于180°時(shí)，碟架需大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)才可修正偏轉(zhuǎn)角度。因此，本文引入范圍判斷，即當(dāng)計(jì)算角度大于180°時(shí)，采用其互周角作為修正角度控制碟架,如式(6)所示：

(6)

將獲取的偏轉(zhuǎn)角度傳送至PLC控制器，進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、蝸桿以及斯特林碟架。其中電機(jī)內(nèi)嵌微處理器，發(fā)送控制指令。PLC通過(guò)ARM處理器串口獲取水平及垂直偏轉(zhuǎn)角角度，并將其轉(zhuǎn)為脈沖數(shù)，分別發(fā)送至相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)使水平、垂直步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使得碟架轉(zhuǎn)到視場(chǎng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)實(shí)際位置的跟蹤。

4 圖像跟蹤嵌入式平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)采用TQIMX6_E9V3作為主控制器完成太陽(yáng)圖像跟蹤。首先在PC機(jī)上分別構(gòu)建基于Linux及Qt的交叉編譯環(huán)境，其中Linux下交叉編譯器選用天嵌科技的gcc-linaro-5.3版本。然后在Qt Create軟件環(huán)境下運(yùn)行太陽(yáng)光斑圖像處理算法程序生成ARM處理器的可執(zhí)行文件，并利用SD卡進(jìn)行下載。

圖9為ARM處理器上圖像處理算法運(yùn)行最終結(jié)果，由圖9可知本算法可計(jì)算并輸出轉(zhuǎn)臺(tái)水平軸和垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度α和β，并通過(guò)RS232接口協(xié)議，將其發(fā)送給PLC控制器。PLC控制器完成偏差量的校正并轉(zhuǎn)換為輸入PWM脈沖，發(fā)送給水平和俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。電機(jī)收到驅(qū)使，帶動(dòng)斯特林碟架完成轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)光斑的效果。

圖9 圖像處理算法運(yùn)行結(jié)果圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在銅川市某實(shí)驗(yàn)基地完成，數(shù)據(jù)觀測(cè)時(shí)間為10月初到11月底，因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)量較大，文中只對(duì)11月21日太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，圖10和圖11分別為碟架高度角和方位角的實(shí)際跟蹤誤差曲線(xiàn)。

圖10 高度(俯仰角)實(shí)際跟蹤誤差曲線(xiàn)

圖11 方位(方位角)實(shí)際跟蹤誤差曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)圖10、圖11的數(shù)據(jù)分析表明：該混合跟蹤系統(tǒng)中，高度角實(shí)際跟蹤誤差不超過(guò)±0.05°，方位角實(shí)際跟蹤誤差不超過(guò)±0.07°，采用了混合跟蹤方式的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，在精度和穩(wěn)定性方面都得到了很大提高。但由于風(fēng)力的影響和水平機(jī)械間隙較大等原因，現(xiàn)有的跟蹤效果比系統(tǒng)真正的跟蹤效果要差，如果排除掉這些外部因素，系統(tǒng)跟蹤會(huì)有更好的效果。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)將視日運(yùn)行軌跡跟蹤方法和光電跟蹤方法相結(jié)合，以PLC和ARM處理器為核心構(gòu)建控制回路，完成對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。當(dāng)太陽(yáng)光斑可被檢測(cè)時(shí)，利用ARM處理器根據(jù)采集的圖像計(jì)算獲取相關(guān)跟蹤所需數(shù)據(jù)；無(wú)法檢測(cè)到太陽(yáng)光斑時(shí)，利用SPA算法得到太陽(yáng)實(shí)際的方位角和高度角。再將數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，控制水平、垂直雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)整斯特林碟架的角度，完成對(duì)太陽(yáng)的跟蹤動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的混合跟蹤方式系統(tǒng)相比現(xiàn)有跟蹤技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)既可以解決光電跟蹤方式在多云天氣無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)跟蹤的問(wèn)題，又可以消除視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式帶來(lái)的累計(jì)誤差；

(2)系統(tǒng)跟蹤誤差不大于±0.1°，使得碟架達(dá)到穩(wěn)定跟蹤效果的同時(shí)提高了太陽(yáng)能的使用效率。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)榈茏陨淼陌惭b和設(shè)計(jì)問(wèn)題以及風(fēng)力影響，使得實(shí)際效果與理論效果存在一定差異，未來(lái)進(jìn)一步的研究中，主要以如何減少外界影響帶來(lái)的誤差為方向，方法是在風(fēng)力較強(qiáng)的地方測(cè)試太陽(yáng)跟蹤器，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤裝置的改進(jìn)。