基于相机的太阳方位检测与跟踪技术的研究

论文摘要

人类面临越来越严重的能源危机问题迫使我们将越来越多的精力转向了太阳能这种可再生能源,但是就国内外对太阳能的开发技术水平而言,太阳能的利用率还比较低。因此提高对太阳能的利用效率,成为研究的焦点问题。而提高对太阳能的利用率的关键所在就是采用太阳跟踪技术,本文就是在这样的背景下,研究了一种新型的太阳方位检测及跟踪装置。本文在分析了国内外的太阳方位跟踪技术的发展后,结合几种常见的太阳跟踪方式的特点,提出了一种基于CCD相机的闭环太阳方位检测及跟踪方案,即:以视日轨迹方式检测并跟踪太阳为基础,完成对太阳方位的初始跟踪,在初始跟踪完成后,相机采集当前太阳光斑图像,并经图像处理得出视日轨迹的跟踪偏差,偏差量反馈返回给系统进行校正,完成对太阳方位的精确跟踪。本文在给出太阳方位角度的定义及太阳视日轨迹运行规律与太阳跟踪系统的运动关系后,提出了本文设计的太阳方位检测及跟踪的总体方案,并研究了基于相机的太阳方位检测技术,完成了相机对图像的采集、系统界面、光斑图像处理、以及跟踪装置的驱动程序设计,设计图像反馈环节,校正步进电机,驱动跟踪装置作位置调整。从系统构成的角度出发,给出了系统的软硬件组成,以及双轴太阳方位跟踪系统运动特性的分析,并研究了太阳方位跟踪的控制方法,具体有转台跟踪系统的软件驱动接口的设计及控制策略分析,通过仿真分析,给出了控制策略的仿真结果,并证明了本文采用的控制方法的可行性。最后搭建了太阳方位检测及跟踪的实验平台,完成了系统误差测量实验,以及视日轨迹方式的太阳跟踪实验和基于相机的闭环方式下的太阳跟踪实验,通过两组实验,可以看出基于相机的太阳跟踪系统能够完成预期的目标,且跟踪效果及实时性较好,并根据实验分析了跟踪误差,得出系统还是只能满足精度要求不高的太阳跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 能源危机问题
• 1.1.2 太阳能的特点
• 1.2 课题研究的目的和意义
• 1.3 国内外太阳能跟踪的研究现状和发展
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 太阳跟踪控制方法的分类
• 1.4 论文主要的研究内容
• 第2章 太阳方位检测及跟踪技术
• 2.1 太阳方位角度及视日轨迹运行规律
• 2.1.1 太阳方位角度的定义
• 2.1.2 太阳的视日轨迹运行规律模型
• 2.1.3 太阳跟踪系统与太阳运行规律的关系
• 2.2 太阳跟踪系统的总体方案
• 2.3 基于相机的太阳方位检测及跟踪原理
• 2.3.1 太阳光斑图像采集方案的设计
• 2.3.2 基于CCD相机的太阳定位原理
• 2.3.3 太阳光斑图像处理
• 2.3.4 电机校正步数
• 2.3.5 太阳位置检测方法的抗干扰设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 太阳方位跟踪系统组成及控制方法
• 3.1 太阳方位检测及跟踪系统构成
• 3.1.1 系统硬件组成
• 3.1.2 软件开发
• 3.2 双轴太阳方位跟踪系统的运动特性分析
• 3.3 太阳方位跟踪控制方法
• 3.3.1 转台PCI驱动接口的设计
• 3.3.2 建立被控对象模型
• 3.3.3 转台模糊PID控制器的设计
• 3.3.4 仿真实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验及数据分析
• 4.1 系统跟踪误差测量实验
• 4.2 视日轨迹方式下跟踪系统测量实验
• 4.3 基于相机的闭环太阳方位检测及跟踪实验
• 4.4 误差分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢