導(dǎo)語：太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1陽光追蹤控制方案

1.1雙軸陽光追蹤裝置數(shù)學(xué)模型

裝置采用高度角和方位角的全追蹤方式，又稱為地平坐標(biāo)系雙軸追蹤。工作平面的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。陽光追蹤系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)計(jì)算，求出裝置所在地的太陽位置。工作時(shí)工作平面根據(jù)太陽的視日運(yùn)動(dòng)計(jì)算結(jié)果繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角α，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變工作臺(tái)的傾斜角β，從而使工作平面始終與太陽光線垂直。工作平面方位角α與太陽方位角A相等，傾斜角β與太陽高度角h互余，如圖1所示，因此只要計(jì)算出太陽的方位角A和高度角h即可確定當(dāng)前工作臺(tái)應(yīng)該保持的姿態(tài)。這種追蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是追蹤精度高，而且工作臺(tái)承載器件的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造。

1.2陽光追蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)機(jī)械本體具有兩個(gè)自由度并具備自鎖能力，可以調(diào)節(jié)安裝在工作臺(tái)上物體的位姿，以對(duì)準(zhǔn)太陽高度角和方向角。單片機(jī)根據(jù)時(shí)間及當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算出此時(shí)當(dāng)?shù)氐奶栁恢?，并產(chǎn)生脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，并通過電子羅盤HMC5883L和加速度計(jì)MPU6050進(jìn)行檢測(cè)反饋。操作者可通過人機(jī)交互模塊查看或改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如角度、時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。

1.3系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間，判斷太陽是否落山，是則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；如沒有，則自動(dòng)進(jìn)入對(duì)正模式，系統(tǒng)將根據(jù)時(shí)間及當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算出的此時(shí)太陽高度角及方位角，并實(shí)時(shí)與MPU6050檢測(cè)到的工作臺(tái)傾角及HMC5883L檢測(cè)到的方位角比較求出角度差，轉(zhuǎn)換成控制脈沖輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，使機(jī)構(gòu)對(duì)正太陽方位，對(duì)正后等待一個(gè)設(shè)定時(shí)間，進(jìn)行下一次對(duì)正。

2太陽角度計(jì)算及參數(shù)修正

2.1太陽主要角度計(jì)算

根據(jù)天文學(xué)及航海學(xué)中常采用的天球坐標(biāo)系可以方便地對(duì)天體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)及追蹤。通常的方法是在太陽與地球間建立天球赤道坐標(biāo)系主要包括天軸PNPS、天赤道、以及天體時(shí)圈。在觀測(cè)者與太陽間建立天球地平坐標(biāo)系包括測(cè)者天頂Z、天底Z￠、測(cè)者真地平圈、垂直圈、測(cè)者午圈，其中太陽在天體時(shí)圈和垂直圈的交點(diǎn)上，如圖2所示。根據(jù)天球坐標(biāo)系的相關(guān)定義，有太陽赤緯角δ，當(dāng)?shù)氐木暥圈?，太陽時(shí)角t，太陽高度角h，太陽方位角A，從1月1日開始的天數(shù)被稱為積日N。在天球上以仰極、天頂和天體為頂點(diǎn)，通過這些點(diǎn)的大圓弧為邊所形成的三角形稱為天文三角形，或稱為位置三角形。由于要求解的角度與星體距離無關(guān)，所以假設(shè)以地球?yàn)橹行模柕降厍虻木嚯x不變，從而可以用角度來表示弧長(zhǎng)。

2.2HMC5883L數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

電子羅盤主要是通過感知地球磁場(chǎng)的存在來計(jì)算磁北極的方向，然而由于地球磁場(chǎng)在一般情況下只有微弱的0.5高斯，外界的各種磁場(chǎng)干擾都很容易對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。理想狀態(tài)下，電子羅盤水平轉(zhuǎn)動(dòng)一周，兩個(gè)水平方向磁場(chǎng)矢量的輸出為圓形。當(dāng)存在外界磁場(chǎng)干擾的情況時(shí)，測(cè)量得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量將為該點(diǎn)地球磁場(chǎng)與干擾磁場(chǎng)的矢量和，使羅盤輸出曲線的圓心發(fā)生偏移。羅差使羅盤輸出轉(zhuǎn)變成橢圓，因此將羅差校準(zhǔn)的問題轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓擬合問題。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于雙軸跟蹤系統(tǒng)的太陽光追蹤控制方案，對(duì)太陽角度計(jì)算和電子羅盤參數(shù)修正做了具體分析，對(duì)跟蹤裝置的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供一定的參考。

作者:焦波劉同亮宋鳴王仲文遲明善劉士偉王洪旭單位:哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院