太陽追蹤系統設計論文

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1陽光追蹤控制方案

1.1雙軸陽光追蹤裝置數學模型

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。陽光追蹤系統通過實時計算，求出裝置所在地的太陽位置。工作時工作平面根據太陽的視日運動計算結果繞方位軸轉動改變方位角α，繞俯仰軸作俯仰運動改變工作臺的傾斜角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，因此只要計算出太陽的方位角A和高度角h即可確定當前工作臺應該保持的姿態。這種追蹤系統的特點是追蹤精度高，而且工作臺承載器件的重量保持在垂直軸所在的平面內，因此結構簡單，易于加工制造。

1.2陽光追蹤控制系統結構

本系統機械本體具有兩個自由度并具備自鎖能力，可以調節安裝在工作臺上物體的位姿，以對準太陽高度角和方向角。單片機根據時間及當地經緯度計算出此時當地的太陽位置，并產生脈沖信號給步進電機驅動器，控制步進電機進行相應動作，并通過電子羅盤HMC5883L和加速度計MPU6050進行檢測反饋。操作者可通過人機交互模塊查看或改變系統的運行參數，如角度、時間、電機轉速等信息。

1.3系統工作流程

控制系統上電后，系統根據時間，判斷太陽是否落山，是則進入待機狀態；如沒有，則自動進入對正模式，系統將根據時間及當地經緯度計算出的此時太陽高度角及方位角，并實時與MPU6050檢測到的工作臺傾角及HMC5883L檢測到的方位角比較求出角度差，轉換成控制脈沖輸出步進電機驅動器，使機構對正太陽方位，對正后等待一個設定時間，進行下一次對正。

2太陽角度計算及參數修正

2.1太陽主要角度計算

根據天文學及航海學中常采用的天球坐標系可以方便地對天體的運動進行觀測及追蹤。通常的方法是在太陽與地球間建立天球赤道坐標系主要包括天軸PNPS、天赤道、以及天體時圈。在觀測者與太陽間建立天球地平坐標系包括測者天頂Z、天底Z￠、測者真地平圈、垂直圈、測者午圈，其中太陽在天體時圈和垂直圈的交點上，如圖2所示。根據天球坐標系的相關定義，有太陽赤緯角δ，當地的緯度φ，太陽時角t，太陽高度角h，太陽方位角A，從1月1日開始的天數被稱為積日N。在天球上以仰極、天頂和天體為頂點，通過這些點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，所以假設以地球為中心，太陽到地球的距離不變，從而可以用角度來表示弧長。

2.2HMC5883L數據校準

電子羅盤主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向，然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，外界的各種磁場干擾都很容易對檢測結果造成影響。理想狀態下，電子羅盤水平轉動一周，兩個水平方向磁場矢量的輸出為圓形。當存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強度矢量將為該點地球磁場與干擾磁場的矢量和，使羅盤輸出曲線的圓心發生偏移。羅差使羅盤輸出轉變成橢圓，因此將羅差校準的問題轉變為橢圓擬合問題。

3結論

本文設計了基于雙軸跟蹤系統的太陽光追蹤控制方案，對太陽角度計算和電子羅盤參數修正做了具體分析，對跟蹤裝置的應用設計提供一定的參考。

作者:焦波劉同亮宋鳴王仲文遲明善劉士偉王洪旭單位:哈爾濱理工大學榮成學院