一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法
【专利摘要】本发明公开了一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，旨在提供一种能够进行快速高效进行自动调试的多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法。它通过外部成像设备探知当前抛物面镜实际焦点与目标位置点间的偏移，结合光学成像原理计算出抛物面镜的各个轴向调节量，然后通过控制架设在镜面上的伺服电机实现对抛物面镜焦点的自动精确调节。本发明的有益效果是：通过计算机的分析处理来控制伺服电机进行位置调节，来实现太阳能聚光板的自动对焦，能够进行快速高效进行自动调试，大大减小了工作量和调试周期，提高了安装精度，受环境干扰较小。
【专利说明】一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能聚光板相关【技术领域】，尤其是指一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法。
【背景技术】
[0002]随着经济的高速发展，我们国家对能源的需求也在逐渐增大。根据国家能源局的估算，到2015年，我国的一次能源消费量将达到42亿吨标准煤，其中化石能源仍占到90%左右。化石能源是一种不可再生资源。对其大规模的开采利用，即不利于国家的可持续发展，同时又会对我们的生存环境造成严重的污染。例如，对空气质量造成严重影响的PM2.5 (空气中直径小于2.5的微小颗粒)主要来源于化石燃料的大量使用。为了应对当前的能源危机，太阳能作为一种清洁的可再生能源，是未来15年我国能源发展的重点战略方向。
[0003]我国的太阳能资源丰富，特别是在中西部地区就着巨大的开发利用前景。例如在宁夏、甘肃、新疆、青海和西藏等地区，全年日照时数为3200-3300h，即每平方米面积上一年内接受的太阳辐射总量约为8400MJ，相当于285kg标准燃烧所发出的热量。如果能加以有效利用，将为国家能源战略目标的实现提供强大的保障。目前在我国，太阳能的主要利用形式是光伏发电及太阳能供热。光伏发电的效率相对较低，大约为13%-15%。同时由于半导体本身物理性质及制造工艺的限制，效率很难在短时间提高。而后者的效率则可以通过抛物面镜聚光得以大大提高。
[0004]虽然太阳能的分布范围广，但是能量分布相对比较分散，单位面积上的太阳辐射功率为仅为1353W。因此，对于大规模在集中利用开发，都需要建造大面积的采光板。特别是在IOKW或更高的碟式太阳能发电机系统中，聚光板的面积要求大于30平方米。对于如此巨大的抛物面反射镜，工艺上很难加工整体部件，而且难以整体运输安装。通常的做法是将抛物面镜分割成若干块曲面。
[0005]在应用过程中，为了保证太阳能的利用效率，每块曲面镜要求被放在特定的位置，使得它们的焦点都落在相同的位置。现有的安装方法主要以人工调试为主，因此普遍存在工作量大，调试周期长，受环境干扰强，安装精度差等问题。
[0006]中国专利申请公布号:CN102455499A，申请公布日2012年5月16日，公开了一种超级聚光设备的制作方法及设备，包括抛物面形聚光器、微型反光镜片，聚光器设备支架及一个二维太阳光跟踪系统，所述的聚光器设备支架安装在二维太阳光跟踪系统上，所述的抛物面形聚光器安装在聚光器设备支架上，所述的微型反光镜片按照一定规则安装在抛物面形聚光器上，所述的二维太阳光跟踪器由电子控制器、步进电机等组合而成的电子控制系统、转动系统，抛物面形聚光器通过二维太阳光跟踪系统始终对着太阳，超级聚光设备的聚光、对焦都是通过电子控制系统进行检测，并控制步进电机转动完成的。该发明的不足之处在于，虽然超级聚光设备的聚光、对焦都是通过电子控制系统进行检测，并控制步进电机转动完成的，但是并未涉及到如何通过电子控制系统检测，以及如何控制步进电机转动来 完成。
【发明内容】
[0007]本发明是为了克服现有技术中以人工调试为主，普遍存在工作量大、调试周期长、受环境干扰强、安装精度差等的不足，提供了一种能够进行快速高效进行自动调试的多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0009]一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，通过外部成像设备探知当前抛物面镜实际焦点与目标位置点间的偏移，结合光学成像原理计算出抛物面镜的各个轴向调节量，然后通过控制架设在镜面上的伺服电机实现对抛物面镜焦点的自动精确调节，其具体步骤如下:
[0010]a)初始焦点位置信号采集:利用一台安装在抛物面镜轴向上的照相机按预置频率采集经过目标调节镜面反射的且与抛物面镜轴向平行的平行光在位于目标点处的屏上光斑；
[0011]b)光斑中心位置计算:对采集到的图像信息进行处理，计算出光斑强度中心，以此作为该块抛物面镜当前状态下的实际焦点位置；
[0012]c)与目标位置偏差量的计算:在采集到的图像上建立坐标系统，确定实际焦点位置与目标位置之间在各个轴向上的偏差量SX、5y ；
[0013]d)伺服电机位移计算:计算实际焦点位置与目标坐标位置间距离的差值，这样就得到了实际焦点位置需要移动的距离和方向，然后将需要移动的距离折算成为伺服电机的信号;
[0014]e)控制伺服电机，移动相应距离。
[0015]这样设计能够完全相机的图像采集，通过计算机的分析处理，来控制伺服电机进行位置调节，以此来实现太阳能聚光板的自动对焦，达到了能够进行快速高效进行自动调试的目的。
[0016]作为优选，在b)光斑中心位置计算的步骤中，计算光斑强度中心的具体步骤如下:
[0017](I)将所得图像灰度化，得到光照分布图；
[0018](2)利用阈值分割方法，选择有效光斑所在位置；
[0019](3)利用公式计算处光斑强度中心。
[0020]作为优选，在步骤(I)中，得到的光照分布图为S，其中S为一个二维矩阵；在步骤
(2)中，有效光斑所在位置为P，其中P按如下定义取值:在光斑强度大于一定值时，P = 1，否则P=O ;在步骤(3)中，光斑强度中心的计算公式为:
【权利要求】
1.一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，通过外部成像设备探知当前抛物面镜实际焦点与目标位置点间的偏移，结合光学成像原理计算出抛物面镜的各个轴向调节量，然后通过控制架设在镜面上的伺服电机(3)实现对抛物面镜焦点的自动精确调节，其具体步骤如下: a)初始焦点位置信号采集:利用一台安装在抛物面镜轴向上的照相机按预置频率采集经过目标调节镜面反射的且与抛物面镜轴向平行的平行光在位于目标点处的屏(4)上光斑； b)光斑中心位置计算:对采集到的图像信息进行处理，计算出光斑强度中心，以此作为该块抛物面镜当前状态下的实际焦点位置； c)与目标位置偏差量的计算:在采集到的图像上建立坐标系统，确定实际焦点位置与目标位置之间在各个轴向上的偏差量δ X、δ y ； d)伺服电机(3)位移计算:计算实际焦点位置与目标坐标位置间距离的差值，这样就得到了实际焦点位置需要移动的距离和方向，然后将需要移动的距离折算成为伺服电机(3)的信号； e)控制伺服电机(3)，移动相应距离。
2.根据权利要求1所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，在b)光斑中心位置计算的步骤中，计算光斑强度中心的具体步骤如下: (1)将所得图像灰度化，得到光照分布图； (2)利用阈值分割方法，选择有效光斑所在位置； (3)利用公式计算处光斑强度中心。
3.根据权利要求2所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，在步骤(1)中，得到的光照分布图为S，其中S为一个二维矩阵；在步骤(2)中，有效光斑所在位置为P，其中P按如下定义取值:在光斑强度大于一定值时，P = 1，否则P = O ;
f'N
Σ Σ (尸 K.JvJ
I=Y.--
Σζ,在步骤(3)中，光斑强度中心的计算公式为:"=°。
Σ Σ(尸
_ A=OVv=0 J
y- Vrr
Λ-=ο
4.根据权利要求2或3所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，在步骤(2)中，通过光斑的能量分布，来求取有效光斑所在位置区域，在计算之前对光斑进行能量上的裁边处理，定义忽略接收图像边缘占总能量E约8%的区域能量对光斑中心的影响，具体操作方法如下: (1)定义光斑的能量和光斑图像中的对应点成正比，将图像中点的灰度值作为对应点的能量值； (2)计算得到整个图像中的最大灰度值gray(max)，整个图像中的最小灰度值gray (min)和整个图像中的平均灰度值gray (d)；(3)计算[gray(d)，255]范围内的光斑能量El，El必须满足的条件是86% E < El<92% E ； (4)求取最佳阈值，利用这个阈值对图像进行二值化，获取有效光斑所在位置区域。
5.根据权利要求4所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，在步骤(4)中，求取最佳阈值是一个不断寻优的过程，采用如下方法进行， a)当El > 92% E 时，
gray(min) = gray(d), gray (d) = (gray (max)-gray(min))/2+gray(min)； b)当El < 86% E 时，
gray(max) = gray(d), gray (d) = (gray(max)-gray(min))/2+gray(min)。
6.根据权利要求1所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，在步骤d)中，伺服电机(3)位移计算的具体步骤如下: a)在抛物面镜上定义一个点A，A点的坐标为(xA，yA，zA)，可以得到如下方程:z=a(x2+y2)，当有转动量δχ、6 7时，可以得到如下方程:
Za = a ( (ΧΑ- δ χ) 2+ (yA- δ y)2)； b)每个伺服电机(3)转 动之后在Z轴的方向上走动的距离为Aza，可以得到如下方程:Za+ Aza = a (x/+yA2)； c)比较(a)和(b)两个公式可以得到:ΔzA = a(2xA δ x+2yA δ y- δ χ2- δ y2)。
7.根据权利要求1或2或3或6所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，所述的照相机为工业照相机(2)。
8.根据权利要求1或2或3或6所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，所述的抛物面镜具有相同的曲率半径。
9.根据权利要求1或2或3或6所述的一种多块状组合抛物面镜太阳能聚光板自动对焦方法，其特征是，所述的伺服电机(3)和照相机均连接PC上位机(I)。
【文档编号】G02B19/00GK103487924SQ201310393319
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】万斌, 陈胜勇 申请人:万斌, 陈胜勇