以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置及方法与流程

本发明属于自动检测技术领域，具体涉及一种以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置，还涉及利用上述装置进行标定的方法。

背景技术：

在塔式太阳能聚热发电系统中，定日镜的作用是将太阳入射光线精确反射到集热器上，用于收集太能辐射能量。由于太阳相对于定日镜的高度角和方位角随天体运动不断变化，为了实现聚焦控制，就必须为定日镜配备具有双轴跟踪功能的自动支架系统。

定日镜的自动跟踪聚焦控制分为以下几个步骤：

1)根据定日镜安装位置的经纬度和时间，采用天文计算法获取当前的太阳光线入射角度。

2)根据太阳光入射角度以及定日镜与吸热器之间的空间位置关系，计算获得定日镜的目标跟踪角。该目标跟踪角包括高度和方位两个角度。

3)由自动控制系统驱动电机使定日镜的实际高度角和方位角达到目标跟踪角度，使定日镜将太阳入射光线反射到吸热器。

这种调整反射面法线将太阳光线反射到固定点的支架控制方式被称为“定日控制”，以区别于使跟踪支架反射面法线指向太阳的“追日控制”，这种追日控制多用于太阳能光伏发电的跟踪系统。

在上述定日镜跟踪控制过程中，需要自动调整定日镜实际角度达到目标角度，为了保证聚焦的精确性，需要保证太阳入射角度计算的精确性以及定日镜实际高度角和方位角检测装置的精确性。

定日镜目标跟踪角度分为高度角与方位角(也可转换为其它坐标系下的两个正交角度)，它们可以通过天文学算法和反射角计算获得，可以满足塔式太阳能聚热发电系统中定日镜控制的精度要求。定日镜实际工作角度反馈测量的准确度是影响实际工作效果的关键。

定日镜实际工作角度的检测通过安装在两个旋转运动机构上的测角装置实现。由于转轴旋转一周的角度为确定的360度，因此测角装置的角度增益很容易确定。但测角装置的工作零点受机械安装影响，通常需要进行检测和标定。

为解决定日镜高度角零点和方位角零点的检测与标定，目前常用的方法是标定板法。标定板法是在集热塔上布置一块大尺寸的标定板，通过调节定日镜高度角和方位角，将太阳光斑反射到校正板上，从而根据光斑在标定板上的位置检测定日镜跟踪支架系统测角装置的工作零点并实现标定。

然而这类校正方法在具体实施过程中存在以下问题：

1)在集热塔上布置大尺寸的标定板成本高。

2)由于没有参照背景，手动调节定日镜高度角和方位角使光斑反射到孤立的标定板上不容易操作，费时耗力。

3)由于通常只有一块标定板，因此一次只能校正一面定日镜，效率低。

4)集热塔相对于镜架的位置坐标误差会影响角度零点标定结果。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置，解决了现有标定板法工作效率低，使用不方便且标定准确度差的问题。

本发明的另一目的是提供利用上述装置进行标定的方法。

本发明所采用的第一种技术方案是，以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置，包括定日镜，定日镜上安装定日镜跟踪控制器，定日镜跟踪控制器与图像校正控制器连接，定日镜跟踪控制器与高度角测量传感器以及方位角测量传感器连接，图像校正控制器连接有摄像机，摄像机通过安装支架安装在定日镜上方，摄像机的摄像机光轴方向与定日镜的法线平行。

本发明所采用的第一种技术方案的特点还在于：

安装支架的支脚均通过固定器与定日镜固定。

本发明所采用的第二种技术方案是，以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置的标定方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：将定日镜跟踪控制器的工作模式由定日控制模式切换到进行标定的追日控制模式；

步骤2：观察太阳是否进入摄像机的视野范围内，如果不在，则采用辅助手段粗略调整测量装置零点，使太阳进入摄像机视野内，转入步骤3；如果在，转入步骤3；

步骤3：图像校正控制器启动摄像机拍摄太阳图像根据拍摄的太阳图像计算水平方位角偏差Δα和俯仰高度角偏差Δβ；

步骤4：图像校正控制器将步骤3得到的水平方位角偏差Δα和俯仰高度角偏差Δβ传递给定日镜跟踪控制器，定日镜跟踪控制器根据两个偏差值Δα和Δβ对角度测量装置进行修正，修正后定日镜跟踪控制器的反馈测量值α_pv与角度设定值α_sp发生偏差，定日镜跟踪控制器调整定日镜姿态从而消除偏差；

步骤5：图像校正控制器控制摄像机重新获取太阳图像，重复进行偏差检测，直到太阳图像中心与摄像机的摄像头视野中心的位置偏差满足误差要求，标定结束。

本发明所采用的第二种技术方案的特点还在于：

步骤1中定日控制模式为：定日镜的控制目标是使入射到定日镜镜面的太阳光线反射到集热器的一个固定点上，定日镜跟踪控制器的目标角度需要根据太阳入射角度以及定日镜与集热器的相对位置按照特定算法进行计算。

步骤1中追日控制模式为：定日镜的控制目标是使定日镜镜面法线指向太阳，定日镜镜面与入射光线垂直，定日镜跟踪控制器的目标跟踪角度就是太阳的入射角度。

步骤3中水平方位角偏差Δα为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{f}\right)$

俯仰高度角偏差Δβ为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{\mathrm{\λ}}{f}\right)$

其中，f为摄像机的镜头焦距；γ为太阳图像中心距离摄像机视野中心的水平偏差；λ为太阳图像中心距离摄像机视野中心的垂直偏差。

步骤4中修正后定日镜跟踪控制器(6)的反馈测量值α_pv与角度设定值α_sp发生偏差：

α₀＝(α_sp-α_s)-Δα

β₀＝(β_sp-β_s)-Δβ

其中，α₀为水平偏差，β₀为垂直偏差；α_sp和β_sp分别为角度水平设定值和垂直设定值；α_s和β_s分别为方位角测量传感器及高度角测量传感器的原始输出。

角度测量装置是指高度角测量传感器及方位角测量传感器与对传感器测量零点进行校正的计算模块构成的整体，该对传感器测量零点进行校正的计算模块内置在定日镜跟踪控制器内部。

本发明的有益效果是：

①本发明以太阳作为角度测量的参照物，通过图像检测技术测量定日镜的角度零点偏差，参照物容易获取，测量结果准确可靠；

②利用本发明方法获得的定日镜角度零点偏差不受集热塔相对于镜架位置坐标误差的影响，测量结果直接；

③本发明不需要公用的标定板，多个定日镜可以分别安装多个图像校正控制器同时实施标定，因此整个镜场的标定工作效率高；

④本发明方法将定日镜跟踪控制器与图像测量系统通过通讯系统整合在一起，定日镜跟踪控制器可根据图像系统的测量结果，自动实现角度零点的标定，方便快捷，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置的结构示意图；

图2是本发明以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置的右视图；

图3是本发明中定日镜与太阳具体坐标关系图；

图4是本发明中摄像机角度偏差与成像位置偏差关系原理图；

图5是本发明中太阳图像偏差与工作零点偏差示意图。

图中，1.摄像机，2.安装支架，3.固定器，4.图像校正控制器，5.定日镜，6.定日镜跟踪控制器，7.校正控制器显示界面，8.高度角测量传感器，9.方位角测量传感器，10.摄像机连接电缆，11.控制器连接电缆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明以太阳为参照物的定日镜角度零点自动标定装置，结构如图1所示，包括定日镜5，定日镜5的支架上安装定日镜跟踪控制器6，定日镜跟踪控制器6通过控制器连接电缆11与图像校正控制器4连接，图像校正控制器4上安装有校正控制器显示界面7，如图2所示，定日镜跟踪控制器6与高度角测量传感器8以及方位角测量传感器9连接，图像校正控制器4通过摄像机连接电缆10与摄像机1连接，摄像机1通过安装支架2安装在定日镜5上方，安装支架2的支脚均通过固定器3(如吸盘)与定日镜5固定，摄像机1的摄像机光轴方向与定日镜5的法线平行；校正时定日镜跟踪控制器6工作于“追日控制模式”，图像校正控制器4通过摄像机1获取太阳图像，并根据太阳在摄像机1视野中的位置计算太阳入射光线与摄像机光轴的偏角。

定义定日镜5角度检测与控制装置的坐标系及两种工作模式：

定日镜5法线与水平面平行时高度角为零，与水平面垂直时高度角为90度。定义定日镜5法线方向与地轴正北方向平行时方位角为零，与地轴正南方向平行时方位角为180度。具体坐标关系如图3所示。定日镜5镜面中心为Q，α为太阳方位角，β为太阳高度角，S为由定日镜5指向太阳的向量。

以水平方位角为例，定义角度设定值为α_sp，测量值为α_pv，

角度控制误差α_err＝α_sp-α_pv (1)

角度测量值α_pv＝α_s+α₀ (2)

其中α_s为方位角测量传感器9的原始输出即原始测量值，α₀为由设备安装引起的水平偏差，如方位角测量传感器9的安装支座与定日镜的反射镜面之间因加工或安装误差存在不平行，就导致角度测量结果与真实镜面间有零点误差α₀。

初次安装完成后不知道零点误差α₀是多少，因此假定其为0进行测量，并由定日镜跟踪控制器6进行控制，然后采用本发明的方法测定α₀的大小。

系统经过一段时间的运行后，α₀还会因机械变形和地基沉降发生变化，因此还需要进行定期校正。此时α₀有一个原始值，需要通过本发明的方法重新测定正确的α₀并重新设定。

本发明的标定方法就是找到准确的α₀，提高α_pv的测量精度。

定日控制模式为：定日镜5的控制目标是使入射到定日镜5镜面的太阳光线反射到集热器的一个固定点上，定日镜跟踪控制器6的目标角度需要根据太阳入射角度以及定日镜5与集热器的相对位置按照特定算法进行计算。

追日控制模式为：定日镜5的控制目标是使定日镜5镜面法线指向太阳，定日镜5镜面与入射光线垂直，定日镜跟踪控制器6的目标跟踪角度就是太阳的入射角度。

正常工作时，定日镜跟踪控制器6控制定日镜5工作于定日控制模式，开始标定后，定日镜5切换为追日控制模式。

如图2所示，在追日控制模式下，定日镜跟踪控制器6的法线跟踪设定值来自天文学计算的太阳方位角。在保证太阳方位角计算准确的前提下，如果定日镜5角度测量装置(角度测量装置指，高度角测量传感器8及方位角测量传感器9与定日镜跟踪控制器6内部计算模块构成的整体)的零点数值正确没有误差，即高度角测量传感器8以及方位角测量传感器9没有误差，则定日镜跟踪控制器6在完成跟踪时，理想太阳光线入射方向应与摄像机1光轴方向保持一致。如果存在误差，则实际太阳光线入射方向与摄像机1光轴方向之间存在一个空间偏差角θ。

由于太阳入射光为近似平行光线，当入射光与摄像机1光轴平行时太阳光线汇聚在焦平面中心位置，太阳图像处于摄像机1视野的中心。如图4所示，当实际太阳入射光线与摄像机1光轴的偏离角为β时，太阳图像将从中心的n点偏移到m点。根据摄像机1的镜头焦距f和偏移距离即可计算出角度偏差为：

$\mathrm{\β}=\arctan \left(\frac{l}{f}\right)---\left(3\right)$

由于图像平面为二维平面，如图5所示，如果太阳入射光线与摄像机1光轴不平行，则太阳图像中心距离摄像机1视野中心的距离偏差包括水平偏差γ和垂直偏差λ。根据摄像机1成像原理，在已知摄像机1镜头焦距f的情况下太阳入射光线与摄像机1光轴之间的角度偏差为：

水平方位角偏差

俯仰高度角偏差

由于定日镜5法线与摄像机1光轴平行，该误差角也等同于定日镜5法线与太阳光线入射角之间的偏差。

这两个角度偏差定义为定日镜5追日控制模式下实际跟踪误差，以水平为例：

当α_pv正确，即没有测量误差的理想情况下，则α_err＝α_sp-α_pv＝0，则图像系统测量的偏差等于定日镜跟踪控制器6的跟踪误差。

如果α₀的数值正好能补偿机械安装的误差，则α_pv正确，定日镜跟踪控制器6完成跟踪后α_err＝α_sp-α_pv的数值等于0。

当α_err≠0时，说明α_pv数值不精确，存在测量误差，而且这个误差是由α₀不精确造成的。测量误差可由下式表达：

Δα＝[α_sp-(α_s+α₀)] (6)

根据公式6，在保证方位角测量传感器9输出α_s精确的前提下，角度测量的正确零点数值可由以下式计算：

α₀＝(α_sp-α_s)-Δα (7)

同理得到β₀＝(β_sp-β_s)-Δβ (8)

依据以上公式7和公式8计算获得正确的α₀和β₀，对角度测量装置的水平零点以及俯仰零点进行设定后，就可以消除测量装置的安装误差，实现定日镜1的精确控制。

Δα和Δβ是由图像测量获得的两个偏差，它们是由图像校正控制器4计算获得并传输给定日镜跟踪控制器6的。

采用上述标定装置进行标定时，具体步骤为：

步骤1：将定日镜跟踪控制器6的工作模式由定日控制模式切换到进行标定的追日控制模式；

步骤2：观察太阳是否进入摄像机1的视野范围内，如果不在，则采用辅助手段粗略调整测量装置零点，使太阳进入摄像机1视野内，转入步骤3；如果在，转入步骤3；

步骤3：图像校正控制器4启动摄像机1拍摄太阳图像根据拍摄的太阳图像和公式4和公式5，计算水平方位角偏差Δα和俯仰高度角偏差Δβ；

步骤4：图像校正控制器4将步骤3得到的水平方位角偏差Δα和俯仰高度角偏差Δβ传递给定日镜跟踪控制器6，定日镜跟踪控制器6根据两个偏差值Δα和Δβ对角度测量装置进行修正，修正后定日镜跟踪控制器6的反馈测量与角度设定值α_sp发生偏差，如公式7和公式8所示，定日镜跟踪控制器6调整定日镜5姿态从而消除偏差；

步骤5：图像校正控制器4控制摄像机1重新获取太阳图像，重复进行偏差检测，直到太阳图像中心与摄像机1的摄像头视野中心的位置偏差满足误差要求，标定结束。

实施例

摄像机1的参数为：

摄像机焦距： 12mm；

感光元件像素尺寸： 0.0032mm；

感光元件规格： 1280*1024Pix

标定前方位角测量装置零点α₀为0.00度，高度角测量装置零点β₀为0.00度。

标定开始时将定日镜跟踪控制器6设定到追日工作模式，假设此时刻太阳实际方位角为259.44度，高度角为37.13度，为实现追日跟踪，跟踪控制器的角度设定值也为方位角259.44度，高度角37.13度。

当定日镜5实现追日控制后，定日镜的实测方位角为259.40度，高度角为37.15度

此时水平误差0.04度，高度误差0.02度，满足跟踪误差小于±0.1度的控制精度要求。图像校正控制器4控制摄像机1采集太阳图像。采集到的图像如图5所示：

本实例中，以摄像机1视野中心为原点，太阳图像中心的像素坐标为X＝132Pix，Y＝-47Pix。

图像水平位置偏差为132*0.0032mm＝0.4224mm

根据公式4

图像垂直位置偏差为-47*0.0032mm＝0.1504mm

根据公式5

此偏差由反馈测量误差和正常跟踪误差两部分共同构成。

零点偏移的角度数值计算如下：

α₀＝(α_sp-α_s)-Δα＝(259.44-259.40)-2.016＝-1.976度

β₀＝(β_sp-β_s)-Δβ＝(37.13-37.15)+0.718＝0.698度

图像校正控制器4将计算得到的定日镜工作零点α₀，通过通讯接口传递给定日镜跟踪控制器6，定日镜跟踪控制器6修改测量系统的零点偏移量，并控制定日镜的姿态在新的测量值基础上实现跟踪。

实现跟踪后，定日镜跟踪控制器6再次拍摄太阳图像，计算偏移量进行标定效果检查，如果误差Δα和Δβ小于设定的精度阈值±0.1度，则标定结束。校正控制器显示界面7用于显示标定过程和标定结果信息。