一种太阳能追踪和定位控制系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种太阳能追踪和定位控制系统及其控制方法，属于太阳能发电领域。

背景技术：

现有太阳能跟踪控制系统通常利用测量太阳辐射传感器的光强数据来取得太阳光入射方位角和仰角，或者采用捕捉太阳图像的变化从而分析太阳光入射角和方位角。以上控制系统对于放置在不稳定平面（如水面）或整体在运动的承载平台（如光伏发电系统），则会因为跟踪参照物少（只跟踪太阳），导致跟踪结果频繁抖动甚至结果无法收敛。如公开号为CN103840757A的中国专利公开了用于光伏发电设备的太阳跟踪方法及装置，该用于光伏发电设备的太阳跟踪方法及装置即采用了通过采集太阳图像信息后计算来取得太阳光入射方位角和仰角。

对于可整体运动的承载平台（如水面浮动式光伏发电系统），还需要设置一套三维定位系统，以实时测量装置本处所处的位置及方向，现有技术通常采用卫星定位，超声波或激光测距等技术手段实现，但是卫星定位技术存在精度较低和容易漂移抖动的问题，而超声波测距定位技术存在易受环境噪声干扰的问题。定位一般是通过捕捉激光、超声波、无线电的反馈信号的强弱来测量距离，测量精度容易受到雾霾、风速、温度、湿度等外部因素影响，需要引入复杂的补偿机制。

综上所述，如果要同时实现太阳光线角度跟踪和承载平台三维定位这两种功能，则需要分别独立建设两套系统。这样的重复建设不仅导致系统建设和维护成本的上升，也会导致因为设备的增加而带来系统整体可靠性的下降。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种太阳能追踪和定位控制系统及其控制方法，该太阳能追踪和定位控制系统及其控制方法采用视觉识别技术同时实现三维定位和太阳光线角度追踪，不仅可提高控制定位和跟踪的准确度和抗干扰能力，还可降低建设和维护的成本。

本发明的技术方案如下：

一种太阳能追踪和定位控制系统，包括视觉定位装置和太阳能平台控制装置；视觉定位装置包括至少三个不在同一直线上的固定式的参考光源、全景图像采集器以及处理分析器；太阳能平台控制装置包括承载平台和偏转驱动单元；全景图像采集器设置于承载平台上，承载平台上还设置有太阳能面板，全景图像采集器与太阳能面板联动；参考光源设置于承载平台的外部；处理分析器分别和全景图像采集器以及偏转驱动单元通信连接；全景图像采集器采集自身四周的图像信息；处理分析器接收全景图像采集器发送的图像信息并在计算后发送跟踪控制指令信息给偏转驱动单元；偏转驱动单元驱动太阳能面板的双轴转动或太阳能面板的单轴转动及承载平台的自身转动来追踪太阳入射角和太阳方位角。

其中，所述处理分析器包括数字处理分析硬件、标准时间系统以及计算分析软件，数字处理分析硬件用于支撑计算分析算法的软件运行；处理分析装置根据标准时间系统和计算分析软件计算分析得出太阳能吸收面板所需偏转角度。

其中，所述偏转驱动单元包括设置在太阳能面板下部的双轴追光支架设备。

其中，所述偏转驱动单元包括设置在太阳能面板下部的单轴追光支架设备以及设置于承载平台下方的动力装置，单轴追光支架设备和动力装置共同实现太阳能面板对太阳光的双轴追踪。

其中，所述全景图像采集器设置于双轴追光支架上或设置于单轴追光支架设备上，以实现与太阳能面板的联动。

一种太阳能追踪和定位控制方法，包括以下依序进行的步骤：

S1、全景图像采集器实时采集图像信息，全景图像采集器将采集到的图像信息发送到处理分析器；

S2、处理分析器接收全景图像采集器发送的图像信息，即时计算得出任选的三个参考光源与全景图像采集器的连线的夹角α,β,γ；

S3、根据已选择的预知的三个参考光源的地理坐标，处理分析器得到三个参考光源之间的相对距离，再根据步骤S2得到的三个参考光源与全景图像采集器连线的夹角，处理分析器计算得出承载平台上的全景图像采集器的实时地理坐标；

S4、多次重复S2至S3，以求得多种情况的平均值，实现精确定位；

S5、根据标准时间系统取得即时时间，和步骤S3得出的承载平台实时地理坐标，处理分析器通过计算得出承载平台所处地理位置当前的太阳入射角和方位角；

S6、处理分析器计算得出太阳能吸收面板的取向信息；

S7、根据步骤S3得出的太阳的入射角和方位角以及步骤S6得出的太阳能吸收面板的取向，处理分析器计算得出太阳能吸收面板的偏转角度；

S8、处理分析器将计算出的太阳能吸收面板的偏转角度信息发送给偏转驱动单元，偏转驱动单元控制太阳能吸收面板转动，使太阳能吸收面板始终与太阳光线垂直。

其中，步骤S2中的计算三个参考光源与全景图像采集器的连线的夹角；包括以下依序进行的子步骤：

S2-1、处理分析器已知全景图象采集器的视场信息，可以确定图片在观察坐标系中的投影位置；

S2-2、处理分析器利用视觉识别技术，识别和区别出各参考光源在图像中的位置，从而确定参考光源在图像上的投影点在观察坐标系中的位置A’,B’,C’；

S2-3、处理分析器确定各参考光源与全景图像采集器所在直线在观察坐标系中的取向；可以由此确定各参考光源与全景图像采集器连线的夹角α,β,γ。

其中，步骤S6中得出太阳能吸收面板的取向信息；包括以下依序进行的子步骤：

S6-1、根据步骤S3得到的各参考光源与全景图像采集器的距离，以及参考光源在图像上的投影点在观察坐标系中的位置，处理分析器可以得到参考光源在观察坐标系中坐标A,B,C；

S6-2、结合已知的各参考光源的实际地理坐标和所得参考光源在观察坐标系中坐标，处理分析器可以标定全景图像采集器在实际地理坐标系中的位置以及观察坐标系在实际地理坐标系中的取向，太阳能吸收面板与全景图像采集器联动，处理分析器计算得出太阳能吸收面板的取向信息。

其中，步骤S3中的全景图像采集器获取实时地理坐标；包括以下依序进行的子步骤：

S3-1、参考光源包括第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备；第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备的定位点坐标分别为A、B、C，由A、B、C三点构成唯一一个平面三角形ABC；

S3-2、处理分析器获得全景图像采集器所在点坐标O，通过步骤S2得出O点与A、B、C三点的夹角，即角∠AOC=γ、∠AOB=α、∠BOC=β；

S3-3、处理分析器获得第一光线发生设备和第三光线发生设备的距离AC=c，第一光线发生设备和第三光线发生设备的距离AB=a、第二光线发生设备和第三光线发生设备的距离BC=b；

S3-4、设全景图像采集器与第一光线发生设备距离AO=a₁，全景图像采集器与第三光线发生设备距离CO=c₁，全景图像采集器与第二光线发生设备距离BO=b₁，根据公式：；；；处理分析器计算从而求得a₁的值,c₁的值,b₁的值；

S3-5、根据步骤S3-4得到的a₁、b₁和c₁的值，又已知第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备的定位点坐标分别为A、B、C,根据空间中两点距离公式列方程，可得出全景图像采集器的实时地理坐标。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用视觉识别技术同时实现三维定位和太阳光角度追踪，不仅可提高控制定位和跟踪的准确度和抗干扰能力，还可降低建设和维护的成本。

2、本发明将定位系统与跟踪系统合二为一,避免分别建设两套系统以实现太阳光线角度跟踪和承载平台三维定位这两种功能，不仅降低系统建设和维护成本，也因设备的减少增加系统整体的可靠性。

3、本发明有效提高跟踪控制系统的精度，采用多个参考光源作为参照物，避免只使用太阳光作为单一参照物，通过增加参照物可显著提高跟踪控制系统的精度，能较好地解决跟踪系统频繁抖动甚至结果无法收敛的问题。

4、本发明提高跟踪控制系统抗干扰能力，采用人工合成的高稳定光源，而不是根据接收太阳光这种易受如雾霾、阴天等自然环境不可控因素影响的光源来进行定位，能较好提高跟踪控制系统的抗干扰能力，同时也避免了受环境影响需要进行复杂的补偿算法。

5、本发明提高定位系统的精度和抗干扰能力，本系统采用地面三点定位，有不要求参照物都在一个平面和不要求特定角度和位置的优势，跟踪效果好，可解决卫星定位技术存在的精度较低和GPS经常漂移抖动的问题。同时也解决超声波测距定位技术易受环境噪声干扰能力的问题。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明的偏转驱动单元一种实施方式示意图；

图3为本发明的偏转驱动单元另一种实施方式示意图；

图4为本发明的观察坐标系的示意图；

图5为本发明的摄像头的视场角的观测示意图；

图6为本发明的全景图像采集器的坐标计算示意图。

图中附图标记表示为：

1-承载平台、11-太阳能面板、2-参考光源、3-全景图像采集器、4-处理分析器、6-双轴追光支架设备、6-单轴追光支架设备、7-动力装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。

参见图1，一种太阳能追踪和定位控制系统，包括视觉定位装置和太阳能平台控制装置；视觉定位装置包括至少三个不在同一直线上的固定式的参考光源2、全景图像采集器3以及处理分析器4；太阳能平台控制装置包括承载平台1和偏转驱动单元，全景图像采集器3设置于承载平台1上，优选地，全景图像采集器3设置于承载平台1的中央，承载平台1上还设置有太阳能面板11，全景图像采集器3与太阳能面板11联动，即全景图像采集器3与太阳能面板11相互取向关系保持固定；进一步的，全景图像采集器3和太阳能吸收面板均设置于偏转驱动单元的轴架上，取向与太阳能面板11取向时刻保持一致，并且由偏转驱动单元同步控制偏转。参考光源2设置于离开承载平台1的远处，每个参考光源2的位置确定，该位置的地理坐标和海拔高度已知,并且始终可以被全景图像采集器3采集到光源信息；不同位置的参考光源2具有不同图像特征，如不同的光谱特征或形状特征，可以被处理分析器4一一识别，作为参照物；所述参考光源2包含至少三个,每次分析可以任意选取三个参考光源2作为参照,最后求平均值。参考光源2上设置有光源，可长期不间断或根据需要发射可见光或不可见光等光信号，优选的，参考光源2上的光源采用人工合成的高稳定光源,抗干扰能力强，而不是采用太阳光这种易受如雾霾、阴天等自然环境不可控因素影响的光源来作为参照物进行定位；全景图像采集器3与处理分析器4通信连接；处理分析器4和偏转驱动单元通信连接；通过增加多个参考光源2作为参照物，可显著提高系统的跟踪控制精度，能较好地解决系统跟踪频繁抖动甚至结果无法收敛的问题。全景图像采集器3采集自身四周的图像信息；处理分析器4接收全景图像采集器3发送的图像信息并发送跟踪控制指令信息给偏转驱动单元，且计算得出承载平台1实时地理坐标以及承载平台1所处地理位置当前的太阳入射角和方位角；偏转驱动单元驱动太阳能面板11的双轴转动或太阳能面板11的单轴转动及承载平台1的自身转动来追踪太阳入射角和太阳方位角。该太阳能追踪和定位控制系统同时将定位系统与跟踪系统合二为一，简化了现有系统，不仅降低系统建设和维护成本，也因设备的减少增加系统整体的可靠性。

参见图2和图3，所述偏转驱动单元包括设置在太阳能面板11下部的双轴追光支架设备5，双轴追光支架设备5通过控制垂直承载平台1的垂直轴和与承载平台1平行的水平轴的转动来控制太阳能面板11的偏转，从而实现追踪太阳入射角和太阳方位角；另一种实施例中，偏转驱动单元包括设置在太阳能面板11下部的单轴追光支架设备6以及设置于承载平台1下方的动力装置7，单轴追光支架设备6控制与承载平台1平行的水平轴的转动来实现追踪太阳入射角，动力装置7控制承载平台1自身在水平面的转动来实现追踪太阳方位角；单轴追光支架设备6和动力装置7共同实现太阳能面板11对太阳光的追踪。

所述承载平台1可以是浮动式水面光伏发电平台，也可以是设置于陆地上的光伏发电平台。

参见图1和图4，所述全景图像采集器3上设置有四个对称安装覆盖各个方位的摄像头，摄像头的中央视场平面保持一致，而且视场的中心方向保持垂直或相对；事先可以选取两个相互垂直的摄像头的视场中心方向，与它们中央视场平面的垂直方向构建一个观察坐标系，这样拍摄到的图像就可以在观察坐标系中形成唯一的投影；全景图像采集器3可长期不间断或根据需要采集周围各个方向的可见光或不可见光形成的信息，再将获得的图像信息一起发送给处理分析器4。

参见图1，所述处理分析器4包括数字处理分析硬件、标准时间系统以及计算分析软件，数字处理分析硬件用于支撑计算分析算法的软件运行，处理分析装置4接收全景图像采集器3采集的图像信息,结合已知的视场信息以及参考信息，计算分析得出全景图像采集器3在实际地理坐标系中的位置，再根据标准时间系统，得到全景图像采集器3所在位置实时的太阳光入射角和方位角以及全景图像采集器3的取向；结合全景图像采集器3的取向信息和全景图像采集器3的取向与太阳能吸收面板11的取向的关联关系，可以计算出太阳能吸收面板11所需偏转角度。

一种太阳能追踪和定位控制方法，包括以下依序进行的步骤：

S1、全景图像采集器3实时采集图像信息，全景图像采集器3将采集到的图像信息发送到处理分析器4；

S2、处理分析器4接收全景图像采集器3发送的图像信息，即时计算得出任选三个的参考光源2与全景图像采集器3的连线的夹角α,β,γ；

S3、根据已选择的预知的三个参考光源2的地理坐标，处理分析器4得到三个参考光源2之间的相对距离，再根据步骤S2得到的三个参考光源2与全景图像采集器3连线的夹角，处理分析器4计算得出承载平台1上的全景图像采集器3的实时地理坐标；

S4、多次重复S2至S3，以求得多种情况的平均值，实现精确定位；

S5、根据标准时间系统取得即时时间，和步骤S3得出的承载平台1实时地理坐标，处理分析器4通过计算得出承载平台1所处地理位置当前的太阳入射角和方位角；

S6、根据步骤S3得到的各参考光源2与全景图像采集器3的距离，以及参考光源2在图像上的投影点在观察坐标系中的位置，处理分析器4可以得到参考光源2在观察坐标系中坐标A,B,C；结合已知的各参考光源2的实际地理坐标和所得参考光源2在观察坐标系中坐标，处理分析器4可以标定全景图像采集器3在实际地理坐标系中的位置以及观察坐标系在实际地理坐标系中的取向，即对应全景图像采集器3在实际地理坐标系中的取向；太阳能吸收面板11与全景图像采集器3联动，可得出太阳能吸收面板11的取向信息；

S7、根据步骤S3得出的太阳的入射角和方位角以及步骤S6得出的太阳能吸收面板的取向，处理分析器4计算得出太阳能吸收面板11的偏转角度；

S8、处理分析器4将计算出的太阳能吸收面板11的偏转角度信息发送给偏转驱动单元，偏转驱动单元控制太阳能吸收面板11转动，使太阳能吸收面板11始终与太阳光线垂直。

其中，参见图4和图5，步骤S2中的计算三个参考光源2与全景图像采集器3的连线的夹角α,β,γ；包括以下依序进行的子步骤：

S2-1、处理分析器4已知全景图象采集器3的视场信息，可以确定图片在观察坐标系中的投影位置；具体的，处理分析器4已知一摄像头的视场角θ和该摄像头所拍摄的图片的大小，可以确定该图片投影位置与摄像头的距离p；从而确定四张图片在由四个摄像头组成的观察坐标系中的投影位置；

S2-2、处理分析器4利用视觉识别技术，识别和区别出各参考光源2在图像中的位置，从而确定参考光源2在图像上的投影点在观察坐标系中的位置A’,B’,C’；

S2-3、处理分析器4确定各参考光源2与全景图像采集器3所在直线在观察坐标系中的取向；可以由此确定各参考光源2与全景图像采集器3连线的夹角α,β,γ。

其中，参见图6，步骤S3中的全景图像采集器3获取实时地理坐标；包括以下依序进行的子步骤：

S3-1、参考光源2包括第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备；第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备的定位点坐标分别为A、B、C，由A、B、C三点构成唯一一个平面三角形ABC；

S3-2、处理分析器4获得全景图像采集器3所在点坐标O，通过步骤S2得出O点与A、B、C三点的夹角，即角∠AOC=γ、∠AOB=α、∠BOC=β；

S3-3、处理分析器4获得第一光线发生设备和第三光线发生设备的距离AC=c，第一光线发生设备和第三光线发生设备的距离AB=a、第二光线发生设备和第三光线发生设备的距离BC=b；

S3-4、设全景图像采集器3与第一光线发生设备距离AO=a₁，全景图像采集器3与第三光线发生设备距离CO=c₁，全景图像采集器3与第二光线发生设备距离BO=b₁，根据公式：；；；处理分析器4计算从而求得a₁的值,c₁的值,b₁的值；

S3-5、根据步骤S3-4得到的a₁、b₁和c₁的值，又已知第一光线发生设备、第二光线发生设备和第三光线发生设备的定位点坐标分别为A、B、C,根据空间中两点距离公式列方程，可得出全景图像采集器3的实时地理坐标。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。