太阳追踪系统设计论文

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1阳光追踪控制方案

1.1双轴阳光追踪装置数学模型

装置采用高度角和方位角的全追踪方式，又称为地平坐标系双轴追踪。工作平面的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。阳光追踪系统通过实时计算，求出装置所在地的太阳位置。工作时工作平面根据太阳的视日运动计算结果绕方位轴转动改变方位角α，绕俯仰轴作俯仰运动改变工作台的倾斜角β，从而使工作平面始终与太阳光线垂直。工作平面方位角α与太阳方位角A相等，倾斜角β与太阳高度角h互余，如图1所示，因此只要计算出太阳的方位角A和高度角h即可确定当前工作台应该保持的姿态。这种追踪系统的特点是追踪精度高，而且工作台承载器件的重量保持在垂直轴所在的平面内，因此结构简单，易于加工制造。

1.2阳光追踪控制系统结构

本系统机械本体具有两个自由度并具备自锁能力，可以调节安装在工作台上物体的位姿，以对准太阳高度角和方向角。单片机根据时间及当地经纬度计算出此时当地的太阳位置，并产生脉冲信号给步进电机驱动器，控制步进电机进行相应动作，并通过电子罗盘HMC5883L和加速度计MPU6050进行检测反馈。操作者可通过人机交互模块查看或改变系统的运行参数，如角度、时间、电机转速等信息。

1.3系统工作流程

控制系统上电后，系统根据时间，判断太阳是否落山，是则进入待机状态；如没有，则自动进入对正模式，系统将根据时间及当地经纬度计算出的此时太阳高度角及方位角，并实时与MPU6050检测到的工作台倾角及HMC5883L检测到的方位角比较求出角度差，转换成控制脉冲输出步进电机驱动器，使机构对正太阳方位，对正后等待一个设定时间，进行下一次对正。

2太阳角度计算及参数修正

2.1太阳主要角度计算

根据天文学及航海学中常采用的天球坐标系可以方便地对天体的运动进行观测及追踪。通常的方法是在太阳与地球间建立天球赤道坐标系主要包括天轴PNPS、天赤道、以及天体时圈。在观测者与太阳间建立天球地平坐标系包括测者天顶Z、天底Z￠、测者真地平圈、垂直圈、测者午圈，其中太阳在天体时圈和垂直圈的交点上，如图2所示。根据天球坐标系的相关定义，有太阳赤纬角δ，当地的纬度φ，太阳时角t，太阳高度角h，太阳方位角A，从1月1日开始的天数被称为积日N。在天球上以仰极、天顶和天体为顶点，通过这些点的大圆弧为边所形成的三角形称为天文三角形，或称为位置三角形。由于要求解的角度与星体距离无关，所以假设以地球为中心，太阳到地球的距离不变，从而可以用角度来表示弧长。

2.2HMC5883L数据校准

电子罗盘主要是通过感知地球磁场的存在来计算磁北极的方向，然而由于地球磁场在一般情况下只有微弱的0.5高斯，外界的各种磁场干扰都很容易对检测结果造成影响。理想状态下，电子罗盘水平转动一周，两个水平方向磁场矢量的输出为圆形。当存在外界磁场干扰的情况时，测量得到的磁场强度矢量将为该点地球磁场与干扰磁场的矢量和，使罗盘输出曲线的圆心发生偏移。罗差使罗盘输出转变成椭圆，因此将罗差校准的问题转变为椭圆拟合问题。

3结论

本文设计了基于双轴跟踪系统的太阳光追踪控制方案，对太阳角度计算和电子罗盘参数修正做了具体分析，对跟踪装置的应用设计提供一定的参考。

作者:焦波刘同亮宋鸣王仲文迟明善刘士伟王洪旭单位:哈尔滨理工大学荣成学院