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光电跟踪技术范文1
【关键词】光伏；Boost变换器；最大功率点跟踪；模糊控制
1.引言
在高速发展的社会经济条件下，人们对能源与资源的需求越来越大，目前人们已将目光转向可再生能源的开发与利用。而光伏发电是一种得到公认的高技术含量、较长远的发展前途的新能源技术[1]。太阳能是取之不尽、用之不竭的，并且不会产生废弃物，是一种理想的清洁能源。然而，众所周知，光伏电池的输出特性具有明显的非线性特征，只能在某一特定的电压下才能输出最大功率，而这一电压受很多因素影响[2]。为此需要对最大功率点进行实时跟踪和控制，确保光伏电池组件输出最大功率，这是当前研究的热点。
目前最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）工程上常采用：固定电压法、扰动观察法和增量电导法等[3]。固定电压法控制相对简单，但其跟踪方式并未考虑温度对光伏电池开路电压的影响，造成大量能量的损失。而扰动观察法跟电导增量法转换效率相对高一点，是目前工程上应用较多的方法，只是在这两种方法中，MPPT电路功率开关器件的占空比调节裕量为定值：当较大时，跟踪最大功率的速度较快，但是在最大功率点附近容易出现较大的振荡，从而造成较多能量的损失；当较小时，最大功率点附近的振荡明显减弱，但是系统对外界的响应速度会减慢[4]。单级式光伏并网发电系统在同一逆变器环节中既要实现光伏最大功率点跟踪，又要完成逆变器并网所需的频率相位的调整，和输出功率大小等控制策略的实现，从而导致控制量耦合，容易相互冲突，难以兼顾[5]。
本文针对以上情况，设计了一套两级式光伏并网发电系统。该系统前级采用Boost变换器，并采用模糊控制器实现了MPPT，模糊控制器具有自适应性好，鲁棒性强的优点；在后级，用全桥电路作逆变器，采用适当的控制实现了并网电流的输出。这样各级变换电路的控制目标清楚明确，可减少相互影响。
2.两级式光伏并网发电原理
采用的两级式光伏并网发电主电路及控制原理框图如图1所示。
图1中，光伏器件输出送给Boost电路，该Boost电路主要是实现两个功能：其一是实现最大功率点跟踪控制，通过调节电路功率管的占空比来实现光伏阵列与其所带外部负载阻抗之间的动态匹配，从而使光伏阵列始终工作在最大功率点附近；其二起到升压作用。将系统较低的光伏阵列的输出电压经Boost升压，以满足后级逆变器工作所需的电压要求，从而向电网输出功率。
图1的控制部分，采样光伏组件的输出电压和输出电流，经过MPPT算法得出光伏电池电压给定，与采样调理后的输入电压经过PI调节器调节后与三角载波交截从而得到Boost开关管的PWM驱动信号。
电路中采样Boost输出电压即全桥电路的输入电压跟给定电压经过PI调节器调节后得出并入电网的电流幅值，再与锁相环电路信号相乘算出并网电流的给定信号，经过PI调节器调节后的反馈信号与三角载波交截，经双极性调制得到逆变桥的驱动信号。
3.最大功率点跟踪的实现
光伏并网发电系统中，最大功率点的控制用模糊控制器设计。据光伏电池特性推导出控制规则，用DSP可以方便地实现。
3.1 有关电池的输出功率Pout与占空比D的关系
将太阳能光伏电池光照特性写成数学表达式（1）所示：
式中：—光照产生的电流；—内部二极管的反向饱和电流；、—光伏电池正常工作时的电流和电压；—内部二极管的特性因子；—波尔兹曼常量；—电荷；—电池温度；、—光伏电池内部的串、并联电阻。
由于并联内阻很大，串联内阻很小，这里假设对他们进行忽略处理。因此，光伏电池的输出电压如（2）所示：
光伏电池的输出电流的表达式如（3）所示：
3.2 确定模糊控制器的结构
MPPT控制设计，其关键是模糊控制器的设计。选用双输入单输出模糊控制器[6]，如图4所示。
图4 二维空间模糊控制器
模糊控制器的第时刻输入量，为第时刻的功率变化量和功率变化率；第时刻的输出量为第时刻的占空比改变量，大小在[0，1]间变化。其中功率变化量，功率变化率用代替计算。
3.3 确定输入模糊子集、输出模糊子集及他们的论域
的模糊集为E，的模糊集为EC，的模糊集为U。将语言变量E和U定义为7个模糊子集，EC定义为6个模糊子集，即：
3.4 隶属函数的确定
模糊子集的隶属函数形状较尖，表明模糊集合具有较高的分辨率和灵敏度。故选择三角形作为隶属函数的形状E和EC的隶属函数见图5和3.5 模糊控制规则
由功率值的变化量及其对占空比的变化量来决定下一开关周期的占空比变化量。根据对光伏电池的输出功率与占空比之间的特性分析，考虑到外界环境因素（如日照强度等）对光伏电池输出功率的额外作用，对实际仿真进行调整得到最终控制规则表，如表1所示。
3.6 解模糊方法
4.仿真与实验
根据两级式光伏并网发电系统的原理框图，搭建了一个由光伏电池模块，Boost变换器模块，模糊控制器模块，全桥逆变器模块，全桥逆变器控制电路模块等作为子系统构成的两级式光伏并网发电的仿真模型，如图8所示。参数是：配置光伏组件的开路电压是243伏，最大功率输出点电压是192V，最大输出功率为1500W，电网电压是220Vac/50Hz。
模糊控制器子系统仿真模型如图9所示。
使用仿真软件MATLAB 7.8.0，采用ode15s算法进行建模仿真，仿真条件是：设置仿真时间为2s，在1s时，给光生电流一个从5A到10A的阶跃，用来模拟光照强度的突变，表明用模糊控制器获得了较快的跟踪速度。图10是并网输出电流及电网电压波形，光伏电池输出功率仿真波形如图11。图10中，表示输出电压，表示输出电流，系统能很好很快地实现最大功率点跟踪，并且能很稳定地并网运行。
控制芯片选用TI公司的TMS320F2808DSP芯片，设计了一套1500W的两级式光伏并网发电系统，稳定工作时，网侧的实验波形如图12所示。
5.结论
本文针对光伏电池的特性，将之与Boo-st电路相结合，设计了MPPT的模糊控制器。该方法在外界环境变化剧烈的情况下，可以快速地使光伏电池以最大功率输出，具有较高的控制精度和稳定性，逆变器的输出电流能始终保持与电网电压同步，并网发电运行可靠。
参考文献
[1]张国荣，项若轩.光伏电池最大功率点跟踪方法的研究[J].能源工程，2009（1）：13-16.
[2]Cheon Kyu Kim，Young Seok Kim，MPPT control method of the seaflow energy generation by using fuzzy controller in a boost converter[C].International Conference on Electrical Machines and Systems（ICEMS 2008），Wuhan，2008，Oct.17-20，2672-2675.
[3]方宇，魏腾飞，谢勇，邢岩.应用在UPS中的耦合电感型Boost电路分析[J].电力电子技术，2009，43（12）：76-78.
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光电跟踪技术范文2
【关键词】目视助航设备 精密进近航道指示 图像提取 雷达引导
随着我国综合国力提高，各种军、民用飞机作业活动日益频繁；但受环境恶化的影响，我国中东部地区雾霾范围和程度不断加大，气象条件越来越恶劣，对机场飞行活动影响很大。而且大部分机场基础设施陈旧，未配置仪表着陆系统（INS）或微波着陆系统（IRS），地面进近灯光系统简易，飞行员主要靠目视完成进近下滑着陆，当能见度低时，飞行员无法及时确定自身偏离下滑航道的情况，飞行员目视进近着陆安全受到严重威胁。
在目视飞行中，驾驶飞机最困难的工作是在飞机进近、着陆时，建立和保持与跑道的动态三维相对角度关系（主要是下滑角和航向角）。飞机的进近速度很高、进近时间越来越短，且气象环境复杂，在没有目视助航系统的帮助的情况下飞机既要保持准确的进近方向又要保持准确的进近坡度就变得更加困难。
现有通用目视进近坡度指示器（PAPI）和进近助航灯光系统存在指示信号少、精度低、进近航道窄、作用距离有限等问题；本系统在航道指示上，能够提供横、纵两个方向上的偏差指示，且角度指示精度至少可达7级以上；且系统安装调试简单、光能利用率高，使得光束指向精度高，实现了低功率及高精度的航向偏差指示；系统常规气象条件下作用距离可达10公里，在雾霾天气条件下亦可达数公里，可有效保证飞行进近着陆的安全性。
1 助航系统构建
1.1 助航系统模型建立
系统放置在飞机下滑面与跑道面交线上，位于跑道一侧的固定位置。系统模型示意如图1所示。
飞机进场后，距离跑道入口约10km，此时，飞行员通过目视无法看到跑道入口，系统通过引导雷达来搜索飞机并获取飞机位置信息，之后再通过光电跟踪仪完成飞机眼位的精确提取和跟踪，此时，航道指示器发射的指示光束覆盖飞机眼位，飞行员可根据航道光束信息提示调整飞机航向和姿态，对准下滑通道安全进近，直到飞行员可观察到跑道入口。
1.2 系统基本流程
助航系统主要包括引导雷达、光电跟踪仪、航道指示器、精密伺服设备和数据融合控制单元。引导雷达、光电跟踪器和航道指示器均安装在伺服转台上，并将零位调校一致，光电跟踪仪包括红外成像和可见光数字成像两种工作模式，在常规气象条件下可采用高清可见光数字成像系统，可获得在夜间或雾霾情况下可启用红外跟踪模式。
助航系统总体数据流程如图2所示。
2 目标搜索和跟踪
为了辅助着陆助航系统尽可能的全天候、全天时有效地工作，将进场引导雷达与光电跟踪仪配合使用，引导雷达波束较宽，具有很强的空域搜索能力，能够及时发现进场飞机，而光电传感器测量精度比引导雷达高，但目标搜索能力较弱，故系统采用雷达引导光电传感器的这一基本协调方式。雷达引导光电跟踪仪是指通过雷达锁定目标并引导光电跟踪仪伺服转台转动指向向目标，通过雷达观测数据与光电跟踪仪探测数据融合，获取飞机眼位精确位置信息，并可在终端操控界面显示融合后的飞机下滑航线偏差信息。
2.1 雷达引导
进场引导雷达，将飞机引导到机场和最后的下滑航线上。进场监视雷达的天线不停地旋转扫描，发送一串超高频无线电波，无线电波碰触到目标反射回来，并在雷达显示器的屏幕上显示出来，高大建筑物、桥、高地等的反射波表现为一些小的亮点；飞行中的飞机的反射波表现为一条变弱的光迹，借以辨明飞行方向，精密进场雷达测量飞机目标距离和方位角度信息。
相应的，光学跟踪仪器协同低空进场雷达，或实现目标监视接力，与进场雷达的信息实现多源融合，从而更好的掌握各类低空航空器的飞行动态，保障低空空域畅通有序。总而言之，低空雷达与光学跟踪仪器融合有利于实现资源共享、功能互补，提升空中管制与低空监视的综合效能，如图3所示。
光电跟踪仪和引导雷达协同工作，只有目标进入其作用距离范围内，设备才能检测到目标并实施跟踪，光学跟踪仪器需要引导雷达作为目标指示设备加以引导，这样才可以对目标的快速精确捕捉和跟踪。引导光学跟踪仪器伺服转台转向雷达显示界面上被选中感兴趣的目标位置，以便观察人员通过光学跟踪仪器进行进一步的细节分析和判断。在雷达显示界面上移动雷达光标至选中目标，通过网络或串口把雷达的距离方位和高度数据传送给光学跟踪仪器，计算出伺服转台所对应的角度，将伺服转台引导到指定位置对应的伺服转台角度，引导伺服转台转向指定位置。
2.2 机头眼位的精确提取和跟踪
由于搜索雷达的有效搜索高度有限，且目标被搜索雷达发现时距离较远，目标的高低角和方位角变化缓慢，这为光电跟踪仪在小范围内移动光学镜头搜索目标提供了前提条件。由上可知，滤波器的运算需要一定的时间成本，而在这段时间内，高度估计值的精度往往不足以用来引导光电跟踪仪，如果变光电跟踪仪的被动跟踪为依据某一策略的主动搜索，则有可能提前捕捉到目标。
目司植刻卣魈崛∈枪丶点，对应迎头进近飞行的飞机来说，目标左右的几何特征是接近对称的分布，通过形状中心的提取及识别，可获得较为准确的飞机眼位位置目标点的图像像素位置坐标（如图4所示），进而完成眼位的提取和跟踪，详细流程如下图5所示。
光学跟踪仪仅能输出目标的高低角、方位角信息，目标距离是缺失的。引导雷达观测误差较大，只能给出目标的大致位置。为确定精确的目标位置，光学跟踪仪和引导雷达布置在同一承载小车上，目标指引数据和距离信息可方便的传输至光电跟踪仪。必须指出，本文的方法是基于目标沿下滑道进近飞行的假设前提的，对目标通场、过顶等其他飞行情形不予考虑。
3 下滑道指示
3.1 下滑指示器
当光电跟踪系统精确跟踪飞机眼位后，即可通过下滑道指示器发射指示光束，引导飞机目视进近下滑。下滑指示器由光学控制系统、光源组件、合光器件和光学系统组成。
半导体激光二极管能量利用率高、指向性好，可大幅度提高助航灯光系统的能量利用效率，降低机场能耗，具有良好的发展前景和广阔的市场空间；本系统采用多个LD集成的方式将单个小功率光源耦合进单根光纤，在通过后端光学系统将出光角度压缩至合适的数值，既要满足光束指示强度和一定穿透雾霾的要求，还要满足对飞机目标跟踪时，飞行员眼睛能够持续观察到指示光束（即在跟踪过程中光束能够一直覆盖到飞机眼位位置）；通过计算分析可得光学系统最终出光角度范围约为10@，如图6所示。
从理论上说，一个灯具的光学系统，它发出的光在任何一条确定的进近路线和任何一个给定的大气环境条件下，光束的强度是恒定的；但随着飞机的进近，飞机和指示灯之间的距离的减小，飞行员观察到的指示光束的亮度会增强，为了使飞行员观察指示效果舒适，指示灯光的强度要随飞机进近距离做适当调整。光强调节等级可通过光学控制单元根据实际使用情况来确定，一般可根据雷达距离数据，飞机每进近200m～400m调节一次，调节刻度跨度亦不能太大，避免造成飞行员眼睛的不适。
光学控制单元通过分析伺服y量飞机的角度和引导雷达测量的飞机距离信息，确定飞机相对于下滑道的位置，从而控制光源组件，发出指定颜色、强度（可通过占空比确定）和闪烁频率的指示光束。其工作流程如图7所示。
3.2 下滑指示原理
本方法的下滑指示器与常规的目视下滑坡度进近指示系统（PAPI）不同，PAPI系统是通过固定安装的几个不同颜色指示灯在空中覆盖确定角度的指示光束；而本方法通过光电跟踪来确定目标的相对于下滑道的偏差俯仰和方位角度，进而提供事先规定好光束颜色和闪烁频率配置的指示光束，使得飞行员能够确定自身相对于下滑道的位置。下滑道指示器横向和纵向光束配置及覆盖情况如图8和图9所示。
对于纵向指示，红色最外侧的两灯与黄色最外层两灯有闪烁效果，提示飞行员下滑侧偏较大；根据飞行员的视觉习惯及航空标准，光束闪烁速率在50～120次/分钟范围内可调。总体覆盖角度可在较大范围内（大于30°）进行灵活调节，一般配置在在1°～5°的范围即可，中间稳定绿色光束可按PAPI灯的下滑指示标准来确定，一般不大于0.5°。
对于横向指示，左边红色最外侧的两灯与右边黄色最外层两灯有闪烁效果，提示飞行员航向侧偏较大；根据飞行员的视觉习惯及航空标准，光束闪烁速率在50～120次/分钟范围内可调。总体覆盖角度也可进行灵活调节，横向偏差角度范围较大，可配置为20°，中间稳定绿色光束可按跑道宽度与飞机宽度尺寸来确定。
4 指示精度分析
系统引导机理是向飞行员提供反映飞机当前高低和方位的偏差量和纠偏速率的光学指示信号，指导飞行员进行对中操纵。系统的引导精度首先取决于下滑道横向和纵向的指示光束的精度，而光束指示精度主要由目标提取和跟踪精度决定。
目前较常用的光电探测系统精度均可满足使用要求，总体跟踪精度与后端光学下滑道指示系统精度相配合的，下滑道指示灯的发散角度要远大于总体的跟踪精度，以满足光电跟踪系统跟踪飞机眼位的同时，飞行员能够观察到下滑指示光束，但发散角度易不能做得太大，若角度大对于光学指示亮度和雾霾透过效果影响较大，只要满足在光电跟踪时，光束能够覆盖到飞机整体即可，约为30@。光电跟踪的总体精度选取在2@左右即可，实际使用中较容易满足。
影响下滑道指示精度还有指示光束光轴与目标跟踪系统视场中心的离轴距；指示光束灯箱可制成口径为100mm左右的尺寸，而光电跟踪系统口径则在160mm左右，所以，离轴距约为130mm。此距离相对于引导距离范围10km～2km来说很小，角度误差偏差在0.004°（0.22@）对机引导下滑效果的影响可忽略。
从上述分析可以看出，系统总体的下滑道指示精度主要为光电跟踪部分的精度。对于系统总体引导效果还需要实际飞行试验验证，其影响因素主要有飞行气象条件尤其是能见度条件，飞行员的操作熟练水平以及飞行航线规划等。
5 总结
本文给出了一种新的飞机进近对准下滑道的解决方法，适用于各类飞机的目视进近着陆引导；该指示方法使飞行员对进近下滑偏差判别更加简单、明了，可显著提高辅助着陆正确率，确保飞机进近着陆的安全。系统设备耗能低、成本低廉，使用简单，引导和指示精度高，使用后可回收，系统气象和场景适应能力强，适用于各级军民用机场，具有广泛的应用前景。
参考文献
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光电跟踪技术范文3
[关键词]光电经纬仪、调焦行差、测角总误差、靶场校飞试验
中图分类号：TH761.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0278-01
一 引言
光电经纬仪是靶场用于导弹、运载火箭的动力段和弹头的再入段精密测量的光学仪器，是校准无线电测控设备的基本测量设备。与无线电测量设备相比它具有测量精度高、直观性强等优点。光电经纬仪一般主要由光学系统（望远镜）、角度传感器系统（方位、高低编码器）、图像记录系统（摄影机、测量电视等）、伺服跟踪系统等组成。
二 光电经纬仪测量的基本原理
光电经纬仪测量是通过光学系统（望远镜）将目标成像到图像记录系统，同时记录下目标偏离视场中心的偏差量及脱靶量，伺服系统捕获锁定并跟踪目标，角度传感器测量出光学系统视场中心相对于目标的极坐标的二维角度位置信息与脱靶量合成目标的实际角度位置。由光电经纬仪的测量原理的过程可以看出，光学系统（望远镜）在测量中占有极其重要的地位。在靶场的数据处理中要对光电经纬仪的系统误差进行修正（主要包括光学系统视轴误差、水平轴误差、零位误差等），水平轴倾斜误差是在室内检测中标定出来的，而光学系统视轴误差和编码器零位误差是通过战前和战后测量方位标得到的，方位标一般距光电经纬仪的测站距离在3km～7km左右，光电经纬仪的光学系统需要进行调焦到有限距离对方位标进行正镜和倒镜测量结算出视轴误差和编码器零位误差，在跟踪测量目标与测站的距离一般20km～45km左右（相当于无穷目标），光学系统的调焦机构的精度-调焦行差的大小也决定了光电经纬仪的测角总误差。
三 调焦行差对测角总误差的影响和分析
光电经纬仪的测角总误差来说，其系统误差主要由以下各项组成：
1、定向误差；
2、视轴误差c；
3、零位误差h；
4、水平轴误差b；
5、垂直轴误差I；
上述误差对光电经纬仪测角的影响如下：
…………………（1）
在（1）中垂直轴误差可通过调整观察电子水平仪估算出来，水平轴误差是在室内检测标定出来，而定向差、视轴差、零位差是通过对方位标正、倒镜拍照结算出来。
室内检测用的检测架目标和方位标使用平行光管和动态靶标提供的目标，相当于无穷远目标，在室内检测中光电经纬仪结算系统误差都是在一个调焦状态的条件得到的，光学系统的调焦行差不参与测角总误差数据处理。而在靶场校飞试验检测实际应用中，跟踪测量目标基本上是在无穷远的条件进行的，事后处理数据需要修正的视轴差、零位差是根据战前、战后拍摄有限距离方位标结算出来的，这样调焦行差就参与事后的数据处理，由于调焦行差造成有限距离的单向误差与无穷远的单向误差相差较大，这样就造成光电经纬仪测量数据超差。这样就需要对光电经纬仪的调焦行差标定出来，在靶场校飞处理数据时对调焦行差进行修正，这样才能保证靶场校飞的数据准确性。
光电经纬仪在跟踪测量工作高度不大于65°，实际在靶场校飞跟踪目标一般在25°～50°之间，调焦行差在方位方向主要影响视轴差，而视轴差随着光电经纬仪高角变化而变化，高角越大影响越大；调焦行差在高低方向主要影响零位差。
GW-1208光电经纬仪主光学系统是口径为625mm，1m～5m连续变焦系统，主要用靶场飞行目标外弹道测量和姿态测量。GW-1208光电经纬仪在靶场验收过程中，经过多次校飞试验事后测角总误差高低方向超差，事后测角总误差σA在4"～6"、σE在10"～13"（事后测角总误差要求σA=σE≤8"，焦距为5m），通过对事后的测量数据分析，高低测角残差数据里有一固定的系统误差，表现为光电经纬仪高低测量值全部小于理论值。在对误差修正数据中发现，视轴差和零位差的修正值用的是战前和战后拍摄方位标结算出的测量值，因为GW-1208光电经纬仪在靶场校飞试验中调焦位置始终是在无穷远的状态下跟踪测量的，而在GW-1208光电经纬仪实际工作中发现在近距离到无穷远的调焦过程中，高低方向存在比较明显调焦行差，通过靶场实际检测，分别对准5km方位标目标和平行光管目标用下列公式计算出调焦行差：
……………………（2）
…………………（3）
式中ΔfA光电经纬仪方位调焦行差；
ΔfE光电经纬仪方高低行差
A正镜为光电经纬仪方位正镜编码器读数值；
A倒镜为光电经纬仪方位倒镜编码器读数值。
E正镜为光电经纬仪高低正镜编码器读数值；
E倒镜为光电经纬仪高低倒镜编码器读数值。
实测平行光管目标：A正镜=0°16’16"、E正镜=359°53’16"
A倒镜=180°16’14"、E倒镜=179°6’46"
5km目标：A正镜=30°42’36"、E正镜=359°39’30"
A倒镜=210°42’36"、E倒镜=179°20’50"
依据公式计算得调焦行差：ΔfA=1"、ΔfE=-9"，在光电经纬仪高角50°时对光电经纬仪方位测角总误差影响1.4"（1"÷cos50°），对高低方测角总误差影响-9"。选取任意选一次靶场校飞试验数据（σA=5.3"、σE=11.6"）将实测的调焦行差代入公式（1）进行修正如下公式：
……（4）
则测角总误差为：σA=3.5"、σE=2.6"，测量结果满足技术指标要求。
四 结束语
分析表明，对于光电经纬仪靶校飞试验数据处理中的误差修正，必须考虑对光电经纬仪调焦行差的修正，由于室内检测与靶场校飞试验条件的不同，应在室内检测中标定出光电经纬仪光学系统的调焦行差，应对有限距离特征点例如：3.5km、5km、7km、10km（靶场方位标与测量站点的距离）各个不同有限距离的方位标与无穷远目标的调焦行差标定出来，这样在靶场校飞试验中针对拍摄不同的战前、战后方位标，修正各个对应的调焦行差。本文仅仅是从靶场校飞试验的实际工作角度出发，阐述了光电经纬仪调焦行差对测角总误差的影响，通过对调焦行差在数据处理中的修正应用，能真实的反映光电经纬仪靶场校飞试验测角总误差的要求。
参考文献：
[1] 中华人民共和国国家计量检定规程-光学经纬仪北京：中国计量出版社，2003
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光电跟踪技术范文4
【关键词】光源跟踪；步进电机
1.引言
伴随日益严重的能源危机，可再生资源的开发和利用成为人们研究的重点对象。太阳能以其普遍、长久、安全等优点脱颖而出。目前太阳能已被不同程度地用在了多个领域，如电池领域，但普遍存在利用率不高的问题，很多场合下，电池板要么被安装成固定角度，要么只能按照固定角度偏转，没有充分使太阳光垂直照射到电池板上，降低了太阳能的利用率。为提高利用率，本文设计了一种基于Atmega16单片机的太阳能电池板光源跟踪控制系统，能够实时跟踪太阳并使太阳光充分垂直照射电池板，从而提高了太阳能的利用率。
2.系统设计原理
设计采用光强比较法来跟踪太阳光源。整机装置包括：太阳能电池板、电源管理电路、光电管、单片机、电机驱动电路、步进电机以及机械转动平台。系统结构如图1所示。
系统工作原理如图2所示，在太阳能电池板边沿的中间位置分别安装一个光电管，根据太阳光照射到电池板对边两个光电管的角度（如图α、β）不相等，使得光电管1、2感受的光照强度不同从而产生大小不同的光电流，将光流转换成电压信号，通过比较采集后的电压信号，控制步进电机向电压大的方向转动。
3.系统硬件设计
3.1光强采集电路
系统使用灵敏度较高的3DU33光电管作为光强检测器件，其光电流大于2mA，发射极只需串接很小的电阻便可得到可被采集的电压，而且其响应时间
需要注意的是，强光下，光电流较大，此时光电管发射极电阻不宜过大[2]，否则各个光电管输出电压均趋于5V，系统不能检测出对边两只光电管的输出电压差。该设计中，R1使用330Ω，在冬天中午阳光照射下，测得输出电压已达到3.6V。
3.2 步进电机
设计使用5线四相减速步进电机28BYJ-48，减速比为1：64，步矩角为5.625°/64=0.087 89°，远小于不带减速比的步进电机，这是提高跟踪精度的很好选择。
对于四相步进电机，其工作方式可分为单4拍、双4拍、8拍三种工作方式。单4拍与双4拍的步距角相等，但单4拍的转动力矩小。8拍工作方式的步距角是单4拍与双4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。设计采用8拍工作方式，那么1拍转过的角度为0.087 89°/2=0.043 945°，进一步提高了跟踪精度。
3.3 电源管理电路
为了使系统能够在室外正常运行，设计采用太阳能电池板和锂电池合理给系统供电。当太阳能电池板输出功率不够时，由锂电池给系统供电；当锂电池电压低于3.5V的时候，太阳能电池板给锂电池充电；否则由太阳能电池板给系统供电。
测试知，系统正常运行时输入功率接近2.5W（5V/480mA）。考虑到天气和季节因素，一般要求电池板的最大输出功率要3W以上，故设计采用8片太阳能电池片（0.5V/1.2A）串联，得到4V/1.2A（最大输出4.8W）的输出，经DC-DC升压电路给系统供电。
4.系统软件设计
软件流程图如图3所示，系统一上电先进行粗调来确定太阳光源的大概位置。其思想是：将水平面平均分成12个区域，在每个区域中对光照强度采样8次，并累加保存。进入下一个区域，同样采样8次并累加，比较相邻区域累加值的大小，并让电机向累加值大的区域方向转动，直到找到累加值最大的区域，这时说明太阳位置在这个区域范围内。
粗调完成后，对系统电源进行管理，分别对太阳能电池板电压和锂电池电压采样，经单片机分析，正确的对开关进行操作以合理地为系统配备电能。
微调思想：先对X方向调整，完成后，再对Y方向调整。为得到较平滑的采样数据，先使光电管采样64次，再求和取平均，通过比较对边光电管的平均值，决定步进机的转动方向。直到X方向和Y方向的两个光电管采样值都相等，则调整完成，此时光源处于电池板中心处。
5.运行测试
测试条件：光源距离激光笔105cm，激光笔安装在电池板的中心，Y方向上，激光笔在偏离光源±30°范围内。测试结果如表1所示。
6.结束语
测试结果表明，在偏离光源±45°范围内，系统均能在9s内定位光源，并且偏差不大于4cm。实际应用时，系统实时紧跟太阳，不会出现太阳突然偏转电池板一个较大角度的情况，因此激光笔偏离光源距离是所关心的，而本设计测得的偏离距离不超过4cm，达到设计要求。
参考文献
光电跟踪技术范文5
系统同时具有风载保护、极限限位、故障自动识别、自动保护、自动返回等功能．控制系统原理如图1所示。光电二极管的光照特性是输出电流和光照度之间的关系，可以近似看作线性关系．跟踪系统检测部分采用四象限结构，在每个象限安装1个光电二极管，四象限的原点安装1个太阳光照度检测光电二极管;后续电路部分采用和差电路形式，电路的连接是先计算相邻象限信号的和，再计算信号的差．系统将对5个光电二极管的电压(或电流)信号进行实时采集，经过A/D转换后送入控制系统，经过对输入信号的处理之后输入到功率驱动部分，进而实现对2个轴电机的控制．信号调理电路，对光电二极管的输出信号进行放大、调零度、满度等一些处理，使其能够满足A/D转换器的输入转换要求，提高整个控制系统的精确性、稳定性和可靠性．控制器采用Microchip公司生产的8位PIC系列单片机，该单片机采用精简指令集RISC、哈佛双总线和两级指令流水线结构．功率驱动部分采用自行设计的直流电机驱动H桥，该桥既能实现电动机的正反转控制，同时保证足够的电流输出，完全满足伺服电机的驱动和控制要求．
控制器软件算法:①光伏发电最佳倾角的计算采用月平均太阳辐射量的计算方法，计算倾斜面上的太阳辐射量;②引入基于模糊模型的模糊自适应控制方法，建立以光照强度、光照角度、环境温度、风力大小等自然因素为系统状态，以伺服电机的转动角度、调整时间间隔等为输出的动态模糊模型;③采用间歇变步长法对光伏电池进行最大功率跟踪控制，光伏电池板的功率—电压特性曲线可视为非线性函数，最大功率跟踪的目的是令光伏电池板的功率输出始终为功率—电压特性曲线上的最大值．
跟踪控制器设计与研究
利用光电二极管传感器，使光伏发电系统实现位置自动调整;选用单片机作为控制器的中央处理芯片实现成本较低的太阳跟踪系统．单片机系统具有较好的稳定性，并能够达到相当高的精确度．为综合处理各种可能的工况，控制系统内置时钟，并在系统初始化时设置当地日落最晚时间和日出最早时间，期间为夜晚，当时钟运行至夜晚开始时，系统回到初始化状态;当时钟运行至日出时间时，系统处于待命状态，此时，单片机采集5号光电二极管的数据，来控制系统的起停．
最大功率点跟踪控制策略研究
当系统处于时控方式状态下，需要根据当地所处的地球经纬度位置，精确计算某一时刻太阳高度角、方位角等关键参数．具体计算方法如下．
太阳能中天文参数的计算1)日地距离．由于地球绕太阳的运行轨迹是个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在1年之内是变化的．到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方(r/r0)2成反比，r0为日地平均距离，r为任意时刻日地距离的准确值．
智能决策软件研究开发
建立各个地区与太阳能有关的辐射数据库:①根据安装地的地名或者所在的经纬度找到对应的辐照度表;②不同倾斜角下各月各季度和年平均的辐照度(kWh/m2);③最佳倾角行所对应的是各月和各季度所对应的最佳倾斜角度;年平均辐照度指的是1年内得到最大日平均辐照度时的倾斜角度;④最佳倾角辐照量是指各月、各季度在最佳倾角时所对应的日平均辐照量;⑤年最佳倾角时辐照度指的是在1年内最大平均辐照量时的倾斜角度所对应的各月、各季度的日平均辐照度．跟踪模式的判断过程完全由软件实现，灵活度高，可以针对不同地区和不同的气候进行调整，从而提高光伏电站的发电效率．还可以根据需要增加光强传感器、风力传感器等多传感装置，提高安全性并达到更高的控制要求．通过程序控制，可以自动判断是否满足运行条件，从而达到自动启动运行装置、自动停止、返回初始状态等控制．增加风力传感器用于对系统的保护作用，当风力大于一定数值时，系统停止工作，复位到原点，风速满足工作条件时，系统自动开始工作．太阳能电池板有2个自由度，控制机构对高度角和方位角2个方向进行调整．当电池板转到尽头时，由于跟踪装置装了限位传感器，到限位触点时自动切断输出，电机停止工作．
跟踪控制器采用时控与光控相结合的控制方式．采用四象限光敏电阻对太阳高度角和方位角检测，检测精度可根据实际需求进行调整．跟踪器在天气晴好，太阳不受遮挡的情况下采用光控跟踪方式;在阴雨天等光照度不足时采用高精度太阳位置算法，根据当地经纬度和时间准确计算出太阳的实际位置进行跟踪．跟踪器光控与时控互为补充、自动切换，在保证高精度跟踪的同时不受阴雨天气的影响．在天气由阴转晴时就立刻将太阳光能丝毫不落的采集出来，实现了最高效率的太阳能跟踪．同时系统具有风载保护接口，支持外接风速传感器，能够随时控制系统进入机械最大抗风状态．其智能决策软件实现流程如图3所示:
光伏发电智能双轴跟踪支架系统的应用前景
目前，大型光伏电站的设计，特别是在国内，很多太阳能电池板阵列基本上是采用固定式结构，存在余弦效应影响，无法保证太阳光垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，发电效率低下，无法保证获得全年的最大光电转换效率．采用光伏发电智能双轴跟踪支架系统是降低光伏电站电价的潜在途径．经实验验证，跟踪系统应用到平板光伏发电阵列，可以比固定模式提高30%～40%的发电效率．随着控制技术的不断发展与控制成本的不断降低，实现对太阳方位角和高度角的精确跟踪的相关技术已成为研究与运用的热点，因此光伏发电智能双轴跟踪支架系统也必将给光伏发电产业带来巨大的经济效益，具有不可估量的应用前景．
结束语
光电跟踪技术范文6
【关键词】太阳能；光电式；双轴跟踪；DC/DC变换；单片机
Abstract：A solar mechanical tracking system is designed aim at the problem that the photoelectric convert efficiency of solar photovoltaic battery is low. Using STC12C5A60S2 MCU as the core controller，the solar panel attitude angle is adjusted through the closed loop dual axis tracking to realize that the solar panels perpendicular to receive sunlight，eventually improve the output power of the battery plate matrix.Upper computer is designed to realize remote communication through wireless Bluetooth，which complete the function of system state monitoring and data recording.The experiment’s results show that the device can stably track the sun's orbit and improve the output power of photovoltaic panels.The system is proved to have high practical values.
Key words：sun energy；photoelectric type；dual-axis tracking；DC/DC transform；MCU
1.引言
我国电力产业中，发电能源多以煤炭为主，面对全球能源危机以及新世纪节能环保，低碳经济的需求，清洁能源的开发与运用日益受到重视。太阳能作为一种环保、安全、分布广泛、永不枯竭的公共资源，有着无可比拟的优势并受到广大开发者的关注[1]。据测算，每秒抵达地球表面的太阳辐射能量高达8.0×1013kW，相当于550万吨标准煤燃烧产生的能量。我国的太阳能资源十分丰富，全国有2/3以上的地区年日时数在2000h以上。虽然太阳能总量很大，但由于能流密度较低，到达地面的太阳能每平方米只有1000W左右[2]。
现有太阳能光伏发电系统的太阳能板多为固定安装，而由于地球的自转和公转，太阳的入射角度时刻都在变化，对于某一个固定地点的太阳能发电系统，只有有效保证太阳能光伏电池时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态[3]。为了实现跟踪太阳运行轨迹，采用光电式太阳能双轴跟踪系统，最终在方位角和高度角2个方向实现精确跟踪。
2.系统结构与实现原理
系统的机械结构如图1所示，下半部以铁架作为系统支撑，上半部为安装有太阳能光伏板的运动云台，该云台可在0～180°范围内实现2个自由度的旋转。光电传感模块必须与光伏电池平行安装，以保证跟踪太阳光源的精度。
图1 系统总框架结构
图2 系统控制原理
图2为控制部分的实现原理，以STC12C5A60S2型单片机为控制核心，利用光电传感模块实时检测东西南北四个方向的电压值，将电压值送给单片机进行数据处理得到方位信息，调节输出信号控制X轴和Y轴电机旋转从而调整电池板姿态，让太阳光线始终垂直照射于太阳能光伏板。主电路对系统进行升降压控制，充放电控制以及电路保护。系统工作的同时利用上位机软件进行远程监控，准确显示太阳方位以及电池充放电信息，提高了装置使用的实用性与便捷性。
3.太阳能最大功率跟踪系统设计
3.1 光电传感模块
光电传感模块采用光敏电阻四象限分布模式，如图3所示。首先，传感模块与太阳能电池板安装在同一平面上，4个光敏电阻朝向东西南北四个方向，因光敏电阻具有较宽的感光角度，而太阳光是散射光，为了增强传感器对太阳光角度的偏离判断能力，光敏电阻相互之间用挡板隔开，来遮盖住部分方向射来的太阳光线。
系统工作时，通过对光敏传感器的输出电压的比较，对云台姿态作如下调整：1、2号传感器控制云台的偏航转动，3、4号传感器控制云台俯仰转动，判断两个自由度的光强差，当两路电压差同时达到额定误差值0.1V时，云台停止。其优点在于跟踪精度高，工作效率高，自适应能力强，可以全天候的跟踪[4]。
图3 光敏电阻分布图
3.2 主电路
图4 系统电路原理图
图5 主程序流程图
如图4所示主电路由Buck电路、充电电路、Boost电路和LED负载构成。Buck电路将光伏电池板输出电压降至5V，除了用作单片机的工作电源，也是充电电路的输入电压。充电电路以MAX1898作为控制芯片，有效管理锂电池（标称3.7V）的充电过程，尽量延长锂电池寿命。
Boost电路采用两块升压芯片FP6291，分别提供5V和6.4V两路电压输出。6.4V的电压用于驱动LED负载；仅在阴雨天或者夜晚时，需要Boost电路提供5V输出电压。这是因为在此天气条件下，太阳光强度大幅度下降导致Buck电路输出电压过低，无法让单片机正常工作，而单片机作为系统控制核心，任何条件下应该尽可能保证其正常运行，需要根据天气条件切换Buck和Boost电路的工作。本系统通过检测光敏传感器输出电压来判断具体的天气条件，如果光敏传感器输出电压大于2.5V表示光照充足，Buck电路工作提供5V输出而Boost电路不工作；电压在1.2V～1.8V判断为阴雨天，此时由Boost电路工作给系统提供5V工作电源；电压低于0.8V则为夜晚，除了提供5V输出的Boost电路正常工作以外，输出6.4V的Boost电路也工作以驱动LED负载。此外，为了保证锂电池电量不过放，系统通过采样锂电池电压，当锂电池电压低于3.5V时，控制系统进入休眠状态，切断负载供电，只保留单片机的供电，以在条件适当时唤醒整个系统进入正常工作。
3.3 闭环双轴跟踪控制程序的设计
主程序进行时，首先要对所用到的模块初始化，包括A/D模块初始化，串口初始化，以及定时器0和PCA定时器初始化，利用这两个定时器产生两路PWM波驱动两个旋转电机。初始化完成后通过光电传感器的输出电压进行昼夜判断，当电压高于2.5V时，判断为白天，当电压低于0.8V时，判断为夜晚。判断结果为白天时，太阳能光伏电池板自动转到东边初始位置，也就是太阳升起的地方，开始寻找点光源，省去多余检测时间。当寻找到初始垂直光源时，姿态保持，系统进行充电过程，5分钟后开始重新寻找光源（间隔时间可根据用户对精度的具体需求自由调整），单片机对新一轮检测数据进行处理，控制驱动电机旋转，调整太阳能板到理想姿态。系统工作的同时单片机会把东西南北四个方向的检测电压，光伏电池输出电压，光伏电池输出电流，充电电压，充电电流通过FBT06无线蓝牙串口模块传给上位机，用远程上位机对这些参数进行监测，当参数不正常时，系统会鸣叫报警。系统每隔5分钟检测跟踪一次，一直到传感器检测到黑夜时，系统停止跟踪，进行黑夜等待，等待重新出现白天，主程序流程图如图5所示。
程序控制的核心是寻找并跟踪垂直太阳光线，由此本系统设计了基于太阳能自动跟踪的控制算法如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，TH（k）是本时刻输出PWM波的高电平持续时间，TH（k-1）是上一时刻输出PWM波的高电平持续时间，表示电压值转换后的数字量，D为输出PWM波的占空比，EW为东西方向，SN为南北方向。此算法实现了电压差对输出信号的控制，配合A/D转换，最终实现东西光强差，南北光强分别控制两个驱动电机对偏航角度和俯仰角度的自动调节，从而达到了自动跟踪的目的，自动跟踪子程序流程图如图6所示。
4.数据处理
4.1 上位机数据采集
利用VB软件编写上位机软件对系统的运行状态及电参量进行远程监控。上位机管理控制界面控分为三大部分。第一部分为串行口设置，为了提高软件的适应能力，该软件的串行口设置部分提供了COM口以及波特率的选择，用户可以根据自己的实际情况自行选择。第二部分为位置检测，该部分是监控系统对垂直光线的跟踪情况，监测光电传感器采集的电压值，同时通过四条曲线将采集的电压值描绘出来。第三部分为太阳能板光伏电压，太阳能板光伏电流，充电电压及充电电流的监测，并且绘制充电曲线。
4.2 数据分析
数据测试时间为2014年3月27日，上午8：00到下午16：00，地点位于常熟理工学院百工楼楼顶。数据测试装置设为两组，其中一组固定安装，考虑到实地具体地理位置，太阳能光伏板正南固定安装，倾斜角设定为45o；另外一采用自动跟踪装置。测试数据如表1所示。
功率变化曲线如图7所示，从图中可以看出，采用自动跟踪装置的太阳能光伏板输出功率明显比固定安装的光伏板输出功率要高，特别是在上午8：00和下午16：00，输出功率能够提升80%左右。
图6 自动跟踪子程序流程图
图7 功率变化曲线
5.结语
本系统针对现有的太阳能光电转换效率低的情况进行了软硬件方面的改进。系统采用了闭环控制的方案，提高了精确度，并且采用了双轴自动跟踪系统，克服了固定安装和单轴跟踪光能浪费的缺点，最大程度的利用了光能；系统主电路设计全面，充分考虑了系统在各种天气情况下的运行方案与供电，充电情况，功能完善；通过上位机进行监控，提高了系统自动化程度；系统成本低廉，运行稳定，具有实际研究意义。
参考文献
[1]马帅旗，王柯，李计谋.基于MCU的太阳能最大功率跟踪系统设计[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2013，29（5）：19-20.
[2]周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2010.
[3]丁婷婷，祝雪妹.太阳能光伏发电中跟踪控制系统的研究与设计[J].机械制造与自动化，2012，41（6）：200-205.
[4]赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2012.
