[發明專利]基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統及方法

有效

• 申請號: 201810462116.5
• 申請日: 2018-05-15
• 公開（公告）號: CN108469845B
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 王安娜;楊陽
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: G05D3/12
• 分類號: G05D3/12
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李洪福

1.一種基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統的太陽跟蹤方法，其特征在于，所述的基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統，包括檢測控制裝置和機械執行裝置；

所述檢測控制裝置包括電池板電子陀螺儀MPU、北斗定位芯片、車輛電子陀螺儀MPU、雨水傳感器、時鐘模塊和RISC處理器模塊；

所述機械執行裝置包括自旋平臺、兩連桿俯仰機構、太陽能電池托板和車架；

所述自旋平臺與所述車架同軸并通過不銹鋼轉盤軸承器與所述車架上端連接，所述車架上設有第一步進電機，所述第一步進電機的輸出端通過主動輪與所述不銹鋼轉盤軸承器齒輪嚙合連接；

所述兩連桿俯仰機構包括絲桿導軌，所述絲桿導軌的一端與第二步進電機的輸出端連接，所述絲桿導軌的另一端與絲杠連接板轉動連接，所述第二步進電機和所述絲杠連接板均與所述自旋平臺上端連接，所述絲杠連接板的上端與太陽能電池托板的一端鉸接，所述絲桿導軌上套接有可沿所述絲桿導軌移動的第一連桿，所述第一連桿的上端與第二連桿的一端鉸接，所述第二連桿的另一端與所述太陽能電池托板的側壁中段鉸接，所述太陽能電池托板的上端設有太陽能電池板，所述太陽能電池托板的下端設有電池板電子陀螺儀MPU，所述車架尾部上端設有雨水傳感器，所述車架上設有所述北斗定位芯片、所述車輛電子陀螺儀MPU、所述RISC處理器模塊和所述時鐘模塊；

所述的基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統的太陽跟蹤方法包括，所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統，所述多任務包括電機控制任務、歷史觀測器數據采集任務、太陽角度計算任務、車輛動靜檢測任務、連續彎道與顛簸路段檢測任務、系統啟停判斷任務和北斗定位數據接收任務；

所述方法具有如下步驟：

S1、系統啟停判斷：

所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統周期性執行系統啟停判斷任務，讀取所述時鐘模塊數據，判斷時間是否處于6:00-18:00區間，若否，則掛起除自身以外的，所有的所述多任務；若是，則讀取所述雨水傳感器輸出電平，判斷是否為雨天，若是，則掛起除自身以外的，所有的所述多任務；若否，則開啟延遲，交出RISC處理器模塊控制權；

S2、進行模式選擇：

所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統初始化后，所述車輛電子陀螺儀MPU輸出所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統的運動數據，所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統周期性執行車輛動靜檢測任務，所述車輛動靜檢測任務接收所述車輛電子陀螺儀MPU輸出的所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統的運動數據并進行分析，判定所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統當前運動狀態，依據判定結果輸出可調死區閾值M，M取5度時，對應移動跟蹤模式，M取2度時，對應定點跟蹤模式；

S3、實施跟蹤：

由所述電池板電子陀螺儀MPU獲取所述太陽能電池板的運動數據，再經所述電池板電子陀螺儀MPU自帶的DMP實施硬件姿態解算，獲得所述太陽能電池板歐拉角的電池板航偏角和電池板俯仰角；

所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統執行北斗定位數據接收任務，接受所述北斗定位芯片通訊數據，對通訊數據解析處理，提取所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統所在地理位置的經緯度信息和日期時間信息，將經緯度和日期時間信息通過消息隊列發送給所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統執行太陽角度計算任務，計算出太陽角度的太陽方位角和太陽高度角，所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統執行歷史觀測器數據采集任務，抓取到t時刻所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統歐拉角為δ_t，t-1時刻所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統歐拉角為δ_t-1，δ_t和δ_t-1通過消息傳遞給所述RISC處理器模塊運行μC/OS-III實時多任務操作系統執行電機控制任務；

所述RISC處理器模塊通過電機控制任務，啟動帶前饋補償的模糊PID控制算法，所述帶前饋補償的模糊PID控制算法包括模糊PID控制器和前饋模糊控制器，在所述帶前饋補償的模糊PID控制算法的負反饋通道中，比較太陽方位角與電池板航偏角得到兩者差值e₁，比較太陽高度角與電池板俯仰角得到兩者差值e₂，它們統稱為差值e{e₁,e₂}，當且僅當|e₁|M或者|e₂|M時，差值e{e₁,e₂}通過可調死區，傳遞給所述模糊PID控制器，取差值e₁和其變化率de₁/dt作為所述模糊PID控制器輸入量，產生電池板航偏角PWM脈寬調制輸出信號，e₂和其變化率de₂/dt作為所述模糊PID控制器輸入量，產生電池板俯仰角PWM脈寬調制輸出信號；

在所述帶前饋補償的模糊PID控制算法的前饋通道中，設所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統歐拉角歷史比對差值為e_t/t-1{e₃,e₄}＝δ_t-δ_t-1，其中e₃為所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統航偏角的歷史比對差值，e₄為所述基于北斗的可移動式太陽跟蹤系統俯仰角的歷史比對差值，所述前饋模糊控制器使用歷史比對差值e₃和其變化率de₃/dt作為輸入量，產生電池板航偏角前饋PWM脈寬調制輸出信號，使用歷史比對差值e₄和其變化率de₄/dt作為輸入量，產生電池板俯仰角前饋PWM脈寬調制輸出信號；

所述第一步進電機的電機驅動器收到所述電池板航偏角PWM脈寬調制輸出信號或者所述電池板航偏角前饋PWM脈寬調制輸出信號，產生驅動電流，驅動所述第一步進電機進行正反轉，完成所述太陽能電池板航偏角調整，所述第二步進電機的電機驅動器接收到所述電池板俯仰角PWM脈寬調制輸出信號或者所述電池板俯仰角前饋PWM脈寬調制輸出信號，產生驅動電流，驅動所述第二步進電機進行正反轉，完成所述太陽能電池板俯仰角調整；

S4、重復步驟S3，直至|e₁|≤M且|e₂|≤M，此時太陽光垂直照射所述太陽能電池板。