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光電跟蹤技術范文1
【關鍵詞】光伏；Boost變換器；最大功率點跟蹤；模糊控制
1.引言
在高速發展的社會經濟條件下，人們對能源與資源的需求越來越大，目前人們已將目光轉向可再生能源的開發與利用。而光伏發電是一種得到公認的高技術含量、較長遠的發展前途的新能源技術[1]。太陽能是取之不盡、用之不竭的，并且不會產生廢棄物，是一種理想的清潔能源。然而，眾所周知，光伏電池的輸出特性具有明顯的非線性特征，只能在某一特定的電壓下才能輸出最大功率，而這一電壓受很多因素影響[2]。為此需要對最大功率點進行實時跟蹤和控制，確保光伏電池組件輸出最大功率，這是當前研究的熱點。
目前最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）工程上常采用：固定電壓法、擾動觀察法和增量電導法等[3]。固定電壓法控制相對簡單，但其跟蹤方式并未考慮溫度對光伏電池開路電壓的影響，造成大量能量的損失。而擾動觀察法跟電導增量法轉換效率相對高一點，是目前工程上應用較多的方法，只是在這兩種方法中，MPPT電路功率開關器件的占空比調節裕量為定值：當較大時，跟蹤最大功率的速度較快，但是在最大功率點附近容易出現較大的振蕩，從而造成較多能量的損失；當較小時，最大功率點附近的振蕩明顯減弱，但是系統對外界的響應速度會減慢[4]。單級式光伏并網發電系統在同一逆變器環節中既要實現光伏最大功率點跟蹤，又要完成逆變器并網所需的頻率相位的調整，和輸出功率大小等控制策略的實現，從而導致控制量耦合，容易相互沖突，難以兼顧[5]。
本文針對以上情況，設計了一套兩級式光伏并網發電系統。該系統前級采用Boost變換器，并采用模糊控制器實現了MPPT，模糊控制器具有自適應性好，魯棒性強的優點；在后級，用全橋電路作逆變器，采用適當的控制實現了并網電流的輸出。這樣各級變換電路的控制目標清楚明確，可減少相互影響。
2.兩級式光伏并網發電原理
采用的兩級式光伏并網發電主電路及控制原理框圖如圖1所示。
圖1中，光伏器件輸出送給Boost電路，該Boost電路主要是實現兩個功能：其一是實現最大功率點跟蹤控制，通過調節電路功率管的占空比來實現光伏陣列與其所帶外部負載阻抗之間的動態匹配，從而使光伏陣列始終工作在最大功率點附近；其二起到升壓作用。將系統較低的光伏陣列的輸出電壓經Boost升壓，以滿足后級逆變器工作所需的電壓要求，從而向電網輸出功率。
圖1的控制部分，采樣光伏組件的輸出電壓和輸出電流，經過MPPT算法得出光伏電池電壓給定，與采樣調理后的輸入電壓經過PI調節器調節后與三角載波交截從而得到Boost開關管的PWM驅動信號。
電路中采樣Boost輸出電壓即全橋電路的輸入電壓跟給定電壓經過PI調節器調節后得出并入電網的電流幅值，再與鎖相環電路信號相乘算出并網電流的給定信號，經過PI調節器調節后的反饋信號與三角載波交截，經雙極性調制得到逆變橋的驅動信號。
3.最大功率點跟蹤的實現
光伏并網發電系統中，最大功率點的控制用模糊控制器設計。據光伏電池特性推導出控制規則，用DSP可以方便地實現。
3.1 有關電池的輸出功率Pout與占空比D的關系
將太陽能光伏電池光照特性寫成數學表達式（1）所示：
式中：—光照產生的電流；—內部二極管的反向飽和電流；、—光伏電池正常工作時的電流和電壓；—內部二極管的特性因子；—波爾茲曼常量；—電荷；—電池溫度；、—光伏電池內部的串、并聯電阻。
由于并聯內阻很大，串聯內阻很小，這里假設對他們進行忽略處理。因此，光伏電池的輸出電壓如（2）所示：
光伏電池的輸出電流的表達式如（3）所示：
3.2 確定模糊控制器的結構
MPPT控制設計，其關鍵是模糊控制器的設計。選用雙輸入單輸出模糊控制器[6]，如圖4所示。
圖4 二維空間模糊控制器
模糊控制器的第時刻輸入量，為第時刻的功率變化量和功率變化率；第時刻的輸出量為第時刻的占空比改變量，大小在[0，1]間變化。其中功率變化量，功率變化率用代替計算。
3.3 確定輸入模糊子集、輸出模糊子集及他們的論域
的模糊集為E，的模糊集為EC，的模糊集為U。將語言變量E和U定義為7個模糊子集，EC定義為6個模糊子集，即：
3.4 隸屬函數的確定
模糊子集的隸屬函數形狀較尖，表明模糊集合具有較高的分辨率和靈敏度。故選擇三角形作為隸屬函數的形狀E和EC的隸屬函數見圖5和3.5 模糊控制規則
由功率值的變化量及其對占空比的變化量來決定下一開關周期的占空比變化量。根據對光伏電池的輸出功率與占空比之間的特性分析，考慮到外界環境因素（如日照強度等）對光伏電池輸出功率的額外作用，對實際仿真進行調整得到最終控制規則表，如表1所示。
3.6 解模糊方法
4.仿真與實驗
根據兩級式光伏并網發電系統的原理框圖，搭建了一個由光伏電池模塊，Boost變換器模塊，模糊控制器模塊，全橋逆變器模塊，全橋逆變器控制電路模塊等作為子系統構成的兩級式光伏并網發電的仿真模型，如圖8所示。參數是：配置光伏組件的開路電壓是243伏，最大功率輸出點電壓是192V，最大輸出功率為1500W，電網電壓是220Vac/50Hz。
模糊控制器子系統仿真模型如圖9所示。
使用仿真軟件MATLAB 7.8.0，采用ode15s算法進行建模仿真，仿真條件是：設置仿真時間為2s，在1s時，給光生電流一個從5A到10A的階躍，用來模擬光照強度的突變，表明用模糊控制器獲得了較快的跟蹤速度。圖10是并網輸出電流及電網電壓波形，光伏電池輸出功率仿真波形如圖11。圖10中，表示輸出電壓，表示輸出電流，系統能很好很快地實現最大功率點跟蹤，并且能很穩定地并網運行。
控制芯片選用TI公司的TMS320F2808DSP芯片，設計了一套1500W的兩級式光伏并網發電系統，穩定工作時，網側的實驗波形如圖12所示。
5.結論
本文針對光伏電池的特性，將之與Boo-st電路相結合，設計了MPPT的模糊控制器。該方法在外界環境變化劇烈的情況下，可以快速地使光伏電池以最大功率輸出，具有較高的控制精度和穩定性，逆變器的輸出電流能始終保持與電網電壓同步，并網發電運行可靠。
參考文獻
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光電跟蹤技術范文2
【關鍵詞】目視助航設備 精密進近航道指示 圖像提取 雷達引導
隨著我國綜合國力提高，各種軍、民用飛機作業活動日益頻繁；但受環境惡化的影響，我國中東部地區霧霾范圍和程度不斷加大，氣象條件越來越惡劣，對機場飛行活動影響很大。而且大部分機場基礎設施陳舊，未配置儀表著陸系統（INS）或微波著陸系統（IRS），地面進近燈光系統簡易，飛行員主要靠目視完成進近下滑著陸，當能見度低時，飛行員無法及時確定自身偏離下滑航道的情況，飛行員目視進近著陸安全受到嚴重威脅。
在目視飛行中，駕駛飛機最困難的工作是在飛機進近、著陸時，建立和保持與跑道的動態三維相對角度關系（主要是下滑角和航向角）。飛機的進近速度很高、進近時間越來越短，且氣象環境復雜，在沒有目視助航系統的幫助的情況下飛機既要保持準確的進近方向又要保持準確的進近坡度就變得更加困難。
現有通用目視進近坡度指示器（PAPI）和進近助航燈光系統存在指示信號少、精度低、進近航道窄、作用距離有限等問題；本系統在航道指示上，能夠提供橫、縱兩個方向上的偏差指示，且角度指示精度至少可達7級以上；且系統安裝調試簡單、光能利用率高，使得光束指向精度高，實現了低功率及高精度的航向偏差指示；系統常規氣象條件下作用距離可達10公里，在霧霾天氣條件下亦可達數公里，可有效保證飛行進近著陸的安全性。
1 助航系統構建
1.1 助航系統模型建立
系統放置在飛機下滑面與跑道面交線上，位于跑道一側的固定位置。系統模型示意如圖1所示。
飛機進場后，距離跑道入口約10km，此時，飛行員通過目視無法看到跑道入口，系統通過引導雷達來搜索飛機并獲取飛機位置信息，之后再通過光電跟蹤儀完成飛機眼位的精確提取和跟蹤，此時，航道指示器發射的指示光束覆蓋飛機眼位，飛行員可根據航道光束信息提示調整飛機航向和姿態，對準下滑通道安全進近，直到飛行員可觀察到跑道入口。
1.2 系統基本流程
助航系統主要包括引導雷達、光電跟蹤儀、航道指示器、精密伺服設備和數據融合控制單元。引導雷達、光電跟蹤器和航道指示器均安裝在伺服轉臺上，并將零位調校一致，光電跟蹤儀包括紅外成像和可見光數字成像兩種工作模式，在常規氣象條件下可采用高清可見光數字成像系統，可獲得在夜間或霧霾情況下可啟用紅外跟蹤模式。
助航系統總體數據流程如圖2所示。
2 目標搜索和跟蹤
為了輔助著陸助航系統盡可能的全天候、全天時有效地工作，將進場引導雷達與光電跟蹤儀配合使用，引導雷達波束較寬，具有很強的空域搜索能力，能夠及時發現進場飛機，而光電傳感器測量精度比引導雷達高，但目標搜索能力較弱，故系統采用雷達引導光電傳感器的這一基本協調方式。雷達引導光電跟蹤儀是指通過雷達鎖定目標并引導光電跟蹤儀伺服轉臺轉動指向向目標，通過雷達觀測數據與光電跟蹤儀探測數據融合，獲取飛機眼位精確位置信息，并可在終端操控界面顯示融合后的飛機下滑航線偏差信息。
2.1 雷達引導
進場引導雷達，將飛機引導到機場和最后的下滑航線上。進場監視雷達的天線不停地旋轉掃描，發送一串超高頻無線電波，無線電波碰觸到目標反射回來，并在雷達顯示器的屏幕上顯示出來，高大建筑物、橋、高地等的反射波表現為一些小的亮點；飛行中的飛機的反射波表現為一條變弱的光跡，借以辨明飛行方向，精密進場雷達測量飛機目標距離和方位角度信息。
相應的，光學跟蹤儀器協同低空進場雷達，或實現目標監視接力，與進場雷達的信息實現多源融合，從而更好的掌握各類低空航空器的飛行動態，保障低空空域暢通有序?？偠灾涂绽走_與光學跟蹤儀器融合有利于實現資源共享、功能互補，提升空中管制與低空監視的綜合效能，如圖3所示。
光電跟蹤儀和引導雷達協同工作，只有目標進入其作用距離范圍內，設備才能檢測到目標并實施跟蹤，光學跟蹤儀器需要引導雷達作為目標指示設備加以引導，這樣才可以對目標的快速精確捕捉和跟蹤。引導光學跟蹤儀器伺服轉臺轉向雷達顯示界面上被選中感興趣的目標位置，以便觀察人員通過光學跟蹤儀器進行進一步的細節分析和判斷。在雷達顯示界面上移動雷達光標至選中目標，通過網絡或串口把雷達的距離方位和高度數據傳送給光學跟蹤儀器，計算出伺服轉臺所對應的角度，將伺服轉臺引導到指定位置對應的伺服轉臺角度，引導伺服轉臺轉向指定位置。
2.2 機頭眼位的精確提取和跟蹤
由于搜索雷達的有效搜索高度有限，且目標被搜索雷達發現時距離較遠，目標的高低角和方位角變化緩慢，這為光電跟蹤儀在小范圍內移動光學鏡頭搜索目標提供了前提條件。由上可知，濾波器的運算需要一定的時間成本，而在這段時間內，高度估計值的精度往往不足以用來引導光電跟蹤儀，如果變光電跟蹤儀的被動跟蹤為依據某一策略的主動搜索，則有可能提前捕捉到目標。
目司植刻卣魈崛∈槍丶點，對應迎頭進近飛行的飛機來說，目標左右的幾何特征是接近對稱的分布，通過形狀中心的提取及識別，可獲得較為準確的飛機眼位位置目標點的圖像像素位置坐標（如圖4所示），進而完成眼位的提取和跟蹤，詳細流程如下圖5所示。
光學跟蹤儀僅能輸出目標的高低角、方位角信息，目標距離是缺失的。引導雷達觀測誤差較大，只能給出目標的大致位置。為確定精確的目標位置，光學跟蹤儀和引導雷達布置在同一承載小車上，目標指引數據和距離信息可方便的傳輸至光電跟蹤儀。必須指出，本文的方法是基于目標沿下滑道進近飛行的假設前提的，對目標通場、過頂等其他飛行情形不予考慮。
3 下滑道指示
3.1 下滑指示器
當光電跟蹤系統精確跟蹤飛機眼位后，即可通過下滑道指示器發射指示光束，引導飛機目視進近下滑。下滑指示器由光學控制系統、光源組件、合光器件和光學系統組成。
半導體激光二極管能量利用率高、指向性好，可大幅度提高助航燈光系統的能量利用效率，降低機場能耗，具有良好的發展前景和廣闊的市場空間；本系統采用多個LD集成的方式將單個小功率光源耦合進單根光纖，在通過后端光學系統將出光角度壓縮至合適的數值，既要滿足光束指示強度和一定穿透霧霾的要求，還要滿足對飛機目標跟蹤時，飛行員眼睛能夠持續觀察到指示光束（即在跟蹤過程中光束能夠一直覆蓋到飛機眼位位置）；通過計算分析可得光學系統最終出光角度范圍約為10@，如圖6所示。
從理論上說，一個燈具的光學系統，它發出的光在任何一條確定的進近路線和任何一個給定的大氣環境條件下，光束的強度是恒定的；但隨著飛機的進近，飛機和指示燈之間的距離的減小，飛行員觀察到的指示光束的亮度會增強，為了使飛行員觀察指示效果舒適，指示燈光的強度要隨飛機進近距離做適當調整。光強調節等級可通過光學控制單元根據實際使用情況來確定，一般可根據雷達距離數據，飛機每進近200m～400m調節一次，調節刻度跨度亦不能太大，避免造成飛行員眼睛的不適。
光學控制單元通過分析伺服y量飛機的角度和引導雷達測量的飛機距離信息，確定飛機相對于下滑道的位置，從而控制光源組件，發出指定顏色、強度（可通過占空比確定）和閃爍頻率的指示光束。其工作流程如圖7所示。
3.2 下滑指示原理
本方法的下滑指示器與常規的目視下滑坡度進近指示系統（PAPI）不同，PAPI系統是通過固定安裝的幾個不同顏色指示燈在空中覆蓋確定角度的指示光束；而本方法通過光電跟蹤來確定目標的相對于下滑道的偏差俯仰和方位角度，進而提供事先規定好光束顏色和閃爍頻率配置的指示光束，使得飛行員能夠確定自身相對于下滑道的位置。下滑道指示器橫向和縱向光束配置及覆蓋情況如圖8和圖9所示。
對于縱向指示，紅色最外側的兩燈與黃色最外層兩燈有閃爍效果，提示飛行員下滑側偏較大；根據飛行員的視覺習慣及航空標準，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內可調?？傮w覆蓋角度可在較大范圍內（大于30°）進行靈活調節，一般配置在在1°～5°的范圍即可，中間穩定綠色光束可按PAPI燈的下滑指示標準來確定，一般不大于0.5°。
對于橫向指示，左邊紅色最外側的兩燈與右邊黃色最外層兩燈有閃爍效果，提示飛行員航向側偏較大；根據飛行員的視覺習慣及航空標準，光束閃爍速率在50～120次/分鐘范圍內可調?？傮w覆蓋角度也可進行靈活調節，橫向偏差角度范圍較大，可配置為20°，中間穩定綠色光束可按跑道寬度與飛機寬度尺寸來確定。
4 指示精度分析
系統引導機理是向飛行員提供反映飛機當前高低和方位的偏差量和糾偏速率的光學指示信號，指導飛行員進行對中操縱。系統的引導精度首先取決于下滑道橫向和縱向的指示光束的精度，而光束指示精度主要由目標提取和跟蹤精度決定。
目前較常用的光電探測系統精度均可滿足使用要求，總體跟蹤精度與后端光學下滑道指示系統精度相配合的，下滑道指示燈的發散角度要遠大于總體的跟蹤精度，以滿足光電跟蹤系統跟蹤飛機眼位的同時，飛行員能夠觀察到下滑指示光束，但發散角度易不能做得太大，若角度大對于光學指示亮度和霧霾透過效果影響較大，只要滿足在光電跟蹤時，光束能夠覆蓋到飛機整體即可，約為30@。光電跟蹤的總體精度選取在2@左右即可，實際使用中較容易滿足。
影響下滑道指示精度還有指示光束光軸與目標跟蹤系統視場中心的離軸距；指示光束燈箱可制成口徑為100mm左右的尺寸，而光電跟蹤系統口徑則在160mm左右，所以，離軸距約為130mm。此距離相對于引導距離范圍10km～2km來說很小，角度誤差偏差在0.004°（0.22@）對機引導下滑效果的影響可忽略。
從上述分析可以看出，系統總體的下滑道指示精度主要為光電跟蹤部分的精度。對于系統總體引導效果還需要實際飛行試驗驗證，其影響因素主要有飛行氣象條件尤其是能見度條件，飛行員的操作熟練水平以及飛行航線規劃等。
5 總結
本文給出了一種新的飛機進近對準下滑道的解決方法，適用于各類飛機的目視進近著陸引導；該指示方法使飛行員對進近下滑偏差判別更加簡單、明了，可顯著提高輔助著陸正確率，確保飛機進近著陸的安全。系統設備耗能低、成本低廉，使用簡單，引導和指示精度高，使用后可回收，系統氣象和場景適應能力強，適用于各級軍民用機場，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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光電跟蹤技術范文3
[關鍵詞]光電經緯儀、調焦行差、測角總誤差、靶場校飛試驗
中圖分類號：TH761.1 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）46-0278-01
一 引言
光電經緯儀是靶場用于導彈、運載火箭的動力段和彈頭的再入段精密測量的光學儀器，是校準無線電測控設備的基本測量設備。與無線電測量設備相比它具有測量精度高、直觀性強等優點。光電經緯儀一般主要由光學系統（望遠鏡）、角度傳感器系統（方位、高低編碼器）、圖像記錄系統（攝影機、測量電視等）、伺服跟蹤系統等組成。
二 光電經緯儀測量的基本原理
光電經緯儀測量是通過光學系統（望遠鏡）將目標成像到圖像記錄系統，同時記錄下目標偏離視場中心的偏差量及脫靶量，伺服系統捕獲鎖定并跟蹤目標，角度傳感器測量出光學系統視場中心相對于目標的極坐標的二維角度位置信息與脫靶量合成目標的實際角度位置。由光電經緯儀的測量原理的過程可以看出，光學系統（望遠鏡）在測量中占有極其重要的地位。在靶場的數據處理中要對光電經緯儀的系統誤差進行修正（主要包括光學系統視軸誤差、水平軸誤差、零位誤差等），水平軸傾斜誤差是在室內檢測中標定出來的，而光學系統視軸誤差和編碼器零位誤差是通過戰前和戰后測量方位標得到的，方位標一般距光電經緯儀的測站距離在3km～7km左右，光電經緯儀的光學系統需要進行調焦到有限距離對方位標進行正鏡和倒鏡測量結算出視軸誤差和編碼器零位誤差，在跟蹤測量目標與測站的距離一般20km～45km左右（相當于無窮目標），光學系統的調焦機構的精度-調焦行差的大小也決定了光電經緯儀的測角總誤差。
三 調焦行差對測角總誤差的影響和分析
光電經緯儀的測角總誤差來說，其系統誤差主要由以下各項組成：
1、定向誤差；
2、視軸誤差c；
3、零位誤差h；
4、水平軸誤差b；
5、垂直軸誤差I；
上述誤差對光電經緯儀測角的影響如下：
…………………（1）
在（1）中垂直軸誤差可通過調整觀察電子水平儀估算出來，水平軸誤差是在室內檢測標定出來，而定向差、視軸差、零位差是通過對方位標正、倒鏡拍照結算出來。
室內檢測用的檢測架目標和方位標使用平行光管和動態靶標提供的目標，相當于無窮遠目標，在室內檢測中光電經緯儀結算系統誤差都是在一個調焦狀態的條件得到的，光學系統的調焦行差不參與測角總誤差數據處理。而在靶場校飛試驗檢測實際應用中，跟蹤測量目標基本上是在無窮遠的條件進行的，事后處理數據需要修正的視軸差、零位差是根據戰前、戰后拍攝有限距離方位標結算出來的，這樣調焦行差就參與事后的數據處理，由于調焦行差造成有限距離的單向誤差與無窮遠的單向誤差相差較大，這樣就造成光電經緯儀測量數據超差。這樣就需要對光電經緯儀的調焦行差標定出來，在靶場校飛處理數據時對調焦行差進行修正，這樣才能保證靶場校飛的數據準確性。
光電經緯儀在跟蹤測量工作高度不大于65°，實際在靶場校飛跟蹤目標一般在25°～50°之間，調焦行差在方位方向主要影響視軸差，而視軸差隨著光電經緯儀高角變化而變化，高角越大影響越大；調焦行差在高低方向主要影響零位差。
GW-1208光電經緯儀主光學系統是口徑為625mm，1m～5m連續變焦系統，主要用靶場飛行目標外彈道測量和姿態測量。GW-1208光電經緯儀在靶場驗收過程中，經過多次校飛試驗事后測角總誤差高低方向超差，事后測角總誤差σA在4"～6"、σE在10"～13"（事后測角總誤差要求σA=σE≤8"，焦距為5m），通過對事后的測量數據分析，高低測角殘差數據里有一固定的系統誤差，表現為光電經緯儀高低測量值全部小于理論值。在對誤差修正數據中發現，視軸差和零位差的修正值用的是戰前和戰后拍攝方位標結算出的測量值，因為GW-1208光電經緯儀在靶場校飛試驗中調焦位置始終是在無窮遠的狀態下跟蹤測量的，而在GW-1208光電經緯儀實際工作中發現在近距離到無窮遠的調焦過程中，高低方向存在比較明顯調焦行差，通過靶場實際檢測，分別對準5km方位標目標和平行光管目標用下列公式計算出調焦行差：
……………………（2）
…………………（3）
式中ΔfA光電經緯儀方位調焦行差；
ΔfE光電經緯儀方高低行差
A正鏡為光電經緯儀方位正鏡編碼器讀數值；
A倒鏡為光電經緯儀方位倒鏡編碼器讀數值。
E正鏡為光電經緯儀高低正鏡編碼器讀數值；
E倒鏡為光電經緯儀高低倒鏡編碼器讀數值。
實測平行光管目標：A正鏡=0°16’16"、E正鏡=359°53’16"
A倒鏡=180°16’14"、E倒鏡=179°6’46"
5km目標：A正鏡=30°42’36"、E正鏡=359°39’30"
A倒鏡=210°42’36"、E倒鏡=179°20’50"
依據公式計算得調焦行差：ΔfA=1"、ΔfE=-9"，在光電經緯儀高角50°時對光電經緯儀方位測角總誤差影響1.4"（1"÷cos50°），對高低方測角總誤差影響-9"。選取任意選一次靶場校飛試驗數據（σA=5.3"、σE=11.6"）將實測的調焦行差代入公式（1）進行修正如下公式：
……（4）
則測角總誤差為：σA=3.5"、σE=2.6"，測量結果滿足技術指標要求。
四 結束語
分析表明，對于光電經緯儀靶校飛試驗數據處理中的誤差修正，必須考慮對光電經緯儀調焦行差的修正，由于室內檢測與靶場校飛試驗條件的不同，應在室內檢測中標定出光電經緯儀光學系統的調焦行差，應對有限距離特征點例如：3.5km、5km、7km、10km（靶場方位標與測量站點的距離）各個不同有限距離的方位標與無窮遠目標的調焦行差標定出來，這樣在靶場校飛試驗中針對拍攝不同的戰前、戰后方位標，修正各個對應的調焦行差。本文僅僅是從靶場校飛試驗的實際工作角度出發，闡述了光電經緯儀調焦行差對測角總誤差的影響，通過對調焦行差在數據處理中的修正應用，能真實的反映光電經緯儀靶場校飛試驗測角總誤差的要求。
參考文獻：
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光電跟蹤技術范文4
【關鍵詞】光源跟蹤；步進電機
1.引言
伴隨日益嚴重的能源危機，可再生資源的開發和利用成為人們研究的重點對象。太陽能以其普遍、長久、安全等優點脫穎而出。目前太陽能已被不同程度地用在了多個領域，如電池領域，但普遍存在利用率不高的問題，很多場合下，電池板要么被安裝成固定角度，要么只能按照固定角度偏轉，沒有充分使太陽光垂直照射到電池板上，降低了太陽能的利用率。為提高利用率，本文設計了一種基于Atmega16單片機的太陽能電池板光源跟蹤控制系統，能夠實時跟蹤太陽并使太陽光充分垂直照射電池板，從而提高了太陽能的利用率。
2.系統設計原理
設計采用光強比較法來跟蹤太陽光源。整機裝置包括：太陽能電池板、電源管理電路、光電管、單片機、電機驅動電路、步進電機以及機械轉動平臺。系統結構如圖1所示。
系統工作原理如圖2所示，在太陽能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個光電管，根據太陽光照射到電池板對邊兩個光電管的角度（如圖α、β）不相等，使得光電管1、2感受的光照強度不同從而產生大小不同的光電流，將光流轉換成電壓信號，通過比較采集后的電壓信號，控制步進電機向電壓大的方向轉動。
3.系統硬件設計
3.1光強采集電路
系統使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強檢測器件，其光電流大于2mA，發射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓，而且其響應時間
需要注意的是，強光下，光電流較大，此時光電管發射極電阻不宜過大[2]，否則各個光電管輸出電壓均趨于5V，系統不能檢測出對邊兩只光電管的輸出電壓差。該設計中，R1使用330Ω，在冬天中午陽光照射下，測得輸出電壓已達到3.6V。
3.2 步進電機
設計使用5線四相減速步進電機28BYJ-48，減速比為1：64，步矩角為5.625°/64=0.087 89°，遠小于不帶減速比的步進電機，這是提高跟蹤精度的很好選擇。
對于四相步進電機，其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉動力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控制精度。設計采用8拍工作方式，那么1拍轉過的角度為0.087 89°/2=0.043 945°，進一步提高了跟蹤精度。
3.3 電源管理電路
為了使系統能夠在室外正常運行，設計采用太陽能電池板和鋰電池合理給系統供電。當太陽能電池板輸出功率不夠時，由鋰電池給系統供電；當鋰電池電壓低于3.5V的時候，太陽能電池板給鋰電池充電；否則由太陽能電池板給系統供電。
測試知，系統正常運行時輸入功率接近2.5W（5V/480mA）?？紤]到天氣和季節因素，一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上，故設計采用8片太陽能電池片（0.5V/1.2A）串聯，得到4V/1.2A（最大輸出4.8W）的輸出，經DC-DC升壓電路給系統供電。
4.系統軟件設計
軟件流程圖如圖3所示，系統一上電先進行粗調來確定太陽光源的大概位置。其思想是：將水平面平均分成12個區域，在每個區域中對光照強度采樣8次，并累加保存。進入下一個區域，同樣采樣8次并累加，比較相鄰區域累加值的大小，并讓電機向累加值大的區域方向轉動，直到找到累加值最大的區域，這時說明太陽位置在這個區域范圍內。
粗調完成后，對系統電源進行管理，分別對太陽能電池板電壓和鋰電池電壓采樣，經單片機分析，正確的對開關進行操作以合理地為系統配備電能。
微調思想：先對X方向調整，完成后，再對Y方向調整。為得到較平滑的采樣數據，先使光電管采樣64次，再求和取平均，通過比較對邊光電管的平均值，決定步進機的轉動方向。直到X方向和Y方向的兩個光電管采樣值都相等，則調整完成，此時光源處于電池板中心處。
5.運行測試
測試條件：光源距離激光筆105cm，激光筆安裝在電池板的中心，Y方向上，激光筆在偏離光源±30°范圍內。測試結果如表1所示。
6.結束語
測試結果表明，在偏離光源±45°范圍內，系統均能在9s內定位光源，并且偏差不大于4cm。實際應用時，系統實時緊跟太陽，不會出現太陽突然偏轉電池板一個較大角度的情況，因此激光筆偏離光源距離是所關心的，而本設計測得的偏離距離不超過4cm，達到設計要求。
參考文獻
光電跟蹤技術范文5
系統同時具有風載保護、極限限位、故障自動識別、自動保護、自動返回等功能．控制系統原理如圖1所示。光電二極管的光照特性是輸出電流和光照度之間的關系，可以近似看作線性關系．跟蹤系統檢測部分采用四象限結構，在每個象限安裝1個光電二極管，四象限的原點安裝1個太陽光照度檢測光電二極管;后續電路部分采用和差電路形式，電路的連接是先計算相鄰象限信號的和，再計算信號的差．系統將對5個光電二極管的電壓(或電流)信號進行實時采集，經過A/D轉換后送入控制系統，經過對輸入信號的處理之后輸入到功率驅動部分，進而實現對2個軸電機的控制．信號調理電路，對光電二極管的輸出信號進行放大、調零度、滿度等一些處理，使其能夠滿足A/D轉換器的輸入轉換要求，提高整個控制系統的精確性、穩定性和可靠性．控制器采用Microchip公司生產的8位PIC系列單片機，該單片機采用精簡指令集RISC、哈佛雙總線和兩級指令流水線結構．功率驅動部分采用自行設計的直流電機驅動H橋，該橋既能實現電動機的正反轉控制，同時保證足夠的電流輸出，完全滿足伺服電機的驅動和控制要求．
控制器軟件算法:①光伏發電最佳傾角的計算采用月平均太陽輻射量的計算方法，計算傾斜面上的太陽輻射量;②引入基于模糊模型的模糊自適應控制方法，建立以光照強度、光照角度、環境溫度、風力大小等自然因素為系統狀態，以伺服電機的轉動角度、調整時間間隔等為輸出的動態模糊模型;③采用間歇變步長法對光伏電池進行最大功率跟蹤控制，光伏電池板的功率—電壓特性曲線可視為非線性函數，最大功率跟蹤的目的是令光伏電池板的功率輸出始終為功率—電壓特性曲線上的最大值．
跟蹤控制器設計與研究
利用光電二極管傳感器，使光伏發電系統實現位置自動調整;選用單片機作為控制器的中央處理芯片實現成本較低的太陽跟蹤系統．單片機系統具有較好的穩定性，并能夠達到相當高的精確度．為綜合處理各種可能的工況，控制系統內置時鐘，并在系統初始化時設置當地日落最晚時間和日出最早時間，期間為夜晚，當時鐘運行至夜晚開始時，系統回到初始化狀態;當時鐘運行至日出時間時，系統處于待命狀態，此時，單片機采集5號光電二極管的數據，來控制系統的起停．
最大功率點跟蹤控制策略研究
當系統處于時控方式狀態下，需要根據當地所處的地球經緯度位置，精確計算某一時刻太陽高度角、方位角等關鍵參數．具體計算方法如下．
太陽能中天文參數的計算1)日地距離．由于地球繞太陽的運行軌跡是個橢圓，所以地球與太陽之間的距離在1年之內是變化的．到達地球表面的太陽輻射強度和距離的平方(r/r0)2成反比，r0為日地平均距離，r為任意時刻日地距離的準確值．
智能決策軟件研究開發
建立各個地區與太陽能有關的輻射數據庫:①根據安裝地的地名或者所在的經緯度找到對應的輻照度表;②不同傾斜角下各月各季度和年平均的輻照度(kWh/m2);③最佳傾角行所對應的是各月和各季度所對應的最佳傾斜角度;年平均輻照度指的是1年內得到最大日平均輻照度時的傾斜角度;④最佳傾角輻照量是指各月、各季度在最佳傾角時所對應的日平均輻照量;⑤年最佳傾角時輻照度指的是在1年內最大平均輻照量時的傾斜角度所對應的各月、各季度的日平均輻照度．跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現，靈活度高，可以針對不同地區和不同的氣候進行調整，從而提高光伏電站的發電效率．還可以根據需要增加光強傳感器、風力傳感器等多傳感裝置，提高安全性并達到更高的控制要求．通過程序控制，可以自動判斷是否滿足運行條件，從而達到自動啟動運行裝置、自動停止、返回初始狀態等控制．增加風力傳感器用于對系統的保護作用，當風力大于一定數值時，系統停止工作，復位到原點，風速滿足工作條件時，系統自動開始工作．太陽能電池板有2個自由度，控制機構對高度角和方位角2個方向進行調整．當電池板轉到盡頭時，由于跟蹤裝置裝了限位傳感器，到限位觸點時自動切斷輸出，電機停止工作．
跟蹤控制器采用時控與光控相結合的控制方式．采用四象限光敏電阻對太陽高度角和方位角檢測，檢測精度可根據實際需求進行調整．跟蹤器在天氣晴好，太陽不受遮擋的情況下采用光控跟蹤方式;在陰雨天等光照度不足時采用高精度太陽位置算法，根據當地經緯度和時間準確計算出太陽的實際位置進行跟蹤．跟蹤器光控與時控互為補充、自動切換，在保證高精度跟蹤的同時不受陰雨天氣的影響．在天氣由陰轉晴時就立刻將太陽光能絲毫不落的采集出來，實現了最高效率的太陽能跟蹤．同時系統具有風載保護接口，支持外接風速傳感器，能夠隨時控制系統進入機械最大抗風狀態．其智能決策軟件實現流程如圖3所示:
光伏發電智能雙軸跟蹤支架系統的應用前景
目前，大型光伏電站的設計，特別是在國內，很多太陽能電池板陣列基本上是采用固定式結構，存在余弦效應影響，無法保證太陽光垂直照射，光伏電池不能充分利用太陽能資源，發電效率低下，無法保證獲得全年的最大光電轉換效率．采用光伏發電智能雙軸跟蹤支架系統是降低光伏電站電價的潛在途徑．經實驗驗證，跟蹤系統應用到平板光伏發電陣列，可以比固定模式提高30%～40%的發電效率．隨著控制技術的不斷發展與控制成本的不斷降低，實現對太陽方位角和高度角的精確跟蹤的相關技術已成為研究與運用的熱點，因此光伏發電智能雙軸跟蹤支架系統也必將給光伏發電產業帶來巨大的經濟效益，具有不可估量的應用前景．
結束語
光電跟蹤技術范文6
【關鍵詞】太陽能；光電式；雙軸跟蹤；DC/DC變換；單片機
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
我國電力產業中，發電能源多以煤炭為主，面對全球能源危機以及新世紀節能環保，低碳經濟的需求，清潔能源的開發與運用日益受到重視。太陽能作為一種環保、安全、分布廣泛、永不枯竭的公共資源，有著無可比擬的優勢并受到廣大開發者的關注[1]。據測算，每秒抵達地球表面的太陽輻射能量高達8.0×1013kW，相當于550萬噸標準煤燃燒產生的能量。我國的太陽能資源十分豐富，全國有2/3以上的地區年日時數在2000h以上。雖然太陽能總量很大，但由于能流密度較低，到達地面的太陽能每平方米只有1000W左右[2]。
現有太陽能光伏發電系統的太陽能板多為固定安裝，而由于地球的自轉和公轉，太陽的入射角度時刻都在變化，對于某一個固定地點的太陽能發電系統，只有有效保證太陽能光伏電池時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態[3]。為了實現跟蹤太陽運行軌跡，采用光電式太陽能雙軸跟蹤系統，最終在方位角和高度角2個方向實現精確跟蹤。
2.系統結構與實現原理
系統的機械結構如圖1所示，下半部以鐵架作為系統支撐，上半部為安裝有太陽能光伏板的運動云臺，該云臺可在0～180°范圍內實現2個自由度的旋轉。光電傳感模塊必須與光伏電池平行安裝，以保證跟蹤太陽光源的精度。
圖1 系統總框架結構
圖2 系統控制原理
圖2為控制部分的實現原理，以STC12C5A60S2型單片機為控制核心，利用光電傳感模塊實時檢測東西南北四個方向的電壓值，將電壓值送給單片機進行數據處理得到方位信息，調節輸出信號控制X軸和Y軸電機旋轉從而調整電池板姿態，讓太陽光線始終垂直照射于太陽能光伏板。主電路對系統進行升降壓控制，充放電控制以及電路保護。系統工作的同時利用上位機軟件進行遠程監控，準確顯示太陽方位以及電池充放電信息，提高了裝置使用的實用性與便捷性。
3.太陽能最大功率跟蹤系統設計
3.1 光電傳感模塊
光電傳感模塊采用光敏電阻四象限分布模式，如圖3所示。首先，傳感模塊與太陽能電池板安裝在同一平面上，4個光敏電阻朝向東西南北四個方向，因光敏電阻具有較寬的感光角度，而太陽光是散射光，為了增強傳感器對太陽光角度的偏離判斷能力，光敏電阻相互之間用擋板隔開，來遮蓋住部分方向射來的太陽光線。
系統工作時，通過對光敏傳感器的輸出電壓的比較，對云臺姿態作如下調整：1、2號傳感器控制云臺的偏航轉動，3、4號傳感器控制云臺俯仰轉動，判斷兩個自由度的光強差，當兩路電壓差同時達到額定誤差值0.1V時，云臺停止。其優點在于跟蹤精度高，工作效率高，自適應能力強，可以全天候的跟蹤[4]。
圖3 光敏電阻分布圖
3.2 主電路
圖4 系統電路原理圖
圖5 主程序流程圖
如圖4所示主電路由Buck電路、充電電路、Boost電路和LED負載構成。Buck電路將光伏電池板輸出電壓降至5V，除了用作單片機的工作電源，也是充電電路的輸入電壓。充電電路以MAX1898作為控制芯片，有效管理鋰電池（標稱3.7V）的充電過程，盡量延長鋰電池壽命。
Boost電路采用兩塊升壓芯片FP6291，分別提供5V和6.4V兩路電壓輸出。6.4V的電壓用于驅動LED負載；僅在陰雨天或者夜晚時，需要Boost電路提供5V輸出電壓。這是因為在此天氣條件下，太陽光強度大幅度下降導致Buck電路輸出電壓過低，無法讓單片機正常工作，而單片機作為系統控制核心，任何條件下應該盡可能保證其正常運行，需要根據天氣條件切換Buck和Boost電路的工作。本系統通過檢測光敏傳感器輸出電壓來判斷具體的天氣條件，如果光敏傳感器輸出電壓大于2.5V表示光照充足，Buck電路工作提供5V輸出而Boost電路不工作；電壓在1.2V～1.8V判斷為陰雨天，此時由Boost電路工作給系統提供5V工作電源；電壓低于0.8V則為夜晚，除了提供5V輸出的Boost電路正常工作以外，輸出6.4V的Boost電路也工作以驅動LED負載。此外，為了保證鋰電池電量不過放，系統通過采樣鋰電池電壓，當鋰電池電壓低于3.5V時，控制系統進入休眠狀態，切斷負載供電，只保留單片機的供電，以在條件適當時喚醒整個系統進入正常工作。
3.3 閉環雙軸跟蹤控制程序的設計
主程序進行時，首先要對所用到的模塊初始化，包括A/D模塊初始化，串口初始化，以及定時器0和PCA定時器初始化，利用這兩個定時器產生兩路PWM波驅動兩個旋轉電機。初始化完成后通過光電傳感器的輸出電壓進行晝夜判斷，當電壓高于2.5V時，判斷為白天，當電壓低于0.8V時，判斷為夜晚。判斷結果為白天時，太陽能光伏電池板自動轉到東邊初始位置，也就是太陽升起的地方，開始尋找點光源，省去多余檢測時間。當尋找到初始垂直光源時，姿態保持，系統進行充電過程，5分鐘后開始重新尋找光源（間隔時間可根據用戶對精度的具體需求自由調整），單片機對新一輪檢測數據進行處理，控制驅動電機旋轉，調整太陽能板到理想姿態。系統工作的同時單片機會把東西南北四個方向的檢測電壓，光伏電池輸出電壓，光伏電池輸出電流，充電電壓，充電電流通過FBT06無線藍牙串口模塊傳給上位機，用遠程上位機對這些參數進行監測，當參數不正常時，系統會鳴叫報警。系統每隔5分鐘檢測跟蹤一次，一直到傳感器檢測到黑夜時，系統停止跟蹤，進行黑夜等待，等待重新出現白天，主程序流程圖如圖5所示。
程序控制的核心是尋找并跟蹤垂直太陽光線，由此本系統設計了基于太陽能自動跟蹤的控制算法如下：
（1）
（2）
（3）
（4）
式中，TH（k）是本時刻輸出PWM波的高電平持續時間，TH（k-1）是上一時刻輸出PWM波的高電平持續時間，表示電壓值轉換后的數字量，D為輸出PWM波的占空比，EW為東西方向，SN為南北方向。此算法實現了電壓差對輸出信號的控制，配合A/D轉換，最終實現東西光強差，南北光強分別控制兩個驅動電機對偏航角度和俯仰角度的自動調節，從而達到了自動跟蹤的目的，自動跟蹤子程序流程圖如圖6所示。
4.數據處理
4.1 上位機數據采集
利用VB軟件編寫上位機軟件對系統的運行狀態及電參量進行遠程監控。上位機管理控制界面控分為三大部分。第一部分為串行口設置，為了提高軟件的適應能力，該軟件的串行口設置部分提供了COM口以及波特率的選擇，用戶可以根據自己的實際情況自行選擇。第二部分為位置檢測，該部分是監控系統對垂直光線的跟蹤情況，監測光電傳感器采集的電壓值，同時通過四條曲線將采集的電壓值描繪出來。第三部分為太陽能板光伏電壓，太陽能板光伏電流，充電電壓及充電電流的監測，并且繪制充電曲線。
4.2 數據分析
數據測試時間為2014年3月27日，上午8：00到下午16：00，地點位于常熟理工學院百工樓樓頂。數據測試裝置設為兩組，其中一組固定安裝，考慮到實地具體地理位置，太陽能光伏板正南固定安裝，傾斜角設定為45o；另外一采用自動跟蹤裝置。測試數據如表1所示。
功率變化曲線如圖7所示，從圖中可以看出，采用自動跟蹤裝置的太陽能光伏板輸出功率明顯比固定安裝的光伏板輸出功率要高，特別是在上午8：00和下午16：00，輸出功率能夠提升80%左右。
圖6 自動跟蹤子程序流程圖
圖7 功率變化曲線
5.結語
本系統針對現有的太陽能光電轉換效率低的情況進行了軟硬件方面的改進。系統采用了閉環控制的方案，提高了精確度，并且采用了雙軸自動跟蹤系統，克服了固定安裝和單軸跟蹤光能浪費的缺點，最大程度的利用了光能；系統主電路設計全面，充分考慮了系統在各種天氣情況下的運行方案與供電，充電情況，功能完善；通過上位機進行監控，提高了系統自動化程度；系統成本低廉，運行穩定，具有實際研究意義。
參考文獻
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