導(dǎo)語：太陽追蹤系統(tǒng)設(shè)計論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1陽光追蹤控制方案

1.1雙軸陽光追蹤裝置數(shù)學(xué)模型

裝置采用高度角和方位角的全追蹤方式，又稱為地平坐標(biāo)系雙軸追蹤。工作平面的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。陽光追蹤系統(tǒng)通過實(shí)時計算，求出裝置所在地的太陽位置。工作時工作平面根據(jù)太陽的視日運(yùn)動計算結(jié)果繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角α，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動改變工作臺的傾斜角β，從而使工作平面始終與太陽光線垂直。工作平面方位角α與太陽方位角A相等，傾斜角β與太陽高度角h互余，如圖1所示，因此只要計算出太陽的方位角A和高度角h即可確定當(dāng)前工作臺應(yīng)該保持的姿態(tài)。這種追蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是追蹤精度高，而且工作臺承載器件的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，因此結(jié)構(gòu)簡單，易于加工制造。

1.2陽光追蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)機(jī)械本體具有兩個自由度并具備自鎖能力，可以調(diào)節(jié)安裝在工作臺上物體的位姿，以對準(zhǔn)太陽高度角和方向角。單片機(jī)根據(jù)時間及當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計算出此時當(dāng)?shù)氐奶栁恢茫a(chǎn)生脈沖信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動作，并通過電子羅盤HMC5883L和加速度計MPU6050進(jìn)行檢測反饋。操作者可通過人機(jī)交互模塊查看或改變系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，如角度、時間、電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息。

1.3系統(tǒng)工作流程

控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)根據(jù)時間，判斷太陽是否落山，是則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；如沒有，則自動進(jìn)入對正模式，系統(tǒng)將根據(jù)時間及當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計算出的此時太陽高度角及方位角，并實(shí)時與MPU6050檢測到的工作臺傾角及HMC5883L檢測到的方位角比較求出角度差，轉(zhuǎn)換成控制脈沖輸出步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，使機(jī)構(gòu)對正太陽方位，對正后等待一個設(shè)定時間，進(jìn)行下一次對正。

2太陽角度計算及參數(shù)修正

2.1太陽主要角度計算

根據(jù)天文學(xué)及航海學(xué)中常采用的天球坐標(biāo)系可以方便地對天體的運(yùn)動進(jìn)行觀測及追蹤。通常的方法是在太陽與地球間建立天球赤道坐標(biāo)系主要包括天軸PNPS、天赤道、以及天體時圈。在觀測者與太陽間建立天球地平坐標(biāo)系包括測者天頂Z、天底Z￠、測者真地平圈、垂直圈、測者午圈，其中太陽在天體時圈和垂直圈的交點(diǎn)上，如圖2所示。根據(jù)天球坐標(biāo)系的相關(guān)定義，有太陽赤緯角δ，當(dāng)?shù)氐木暥圈?，太陽時角t，太陽高度角h，太陽方位角A，從1月1日開始的天數(shù)被稱為積日N。在天球上以仰極、天頂和天體為頂點(diǎn)，通過這些點(diǎn)的大圓弧為邊所形成的三角形稱為天文三角形，或稱為位置三角形。由于要求解的角度與星體距離無關(guān)，所以假設(shè)以地球?yàn)橹行?，太陽到地球的距離不變，從而可以用角度來表示弧長。

2.2HMC5883L數(shù)據(jù)校準(zhǔn)

電子羅盤主要是通過感知地球磁場的存在來計算磁北極的方向，然而由于地球磁場在一般情況下只有微弱的0.5高斯，外界的各種磁場干擾都很容易對檢測結(jié)果造成影響。理想狀態(tài)下，電子羅盤水平轉(zhuǎn)動一周，兩個水平方向磁場矢量的輸出為圓形。當(dāng)存在外界磁場干擾的情況時，測量得到的磁場強(qiáng)度矢量將為該點(diǎn)地球磁場與干擾磁場的矢量和，使羅盤輸出曲線的圓心發(fā)生偏移。羅差使羅盤輸出轉(zhuǎn)變成橢圓，因此將羅差校準(zhǔn)的問題轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓擬合問題。

3結(jié)論

本文設(shè)計了基于雙軸跟蹤系統(tǒng)的太陽光追蹤控制方案，對太陽角度計算和電子羅盤參數(shù)修正做了具體分析，對跟蹤裝置的應(yīng)用設(shè)計提供一定的參考。

作者:焦波劉同亮宋鳴王仲文遲明善劉士偉王洪旭單位:哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院