本發(fā)明屬于跟蹤系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，本發(fā)明還涉及利用基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行跟蹤的方法。

背景技術(shù)：

能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的命脈，是提高人們生活水平的保障。在能源日趨匱乏的今天，全世界都把目光投向了可再生能源，希望能改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。太陽能作為一種新興的可再生能源，對于緩解能源危機(jī)，并在極大程度上改善環(huán)境污染有著極其重要的意義。

太陽能的開發(fā)利用具有巨大的市場前景。目前，太陽能光伏發(fā)電存在的一個瓶頸問題就是發(fā)電效率低，而解決此問題的辦法之一是開發(fā)出太陽能跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板能始終面向太陽，以提高光伏發(fā)電的效率。

現(xiàn)有的太陽跟蹤系統(tǒng)角度檢測主要用編碼器及角位移傳感器等。這些檢測裝置大多安裝復(fù)雜，且安裝精度要求高、校準(zhǔn)費(fèi)時，成本也高。在使用的過程中常常會由于安裝誤差導(dǎo)致傳感器容易損壞。AHRS稱為航姿參考系統(tǒng)，它包括有多個軸向傳感器，能為飛行器提供航向，橫滾和側(cè)翻信息，這類系統(tǒng)能為飛行器提供準(zhǔn)確可靠的姿態(tài)與航行信息，若將AHRS模塊應(yīng)用于太陽能電池板的角度檢測則具有創(chuàng)新意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，能對太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的太陽高度角和方位角進(jìn)行控制，使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，實(shí)現(xiàn)了對太陽的跟蹤，有效提高了發(fā)電效率。

本發(fā)明的另一目的在于提供利用基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行跟蹤的方法。

本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，由機(jī)身主體和控制模塊經(jīng)連接構(gòu)成；機(jī)身主體，包括有太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元及支撐機(jī)構(gòu)，且支撐機(jī)構(gòu)由底座和垂直焊接于底座中央的減速機(jī)支座構(gòu)成，太陽方位角調(diào)整單元設(shè)置于減速機(jī)支座上，太陽高度角調(diào)整單元設(shè)置于太陽方位角調(diào)整單元上且與太陽方位角調(diào)整單元連接；太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元均與控制模塊連接。

本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于：

控制模塊，包括有單片機(jī)，單片機(jī)分別連接外部時鐘模塊、人機(jī)交互模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊及AHRS模塊；太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元均與電機(jī)驅(qū)動模塊連接，太陽高度角調(diào)整單元與AHRS模塊連接。

太陽方位角調(diào)整單元，包括有設(shè)置于減速機(jī)支座上端的蝸輪-蝸桿減速機(jī)和直流電機(jī)，且蝸輪-蝸桿減速機(jī)與直流電機(jī)連為一體；蝸輪-蝸桿減速機(jī)的上部焊接有豎直設(shè)置的立柱，太陽高度角調(diào)整單元支撐于立柱的上端；直流電機(jī)分別通過導(dǎo)線與電機(jī)驅(qū)動模塊、太陽高度角調(diào)整單元內(nèi)的太陽能板連接。

太陽高度角調(diào)整單元由太陽能電池板支撐-調(diào)整一體化裝置和太陽能電池板經(jīng)連接構(gòu)成；太陽能電池板支撐-調(diào)整一體化裝置，包括有太陽能電池板支撐單元和太陽能電池板調(diào)整單元；太陽能電池板支撐單元，包括有水平設(shè)置的回轉(zhuǎn)軸，且回轉(zhuǎn)軸的中部與通過U型螺栓a、U型螺栓b與立柱連接，回轉(zhuǎn)軸的一端通過左支座連接左支撐架，回轉(zhuǎn)軸的另一端通過右支座連接右支撐架，且左支撐架通過支撐桿與右支撐架連接；太陽能電池板與左支撐架、支撐桿和右支撐架連為一體，即左支撐架、支撐桿和右支撐架共同對太陽能電池板起到支撐固定作用，太陽能電池板通過導(dǎo)線與AHRS模塊連接；太陽能電池板調(diào)整單元，包括有直流電動推桿，且直流電動推桿分別通過導(dǎo)線與太陽能電池板、電機(jī)驅(qū)動模塊連接；直流電動推桿的缸體通過銷軸a與推桿支座連接，直流電動推桿的缸桿通過銷軸b與支撐桿的中部連接。

單片機(jī)采用STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制單元。

電機(jī)驅(qū)動模塊內(nèi)采用H橋芯片L298N，在L298N芯片上反向并聯(lián)續(xù)流二極管電路。

外部時鐘模塊為DS1302芯片。

AHRS模塊采用GY-953。

人機(jī)交互模塊包括有液晶顯示屏和按鈕開關(guān)；液晶顯示屏采用LCD1602；按鈕開關(guān)由開關(guān)S1和S2構(gòu)成。

本發(fā)明所采用的第二種技術(shù)方案是，利用基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行跟蹤的方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、按下人機(jī)交互模塊的按鈕開關(guān)，并通過單片機(jī)讀取外部時鐘模塊獲取的當(dāng)前時間，具體包括年、月、日、時、分、秒；

步驟2、經(jīng)步驟1后，根據(jù)燒錄到單片機(jī)內(nèi)的算法，由外部時鐘讀到的當(dāng)前時間，計算出用角度表示的太陽時角，具體算法如下：

τ＝(S_O-12)×15° (1)；

式中，τ為太陽時角，S_O為真太陽時，單位為小時；

太陽高度角α具體按照以下算法獲得：

太陽方位角γ具體按照以下算法獲得：

在上兩式中，E_D為太陽赤緯角，為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?，τ為?dāng)時的太陽時角；

步驟3、經(jīng)步驟2后，通過單片機(jī)讀取AHRS模塊獲取的太陽能電池板12面向太陽的高度角α1和方位角γ1；

步驟4、經(jīng)步驟3后，通過比較燒錄到單片機(jī)內(nèi)部算法所計算出的太陽高度角α、太陽方位角γ與經(jīng)AHRS模塊讀到的太陽高度角α1和方位角γ1，得到太陽高度角偏差Δα和太陽方位角Δγ；

步驟5、經(jīng)步驟4后，設(shè)定一個閾值|δ|，將太陽高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ分別和設(shè)定的閾值|δ|進(jìn)行比較，并通過燒錄到單片機(jī)內(nèi)算法判斷直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)以及直流電動推桿的上推或下拉；

其中，閾值|δ|取1°～2°；

步驟6、經(jīng)步驟5后，利用電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動直流電機(jī)和直流電動推桿作出動作；

步驟7、經(jīng)步驟6后，由AHRS模塊讀取驅(qū)動后的太陽能電池板面向太陽的高度角α1和方位角γ1，并進(jìn)行保存；

步驟8、經(jīng)步驟7后，將太陽高度角α1、方位角γ1與經(jīng)單片機(jī)內(nèi)算法得到的太陽高度角α和方位角γ再次比較；

若偏差不在閾值|δ|范圍內(nèi)，即Δα>|δ|，Δγ>|δ|時，Δα<|δ|，Δγ>|δ|時或Δα>|δ|，Δγ<|δ|時，則執(zhí)行步驟5；

若太陽高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ在閾值|δ|范圍內(nèi)，即Δα<|δ|，Δγ<|δ|時，則一次跟蹤結(jié)束，并通過液晶顯示屏顯示外部時鐘模塊讀到的時間和此時太陽能電池板的高度角α_s和方位角γ_s。

本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，通過AHRS模塊及相應(yīng)的程序相互配合，能直接讀出當(dāng)時太陽的高度角和方位角，從而實(shí)現(xiàn)對太陽能雙軸跟蹤系統(tǒng)的方位角和高度角進(jìn)行控制。

(2)本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，較現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)控制裝置而言：AHRS模塊能同時檢測太陽的高度角和方位角，由于僅需一個模塊，所以所需成本低；AHRS模塊能通過軟件來補(bǔ)償安裝誤差，不需要過高的安裝精度，能有效降低安裝難度。

(3)本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)能為太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的研究提供良好的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)平臺。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)內(nèi)部電路連接示意圖；

圖3是本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的控制電路圖；

圖4是本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的軌跡跟蹤流程圖。

圖中，1.底座，2.減速機(jī)支座，3.蝸輪-蝸桿減速機(jī)，4.直流電機(jī)，5.銷a，6.推桿支座，7.立柱，8.缸體，9.回轉(zhuǎn)軸，10.右支座，11.缸桿，12.太陽能電池板，13.銷b，14.支撐桿，15.U型螺栓a，16.左支座，17.U型螺栓b，18.直流電動推桿，19.左支撐架，20.右支撐架，21.電機(jī)驅(qū)動模塊，22.AHRS模塊，23.按鈕開關(guān)，24.液晶顯示屏，25.外部時鐘模塊，26.單片機(jī)，27.人機(jī)交互模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1圖2所示，由機(jī)身主體和控制模塊經(jīng)連接構(gòu)成；機(jī)身主體，包括有太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元及支撐機(jī)構(gòu)，且支撐機(jī)構(gòu)由底座1和垂直焊接于底座1中央的減速機(jī)支座2構(gòu)成，太陽方位角調(diào)整單元設(shè)置于減速機(jī)支座2上，太陽高度角調(diào)整單元設(shè)置于太陽方位角調(diào)整單元上且與太陽方位角調(diào)整單元連接；太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元均與控制模塊連接。

控制模塊，如圖2所示，包括有單片機(jī)26，單片機(jī)26分別連接外部時鐘模塊25、人機(jī)交互模塊27、電機(jī)驅(qū)動模塊21及AHRS模塊22；太陽高度角調(diào)整單元、太陽方位角調(diào)整單元均與電機(jī)驅(qū)動模塊21連接，太陽高度角調(diào)整單元與AHRS模塊22連接。

太陽方位角調(diào)整單元，如圖1所示，包括有設(shè)置于減速機(jī)支座2上端的蝸輪-蝸桿減速機(jī)3和直流電機(jī)4，且蝸輪-蝸桿減速機(jī)3與直流電機(jī)4連為一體；蝸輪-蝸桿減速機(jī)3的上部焊接有豎直設(shè)置的立柱7，太陽高度角調(diào)整單元支撐于立柱7的上端；直流電機(jī)4分別通過導(dǎo)線與電機(jī)驅(qū)動模塊21、太陽高度角調(diào)整單元內(nèi)的太陽能板12連接；蝸輪-蝸桿減速機(jī)3和直流電機(jī)4相互配合能為太陽高度角調(diào)整單元調(diào)整太陽高度角提供動力。

太陽高度角調(diào)整單元，如圖1及圖2所示，由太陽能電池板支撐-調(diào)整一體化裝置和太陽能電池板12經(jīng)連接構(gòu)成；太陽能電池板支撐-調(diào)整一體化裝置，包括有太陽能電池板支撐單元和太陽能電池板調(diào)整單元；太陽能電池板支撐單元，包括有水平設(shè)置的回轉(zhuǎn)軸9，且回轉(zhuǎn)軸9的中部與通過U型螺栓a15、U型螺栓b17與立柱7連接，回轉(zhuǎn)軸9的一端通過左支座16連接左支撐架19，回轉(zhuǎn)軸9的另一端通過右支座10連接右支撐架20，且左支撐架19通過支撐桿14與右支撐架20連接；太陽能電池板12與左支撐架19、支撐桿14和右支撐架20連為一體，即左支撐架19、支撐桿14和右支撐架20共同對太陽能電池板12起到支撐固定作用，太陽能電池板12通過導(dǎo)線與AHRS模塊22連接；太陽能電池板調(diào)整單元，包括有直流電動推桿18，且直流電動推桿18分別通過導(dǎo)線與太陽能電池板12、電機(jī)驅(qū)動模塊21連接；直流電動推桿18的缸體8通過銷軸a5與推桿支座6連接，直流電動推桿18的缸桿11通過銷軸b13與支撐桿14的中部連接。

單片機(jī)26采用STC89C52RC單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制單元。

電機(jī)驅(qū)動模塊21內(nèi)采用H橋芯片L298N，在L298N芯片上反向并聯(lián)續(xù)流二極管電路，用于防止在其內(nèi)部功率管產(chǎn)生很高電壓，導(dǎo)致?lián)p壞器件；如圖3所示，電機(jī)驅(qū)動模塊21通過單片機(jī)26的P1.4～P1.7，P2.0～P2.1對直流電機(jī)4的M1和直流電動推桿18的M2進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制；其中，單片機(jī)26的P1.4～P1.7與電機(jī)驅(qū)動模塊21的IN1～I(xiàn)N4相連，單片機(jī)26的P2.0與電機(jī)驅(qū)動模塊21使能ENA相連，單片機(jī)26的P2.1與電機(jī)驅(qū)動模塊21使能ENB相連，VSS接5V電源為電機(jī)驅(qū)動模塊21供電，VS接36V電源為驅(qū)動電壓；ISENA和ISEN B分別接地，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4均作為輸出，通過反向并聯(lián)續(xù)流二極管電路實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)4的M1和直流電動推桿18的M2正反轉(zhuǎn)的控制，以此調(diào)整太陽能電池板12對太陽高度角的跟蹤；用IN1、IN2控制直流電機(jī)4的M1轉(zhuǎn)動，以此調(diào)整太陽方位角；IN1＝0，IN2＝1，直流電機(jī)4的M1順時針轉(zhuǎn)動，方位角增大；IN1＝1，IN2＝0，直流電機(jī)4的M1逆時針轉(zhuǎn)動，方位角減??；用IN3，IN4控制直流電動推桿18的M2上推和下拉，以此調(diào)整太陽能電池板12對太陽高度角的跟蹤；IN3＝1，IN4＝0時直流電動推桿18的M2上推，高度角增大；IN3＝0，IN4＝1，此時直流電動推桿18的M2下拉，高度角減??；同時EN1、EN2為輸入信號A、B調(diào)速端，輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速；全部置高電平，全速運(yùn)動。L298N控制信號與直流電機(jī)4、直流電動推桿18控制關(guān)系具體如表1所示。

表1

外部時鐘模塊25為DS1302芯片，該芯片有時序控制，而且抗干擾、體積小、連線少；用于記錄當(dāng)?shù)貢r間，通過讀取時間來計算當(dāng)?shù)氐母叨冉呛头轿唤?；同時DS1302芯片有內(nèi)部供電，不接外部電源仍能進(jìn)行時鐘計時，即掉電不清零；實(shí)時時鐘電路由3V電源供電，晶振Y1為32.768kHz，接在X1和X2端口上作為基準(zhǔn)時鐘信號；REST為復(fù)位/片選信號，連接單片機(jī)26的P2.7口，通過REST輸入驅(qū)動置高電平啟動數(shù)據(jù)傳送，SCLK為低電平時，才能將REST置為高電平；SCLK與單片機(jī)26的P2.6相連，IO為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端與單片機(jī)26的P2.5相連；VCC1連接紐扣電池確保掉電不清零；VCC2連接5V電源，GND接地。

AHRS模塊22采用GY-953，工作電壓3V～5V，功耗小且體積小，其工作原理是通過陀螺儀與加速度傳，磁場感器經(jīng)過數(shù)據(jù)融合算法最后得到直接得到太陽高度角和方位角。

人機(jī)交互模塊27包括有液晶顯示屏24和按鈕開關(guān)23，液晶顯示屏24采用LCD1602，能在液晶屏24上顯示當(dāng)前的太陽高度角和方位角，其價格便宜且使用方便；其中DATA0～DATA7分別與單片機(jī)26的P0.0～P0.7相連，使能EN與單片機(jī)26的P1.0相連，RW與單片機(jī)26的P1.1相連，RS與單片機(jī)26的P1.2相連，對液晶顯示屏24進(jìn)行供電和接地；按鈕開關(guān)23由開關(guān)S1和S2構(gòu)成。

采用36V電源給電機(jī)驅(qū)動模塊21進(jìn)行供電，單片機(jī)26的電路需要5V電壓供電，因此采用DC-DC可調(diào)降壓芯片進(jìn)行降壓處理。

直流電機(jī)4的精度等級為0.1°，減速比62：1，工作溫度在-40℃～80℃。

直流電動推桿18的行程為150mm。

本發(fā)明利用基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)對太陽進(jìn)行跟蹤的方法(一次跟蹤的方法)，如圖4所示，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1、按下人機(jī)交互模塊27的按鈕開關(guān)23，并通過單片機(jī)26讀取外部時鐘模塊25獲取的當(dāng)前時間，具體包括年、月、日、時、分、秒；

步驟2、經(jīng)步驟1后，根據(jù)燒錄到單片機(jī)內(nèi)的算法，由外部時鐘25讀到的當(dāng)前時間，計算出用角度表示的太陽時角。

τ＝(S_O-12)×15° (1)；

式(1)中，τ為太陽時角，S_O為真太陽時，單位為小時；

太陽高度角α具體按照以下算法獲得：

太陽方位角γ具體按照以下算法獲得：

在式(2)和式(3)中，E_D為太陽赤緯角，為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋訛楫?dāng)時的太陽時角。

步驟3、經(jīng)步驟2后，通過單片機(jī)26讀取AHRS模塊22獲取的太陽能電池板12面向太陽的高度角α1和方位角γ1。

步驟4、經(jīng)步驟3后，通過比較燒錄到單片機(jī)26內(nèi)部算法所計算出的太陽高度角α、太陽方位角γ與經(jīng)AHRS模塊22讀到的太陽高度角α1和方位角γ1，得到太陽高度角偏差Δα和太陽方位角Δγ。

步驟5、經(jīng)步驟4后，設(shè)定一個閾值|δ|，將太陽高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ分別和設(shè)定的閾值|δ|進(jìn)行比較，并通過燒錄到單片機(jī)26內(nèi)算法判斷直流電機(jī)4正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)以及直流電動推桿18的上推或下拉，因機(jī)械本身的運(yùn)動誤差或因風(fēng)力等因素引起的擺動，為了防止跟蹤系統(tǒng)太陽高度角α和太陽方位角γ左右擺動而不能正常結(jié)束跟蹤或因風(fēng)力等導(dǎo)致重新喚醒跟蹤系統(tǒng)，其閾值|δ|一般取1°～2°，以達(dá)到節(jié)能的效果。

步驟6、經(jīng)步驟5后，利用電機(jī)驅(qū)動模塊21來驅(qū)動直流電機(jī)4和直流電動推桿18作出動作。

步驟7、經(jīng)步驟6后，由AHRS模塊22讀取驅(qū)動后的太陽能電池板12面向太陽的高度角α1和方位角γ1，并進(jìn)行保存。

步驟8、經(jīng)步驟7后，將太陽高度角α1、方位角γ1與經(jīng)單片機(jī)26內(nèi)算法得到的太陽高度角α和方位角γ再次比較：

若偏差不在閾值|δ|范圍內(nèi)，即Δα>|δ|，Δγ>|δ|時，Δα<|δ|，Δγ>|δ|時或Δα>|δ|，Δγ<|δ|時，則執(zhí)行步驟5；

若太陽高度角偏差Δα和方位角偏差Δγ在閾值|δ|范圍內(nèi)，即Δα<|δ|，Δγ<|δ|時，則一次跟蹤結(jié)束，并通過液晶顯示屏24顯示外部時鐘模塊25讀到的時間和此時太陽能電池板的高度角α_s和方位角γ_s。

本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)，能對太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)的太陽高度角和方位角進(jìn)行控制，使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，實(shí)現(xiàn)了對太陽的跟蹤，有效提高了發(fā)電效率。本發(fā)明基于AHRS模塊的太陽能雙軸視日跟蹤系統(tǒng)及跟蹤方法，使用起來非常方便，能實(shí)現(xiàn)不同時刻太陽的實(shí)時定位跟蹤。