CN102789241B - 高度角自动变化的太阳光照模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

高度角自动变化的太阳光照模拟装置及方法，属于太阳光照模拟领域，为建立在较长时间内可动态的、高度角自动变化的模拟太阳光照环境，本发明装置中平面反射镜与旋转传动机构相连，旋转传动机构安装在移动台上；位移传动机构通过连接器固定在移动台上，移动台设置在位移导轨上，控制单元用于控制位移传动机构和旋转传动机构的运动；本发明方法：测量太阳跟踪装置到太阳模拟器（10）主光轴CD的垂直距离d；将测量到的距离d传送到控制单元；将初始高度角α_s、高度角变化率α_v、结束高度角α_f、光照模拟时间长度t_L参数传送到控制单元；控制单元再根据位移传感器和角度传感器反馈的参数做适当的调整，可以实现高度角自动变化的太阳光照模拟。

Description

高度角自动变化的太阳光照模拟装置及方法

技术领域

本发明属于太阳光照模拟领域，具体涉及高度角自动变化的太阳光照模拟装置及方法。

背景技术

太阳为地球提供了绝大多数的能源输入，对全球的气候有巨大的影响。为获取高精度的太阳辐射数据，去除大气层对太阳辐射观测的影响，在轨太阳辐射监测被列入了诸多的航天任务。连续的、高精度的在轨太阳辐射数据将为当代、未来几百年甚至几千年的全球气候研究提供珍贵的原始数据，是全人类的一项长期的、艰巨的任务。为提高在轨太阳辐射测量数据的精度，目前各航天太阳辐射测量仪器纷纷引入太阳跟踪装置来替代扫描测量模式。

如图1所示，是航天器上太阳光高度角和方位角示意图。其中，H是太阳跟踪装置在航天器上的安装基准面，OA是单位太阳矢量，OB是太阳矢量OA在安装基准面H上的投影，OC是矢量OB在安装基准面x轴上的投影，OD是矢量OB在安装基准面y轴上的投影。

太阳高度角指太阳光线与太阳跟踪装置的安装基准面H间的夹角α。

太阳方位角为太阳光线在太阳跟踪装置的安装基准面H上投影与x轴正方向的夹角γ。

在轨太阳跟踪装置的调试、测试、检测离不开太阳光照环境。

利用自然的太阳光照环境来调试、试验、检测太阳跟踪设备，优点是费用较低，但自然光照条件受地理位置、气候因素、环境因素的广泛影响和制约。

目前，为了测试或检测卫星上的在轨太阳跟踪装置，大多数采用“单维转台”的方案。这种方案可以测试太阳跟踪装置单一自由度的性能，“单维转台”的方案主要包括太阳模拟器、单维转台等组件。这种方案的工作原理概述如下。太阳模拟器位置固定，太阳跟踪设备固定在单维转台上。单维转台携带太阳跟踪设备绕转台的轴线以恒定的速率旋转，从而改变入射到太阳跟踪设备光电探测单元中的模拟太阳光高度角，以测试太阳跟踪设备的性能或指向精度。

这种在转台上旋转待测太阳跟踪设备的方法可能危害待测太阳跟踪设备的安全。在连续长时间环境试验中，太阳跟踪设备需要在转台上不断地转动，可能危害太阳跟踪设备中的某些组件。由于转台的连续旋转运动，可能损害电源线、信号线，如拉长、缠绕导致的电气连接线破裂。在长时间的连续试验中，甚至有可能发生太阳跟踪设备跌落转台的严重事故。

发明内容

为了克服现有技术的不足，建立在较长时间内可动态的、高度角自动变化的模拟太阳光照环境，本发明提供一种高度角自动变化的太阳光照模拟装置及方法。

高度角自动变化的太阳光照模拟装置，包括太阳模拟器、平面反射镜、位移传动机构、位移导轨、移动台、旋转传动机构、连接器和控制单元；平面反射镜与旋转传动机构相连，旋转传动机构安装在移动台上；位移传动机构通过连接器固定在移动台上，移动台设置在位移导轨上，控制单元用于控制位移传动机构和旋转传动机构的运动。

高度角自动变化的太阳光照模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：调整太阳模拟器，出射光线水平入射到平面反射镜，太阳模拟器的主光轴CD经过平面反射镜的几何中心；

步骤二：待测太阳跟踪装置放置在水平面上，太阳模拟器的主光轴CD平行于位移导轨的直线运动方向AB且与***y轴OF垂直，测量太阳跟踪装置到太阳模拟器（10）主光轴CD的垂直距离d；

步骤三：将测量到的距离d传送到控制单元；将初始高度角α_s、高度角变化率α_v、结束高度角α_f、光照模拟时间长度t_L参数传送到控制单元；

步骤四：控制单元根据输入的参数，计算时刻t的期望太阳高度角α_r(t)

α_r(t)=f(t,α_s,α_v,α_f,t_L)

其中函数f( )为计算期望太阳高度角的函数，α_s为初始高度角、α_v为高度角变化率、α_f为结束高度角、t_L为光照模拟时间长度；

 控制单元根据输入的参数，计算时刻t的反射镜期望水平位移x_r(t)

$x_r\left(t\right)=\frac{d}{\tan \left({\mathrm{\α}}_r\left(t\right)\right)}$

控制单元根据输入的参数，计算时刻t的反射镜与水平面的期望倾角β_r(t)

${\mathrm{\β}}_r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_r\left(t\right)}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

控制单元通过位移传感器，先获取时刻t的反射镜水平位移反馈x(t)，生成位移电机的控制量

u_x(t)=f_cx(x(t),x_r(t),P_x)

其中，P_x为水平位移控制器的参数，f_cx( )为与位移控制器对应的函数；

控制单元通过角度传感器，先获取时刻t的反射镜与水平面期望倾角β(t)，生成旋转电机的控制量

u_β(t)=f_cβ(β(t),β_r(t),P_β)

其中，P_β为角度控制器的参数，f_cβ( )为与角度控制器对应的函数。

本发明的有益效果是：本发明通过位移传动机构和旋转传动机构来调节平面反射镜的角度，实现对太阳模拟器出来的模拟太阳光高度角的改变，本发明控制单元根据初始参数，结合移传感器和角度传感器获得的反馈值，实现对模拟太阳光高度角的自动调整。

附图说明

图1是航天器上太阳光高度角和方位角示意图。

图2是本发明高度角自动变化的太阳光照模拟装置结构示意图。

图3是本发明高度角自动变化的太阳光照模拟装置坐标示意图。

图4是本发明高度角自动变化的太阳光照模拟方法的一个工程实例的控制***方块图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图2所示，高度角自动变化的太阳光照模拟装置，包括太阳模拟器10，该装置还包括平面反射镜1、位移传动机构2、位移导轨3、移动台6、旋转传动机构7、连接器11和控制单元；平面反射镜1与旋转传动机构7相连，旋转传动机构7安装在移动台6上；位移传动机构2通过连接器11固定在移动台6上，移动台6设置在位移导轨3上，控制单元用于控制位移传动机构2和旋转传动机构7的运动。

位移传动机构2由滚珠丝杠2-1和位移减速器2-2相连组成，位移电机5安装在位移减速器2-2上。

旋转传动机构7由旋转减速器7-1和旋转轴7-2相连组成，旋转电机8安装在旋转减速器7-1上，平面反射镜1固定安装在旋转轴7-2上，旋转轴7-2安装在移动台6上。

位移传感器4安装在位移导轨3上，位移传感器4上安装有负限位13开关、零限位开关14、正限位15开关。

角度传感器9安装在移动台6上，通过同轴连接器12与旋转轴7-2连接。

结合图2至图4，下面给出高度角自动变化的太阳光照模拟装置的一个工程案例。

平面反射镜1，基材为K9玻璃，基材表面镀加强铝，波段范围为400nm-700nm，中心波长550nm；

位移传动机构2，包括滚珠丝杠2-1和谐波减速器2-2，位移电机先驱动谐波减速器，谐波减速器再带动滚珠丝杠，最后滚珠丝杠带着移动台在位移导轨上完成直线运动。

位移导轨3，采用直线导轨。

位移传感器4，选用封闭式光栅尺。

位移电机5，选用两向混合步进电机。

移动台6，由直线导轨上的滑块上加装固定机构组成，固定机构承载平面反射镜1、旋转传动机构7、旋转电机8、角度传感器9等组件，移动台6在位移导轨3上沿AB运动，AB平行于水平面。

旋转传动机构7，包括单级谐波传动减速器7-1和旋转轴7-2。

旋转电机8，选用两向混合步进电机来旋转平面反射镜1。

角度传感器9，选用16位的实心轴绝对编码器。

小型太阳模拟器10，主要包括氙灯、双曲面反射镜，光学积分器和准直镜。

控制单元，采用C8051单片机为核心，以FPGA作为C8051单片机与光栅尺间的接口器件，通过专用驱动芯片控制步进电机，采用串口进行人机交互。

连接器11，连接滚珠丝杠2-1和移动台6。

同轴连接器12，连接旋转轴7.2和角度传感器9。

负限位开关13，选用非接触的电容式接近开关，指示移动台6到达位移最小值。

零限位开关14，选用电容式接近开关，指示移动台6到达位移零位。

正限位开关15，选用电容式接近开关，指示移动台6到达位移最大值。

如图3所示，O为坐标原点；位移导轨的直线运动方向AB是***x轴；CD为太阳模拟器10的主光轴；与AB垂直，且平行于水平面的OF为***y轴；***y轴和太阳模拟器10的主光轴CD交汇于M；OE为太阳跟踪装置光电探测单元的主光轴，如太阳敏感器的主光轴。

太阳光照模拟的试验场地和试验要求：

条件1：太阳跟踪设备等需要测试的装置放置在水平面上，或特定元件处于水平位置，例如太阳跟踪设备上的光电探测单元；

条件2：平面反射镜1的反射率90%以上，越高越好；

条件3：硅光电池或总辐射表一套，用来测量到达待测设备或待测设备特定元件处的太阳辐射，例如太阳跟踪设备上光电探测单元光阑处的模拟太阳光辐照度；

条件4：太阳模拟器10的主光轴CD应该平行于位移导轨的直线运动方向AB；

条件5：太阳模拟器10的主光轴CD与***y轴OF垂直；

条件6：太阳跟踪装置光电探测单元的主光轴OE垂直于***x轴AB。

本发明通过自动控制的方式来调整反射镜位移及其倾角，从而建立自动调整高度角的模拟太阳光照环境。

如图4所示，工程案例对应的控制***方块图。

C8051单片机首先通过串口通讯模块接收用户在上位机上的输入，通过用户的输入参数，计算移动台的期望位移x_r和平面反射镜的期望倾角α_r。

对于角度控制这个闭环过程，C8051单片机实现的角度控制器根据绝对式编码器反馈的平面反射镜倾角α和平面反射镜的期望倾角α_r生成控制量，将控制量发送到旋转步进电机驱动芯片，旋转步进电机驱动芯片生成驱动脉冲，驱动旋转步进电机，带动旋转传动机构，从而旋转平面反射镜到期望倾角α_r。

对于位移控制这个闭环过程，C8051单片机实现的位移控制器启动FPGA读取光栅尺的输出，获取位移反馈x；然后C8051单片机实现的位移控制器再结合反射镜期望水平位移x_r生成控制量，将控制量发送到位移步进电机驱动芯片，位移步进电机驱动芯片生成驱动脉冲，驱动位移步进电机，带动位移传动机构及导轨，从而拖动移动台到期望倾角x_r。

结合图3的太阳光照模拟装置坐标图，高度角可自动变化的太阳光照模拟方法实施步骤如下：

步骤一：调整小型太阳模拟器10准直***的主光轴CD的方向，并适当地调节小型太阳模拟器10的高度微调机构，使太阳模拟器的出射光线方向CD平行于地平面，确保太阳模拟器的主光轴CD穿过平面反射镜1的中心。

步骤二：启动小型太阳模拟器10，调整太阳模拟器的电源，使得模拟太阳光到达与平面镜交汇D处的辐照度大于等于阈值g；当模拟太阳光辐照度不小于阈值g时，使得太阳模拟器稳定工作五十分钟或更长时间，直到模拟太阳光稳定性、均匀性满足要求为止；

在满足条件1、条件2、条件3、条件4、条件5的前提下，测量距离d，其中d为太阳模拟器10主光轴CD到待测设备特定元件表面的最短垂直距离。以太阳跟踪装置为例，距离d为太阳跟踪装置光电探测单元特定平面（入口光阑外平面）到太阳模拟器主光轴的垂直距离。

步骤三：启动控制单元，用户使用上位机，通过相应通讯软件，由相应的接口将测量到的距离d传送到控制单元；

将初始高度角α_s、高度角变化率α_v、结束高度角α_f、光照模拟时间长度t_L参数由相应的接口传送到控制单元；

步骤四：用户使用上位机，通过相应通讯软件，令控制单元进入闭环工作模式，控制器的闭环工作模式简述如下：

1） 控制单元根据用户的输入参数，计算时刻t的期望太阳高度角α_r(t)

α_r(t)=f(t,α_s,α_v,α_f,t_L)

其中函数f( )为计算期望太阳高度角的函数，P_u为用户的输入参数

2） 控制单元根据用户的输入参数等，计算时刻t的反射镜期望水平位移x_r(t)

$x_r\left(t\right)=\frac{d}{\tan \left({\mathrm{\α}}_r\left(t\right)\right)}$

3） 控制单元根据用户的输入参数等，计算时刻t的反射镜与水平面的期望倾角β_r(t)

${\mathrm{\β}}_r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_r\left(t\right)}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

4）控制单元通过位移传感器4，先获取时刻t的反射镜水平位移反馈x(t)，再根据特定的控制方法，生成位移电机5的控制量

u_x(t)=f_cx(x(t),x_r(t),P_x)

其中，P_x为水平位移控制器的参数，f_cx( )为与位移控制器对应的函数

5）控制单元通过角度传感器9，首先获取时刻t的反射镜与水平面期望倾角β(t)，再根据特定的控制方法，生成旋转电机8的控制量

u_β(t)=f_cβ(β(t),β_r(t),P_β)

其中，P_β为角度控制器的参数，f_cβ( )为与角度控制器对应的函数。

Claims (1)

1.采用高度角自动变化的太阳光照模拟装置进行高度角自动变化的太阳光照模拟方法，其中高度角自动变化的太阳光照模拟装置，包括太阳模拟器(10)、平面反射镜(1)、位移传动机构(2)、位移导轨(3)、移动台(6)、旋转传动机构(7)、连接器(11)和控制单元；平面反射镜(1)与旋转传动机构(7)相连，旋转传动机构(7)安装在移动台(6)上；位移传动机构(2)通过连接器(11)固定在移动台(6)上，移动台(6)设置在位移导轨(3)上，控制单元用于控制位移传动机构(2)和旋转传动机构(7)的运动；

位移传动机构(2)由滚珠丝杠(2-1)和位移减速器(2-2)相连组成，位移电机(5)安装在位移减速器(2-2)上；

旋转传动机构(7)由旋转减速器(7-1)和旋转轴(7-2)相连组成，旋转电机(8)安装在旋转减速器(7-1)上，平面反射镜(1)固定安装在旋转轴(7-2)上，旋转轴(7-2)安装在移动台(6)上；

该装置还包括位移传感器(4)，位移传感器(4)安装在位移导轨(3)上，位移传感器(4)上安装有负限位(13)开关、零限位开关(14)、正限位(15)开关；

该装置还包括角度传感器(9)和同轴连接器(12)，角度传感器(9)安装在移动台(6)上，通过同轴连接器(12)与旋转轴(7-2)连接；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：调整太阳模拟器(10)，出射光线水平入射到平面反射镜(1)，太阳模拟器(10)的主光轴CD经过平面反射镜(1)的几何中心；

步骤二：待测太阳跟踪装置放置在水平面上，太阳模拟器的主光轴CD平行于位移导轨的直线运动方向AB且与***y轴OF垂直，测量太阳跟踪装置到太阳模拟器(10)主光轴CD的垂直距离d；

步骤三：将测量到的距离d传送到控制单元；将初始高度角α_s、高度角变化率α_v、结束高度角α_f、光照模拟时间长度t_L输入的参数传送到控制单元；

步骤四：控制单元根据输入的参数，计算时刻t的期望太阳高度角α_r(t)

α_r(t)＝f(t,α_s,α_v,α_f,t_L)

其中函数f()为计算期望太阳高度角的函数；

控制单元根据输入的参数，计算时刻t的反射镜期望水平位移x_r(t)

$x_r\left(t\right)=\frac{d}{\tan \left({\mathrm{\α}}_r\left(t\right)\right)}$

控制单元根据输入的参数，计算时刻t的反射镜与水平面的期望倾角β_r(t)

${\mathrm{\β}}_r\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_r\left(t\right)}{2}+\frac{\mathrm{\π}}{2}$

控制单元通过位移传感器(4)，先获取时刻t的反射镜水平位移反馈x(t)，生成位移电机(5)的控制量

u_x(t)＝f_cx(x(t),x_r(t),P_x)

其中，P_x为水平位移控制器的参数，f_cx()为与位移控制器对应的函数；

控制单元通过角度传感器(9)，先获取时刻t的反射镜与水平面期望倾角β(t)，生成旋转电机(8)的控制量

u_β(t)＝f_cβ(β(t),β_r(t),P_β)

其中，P_β为角度控制器的参数，f_cβ()为与角度控制器对应的函数。