CN107479582A - 一种翻板式太阳能小车自动追光***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翻板式太阳能小车自动追光***及控制方法，属于太阳能供电技术领域。该***由主体框架单元、类双轴装置、多路检测传感器、翻板结构和追光***控制机构五个部分组成。本发明采用固定转轴把铝材框架一端固定于太阳能小车尾端，通过两个伸缩杆电机将铝材框架两侧和车体稳固的连接起来。中间太阳能板固定在铝材框架上，两边两块太阳能板通过角铝加固。通过固定框架的三边，加固太阳能板。采用多传感器融合技术结合视日轨道跟踪法进行外环补偿计算跟踪，快速粗调到太阳的方位角附近。之后通过四象限光电传感器采集太阳方位信息，应用PID算法控制PWM输出不同的占空比精确控制电机，达到准确跟踪太阳方位的目标。

Description

一种翻板式太阳能小车自动追光***及控制方法

技术领域

本发明公开了一种翻板式太阳能小车自动追光***及控制方法，属于太阳能供电技术领域。

背景技术

我国西部地区太阳能资源丰富，全年的辐射量在6700MJ/m²以上，每平米的辐射量相当于230kg标准煤燃烧所发出的热量。但由于西部地区地广人稀，每个城市之间距离较远造成输电线路较长。目前针对输电线路的机器人层出不穷，其能源供给方面多数是通过将太阳能板固定于本体上对电池供电。由于光照入射角多数情况下不能与太阳能板保持垂直，因此固定太阳能板不能最大效率的利用太阳能资源，且在某些时刻(上午11点之前或下午3点之后)，获取的功率仅为最大功率的一半左右。因而需要自动跟踪***及控制方法，最大效率的利用太阳能资源。但是目前自动跟踪***及控制方法应用到移动式载体上的研究较少，且多有缺陷。

针对现有太阳能供电的问题，目前已经有了一些应用于移动机器人的充电技术。但是其主要将太阳能板固定到物体周边或者未使用智能控制算法追踪太阳方位，无法精确、快速实现对太阳的自动追踪。经文献检索，专利公告号为CN101733745，专利号为2009103116719，名为太阳能驱动的模块化移动机器人。该发明中仅设计了一块太阳能电池板，提供功率有限；该发明中采用太阳能倾角传感器(唯一传感器)和联轴器实现太阳能跟踪，但该发明未提及任何控制算法(实现算法)，显然该发明只保护设计的机械结构；第三，该发明双轴***是独立与小车运动***之外的，本质上与小车载体无关，完全没有考虑小车运动与追光***的关联。而本发明中，设计了太阳能板翻板结构，增加发电功率(打开时)的同时保证小车运行的稳定性(折叠时)；本发明通过采用多传感器融合技术(GPS、陀螺仪和四象限光电传感器)、类双轴装置、双环控制算法实现快速、精确的自动追光功能。其中类双轴装置是依托于小车的运动***实现方位角追踪，无需增加另外的机械结构。而控制算法采用了双环控制算法，实现外环快速粗调和内环精确细调功能，实现对太阳快速、精确跟踪。

针对太阳能板翻板结构，目前已经有一些应用于手动或者电动的翻板结构。经文献检索，专利公告号为CN203434929，专利号为2013205686329，名为自动折叠太阳能光伏板。该发明中采用两个光伏板并列安装固定支架上，光伏板中间通过轴承连接，其驱动机构可以为手动曲柄或电动马达，通过这手控方式控制光伏板打开与关闭。该发明未提及自动追光***，应用于固定的场合，未提及用于移动小车，也未给出控制算法。与本发明有本质的不同。

综上，现有技术以及专利文本中提及的跟踪技术及翻板结构不能满足太阳能智能小车的自动追光功能。综合现有的相关跟踪技术，根据移动小车的的工作环境和工作情况，从机械设计到控制算法都采用新的设计思路，以达到适用于太阳能小车的自动追光***及控制方法是非常有必要的。

上述提到的现有技术中，在太阳能驱动的机器人应用中，仅通过联轴器与联轴器相连，其跟踪装置过于简单很难适应野外各种恶劣天气，从而无法精确追踪太阳方位。另外上述发明仅使用一块较小的太阳能板向小车供电，很可能造成能源不足从而使机器人无法动作。而另一专利自动折叠太阳能光伏板，其折叠结构需要人为帮助时才能够打开或关闭，无法做到智能打开与关闭，且其结构不适用于自动追光***。因此，本发明另辟蹊径，(1)太阳能板翻板结构通过采用轴承座将太阳能板一端固定太阳能小车上，在中间太阳能板两侧的中间位置分别安装有连接车体的伸缩电机从而稳固翻板结构，并通过舵机控制翻板结构的自动打开与关闭。太阳能板翻板结构打开时能够增大太阳能板的面积从而增大其功率，即在电压不变的情况下增大充电电流，实现快速充电，闭合时不影响正常行驶。(2)针对太阳跟踪装置，本发明采用类双轴装置，通过控制丝杆电机与伸缩杆电机的协同配合，达到0-90°追踪高度角的目的。通过控制太阳能小车车体的驱动电机转动，达到全方位追踪方位角的目的。(高度角追踪为一轴，而方位角追踪不完全算一轴，所以统称为类双轴结构)从而能够全方位准确追踪太阳方位。(3)针对控制算法，本发明提出太阳跟踪双环控制算法，首先外环控制利用GPS、九轴陀螺仪和视日轨道跟踪法进行粗调，当小车快速转动到自身的偏航角与方位角之间的偏差值小于设定偏角时，再利用内环控制使用四象限光电传感器结合PID算法进行细调，从而实现太阳能小车的快速、精确、低功耗的自动跟踪。

现有技术应用于太阳能智能小车的自动追光***仍存在一些问题。

1)无法解决跟踪装置的稳定性

现有的太阳能跟踪技术多数是安装于固定物体上，因为只有固定物体才能在追踪太阳时能够使太阳能板牢固、准确、不晃动。而上述技术仅通过两根联轴器支撑太阳能板，通过轴与轴之间的转动跟踪太阳，这并不能稳定、牢固、长久的应用，容易出现晃动造成跟踪偏差。因此现有的太阳能小车的自动跟踪装置稳定性问题并没有解决，所以不能直接应用在太阳能小车的自动追光***上。

2)应用的局限性

由于太阳能小车都是智能小车，其能源都是通过太阳能转化自给自足，但这也造成了太阳能小车对于阳光的依赖性。在阴天、雨天、乌云遮盖等特殊天气时，太阳能板无法接收到充足太阳光时，这就会造成太阳能小车充电效率降低从而导致电池电量无法满足小车正常供给，所以通过太阳能板翻板结构扩大充电功率了，实现快速能源补充。而已有的翻板或折叠结构多为人工打开并非智能控制自动打开，且针对太阳能小车追踪***的翻板结构设计的还非常少。

3)精确跟踪

上述太阳能小车的跟踪方式仅通过单一传感器传回来的数据确定太阳的方位，这种方法可靠性不高，一旦传感器产生误差或损坏则无法实现有效追踪；此外，单一传感器(如太阳倾角传感器)会使搜索时间变长能耗增加(超过180度搜索)，且容易陷入局部震荡而使能量消耗更大。因此，本发明设计了一种针对太阳能小车的控制算法——太阳跟踪双环控制算法，从而解决上述问题，达到精确、快速的对太阳进行跟踪。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明根据太阳能智能小车的稳定性、充电的快速性和太阳追踪的精确性，通过机械和控制手段从根本上消除太阳能小车的在追踪太阳时造成太阳能板的晃动和精确快速的寻找太阳的位置。

对于现有的发明和技术无法解决太阳能小车的自动追踪造成的太阳能板晃动问题：现有的相关发明和技术只是使用单轴固定中间，太阳能板四周悬空，通过轴与轴的变化来追踪太阳。但这种结构在存在局限性，会在追踪中出现晃动，或者在恶劣天气情况下，很容易致使太阳能板出现偏离原有位置甚至造成太阳能板破损的情况。本发明采用固定转轴把铝材框架一端固定于太阳能小车尾端，通过两个伸缩杆电机将铝材框架两侧和车体稳固的连接起来。中间太阳能板固定在铝材框架上，两边两块太阳能板通过角铝加固。通过固定框架的三边，加固太阳能板，消除在追踪上和天气上造成的太阳能板晃动原因。

由于太阳能供电的智能小车多工作于室外空旷地区，一旦小车行走距离过远或者阳光不充足时，其太阳能板的功率供应跟不上小车需要的电量。本发明设计通过在小车背部设置的太阳能板翻板结构，通过控制器控制舵机自动打开中间太阳能板上面的两块折叠的太阳能板。在太阳能小车行驶过程中太阳能是折叠在一起的，其宽度和小车宽度一致，并不影响小车的正常行驶。而当需要充电时，打开太阳能板即扩大太阳能板功率，在电压不变情况下大幅增加充电电流。并且通过类双轴跟踪装置控制太阳能板始终与太阳光入射角垂直，以最大光照强度状态向小车充电，达到快速充电的目的。

对于如何完成太阳能小车的快速、精确的自动跟踪问题：为了满足太阳能小车对于太阳快速精确跟踪的要求，解决移动小车的太阳跟踪的算法问题。本发明通过采太阳跟踪双环控制算法，快速、准确的跟踪太阳。首先采用GPS、九轴陀螺仪结合视日轨道跟踪法进行外环补偿计算跟踪，快速粗调到太阳的方位角附近。再进行内环控制，通过四象限光电传感器采集的太阳方位信息，使用PID算法控制PWM输出不同的占空比从而达到准确自动跟踪太阳方位。

太阳能发电是通过太阳能板吸收太阳光，并在太阳能板上发生光生伏特效应产生电流。而太阳能资源是一种无污染、可再生、随处可利用的清洁能源，现如今在世界各国都已建立大型太阳能发电厂，太阳能发电已成为世界发电主流技术之一。而在我国西北部，地广人稀并且海拔高阳光充足，是天然的太阳能发电厂。

目前太阳能设备分为固定式发电装置和自动跟踪发电装置。而现有太阳能发电厂多使用固定式发电装置，通过将太阳能板以一定的高度角固定在物体表面。而自动跟踪发电装置是通过轴运动跟随太阳运动，使太阳板和太阳光始终处于垂直状态，在最大光照强度下发电。目前的跟踪方式主要有光电跟踪和视日轨道运动轨迹跟踪，而跟踪装置又分为单轴跟踪和双轴跟踪。单轴跟踪只能沿一个轴转动，能够调节太阳能的方位角。双轴跟踪弥补了单轴跟踪的不足，它是一个全方位的跟踪技术，能够通过控制高度角和方位角对太阳跟踪。随着太阳能技术的发展，太阳能利用的方式越来越多样化。现如今以太阳能供电的移动式小车成为新的一种太阳能利用方式，但小车的太阳能跟踪主要采用固定式结构，不能实现太阳的实时追踪，无法实现最大光照强度下的发电，所以研发具有先进控制算法的智能小车太阳能自动跟踪***具有重要意义。

针对此问题，本发明研制了基于类双轴跟踪装置、多传感器融合技术和双闭环控制算法为基础的野外移动式巡检小车的太阳能自动跟踪***。其主要用于电力线路巡检、草原生态监测、变电站巡查等多种需求。本发明主要解决以下问题：

1、由于我国西部地区地广人稀，输电线路过长，若人力巡检线路会造成人力资源浪费和线路检修成本升高。而由于西部地区具有地势高、光照强度高、日照时间长的太阳能资源，所以本发明设计了一种基于太阳能供电的野外巡检小车，利用智能小车代替人力巡查节省人力资源。

2、由于太阳能板的额定功率和面积成正比，因此若要获得较大功率的电能就必须要铺设足够大的太阳能板面积，然而小车面积有限，过大的太阳能板将严重影响小车的行驶性能，为此在本发明中，设计了一种自动翻板结构，即不影响小车行驶又能扩大太阳能板的功率。为实现太阳的自动跟踪，通过使用多传感器(GPS、陀螺仪、四象限光电传感器和限位传感器)融合技术，结合控制算法控制类双轴跟踪装置实现全方位快速、自动的太阳追踪。

3、由于本发明主要应用于移动小车***，因此，本发明的控制算法中充分考虑了算法的高效性和节能性，提出了太阳跟踪的双环控制算法，该算法使用GPS、陀螺仪与视日轨道跟踪法相结合构成外环快速粗调环节和四象限光电传感器与PID算法相结合构成的内环精调环节，通过以上两步调节构成的双环调节控制算法，实现对太阳快速、精确的自动跟踪。

本发明采用的技术方案为一种翻板式太阳能小车自动追光***及控制方法，包括翻板式自动追光装置和双环跟踪控制算法两个部分。

一种翻板式太阳能小车自动追光***，该***由主体框架单元、类双轴装置、多路检测传感器、翻板结构和追光***控制机构五个部分组成。主体框架单元由车体(10)、履带(9)和电池(15)构成，履带(9)设置在车体(10)的底部，为车体(10)的驱动机构，电池(15)为车体(10)的能源供给单元。车体(10)为整个***的载体，类双轴装置、多路检测传感器、翻板结构和追光***控制机构均安装在车体(10)上。类双轴装置为小车的追光装置，类双轴装置的下部与车体连接，上部与翻板结构连接。翻板结构是由三块同型号的太阳能板构成，翻板结构与类双轴装置相连接。追光***控制机构与翻板结构连接。

类双轴装置由两条固定滑轨(7)、两个滑块(8)、四个轴承座、两个伸缩杆电机(4)、一个丝杆电机(11)、一个横杆(12)和车体驱动驱动电机(16)构成。每条滑轨(7)上有一个滑块(8)，每个滑块(8)上固定一个下轴承座(3)，类双轴装置的另外两个上轴承座(20)固定在太阳能板翻板的铝材框架(13)上，上轴承座(20)与下轴承座(3)之间通过伸缩杆相连，上轴承座(20)、下轴承座(3)和伸缩杆支撑翻板结构。两个滑块(8)之间通过横杆(12)固定，通过横杆(12)控制两个滑块(8)的同步移动。丝杆电机(11)位于滑轨(7)中间，通过丝杆电机(11)控制横杆从而控制伸缩杆电机(4)在滑轨(7)上运动。丝杆电机(11)和伸缩杆电机(4)的协同配合完成翻板结构高度角的升降。车体驱动驱动电机(16)与车体(10)连接，通过控制车体驱动驱动电机(16)，使车体(10)达到全方位追踪太阳方位角的目的。

多路检测传感器由四象限光电传感器(2)、GPS模块(19)、限位传感器(6)和九轴陀螺仪(17)四种传感器组成。四象限光电传感器(2)安装于翻板结构框架的顶部中间位置，用于检测太阳的方位角。GPS模块(19)安装于主控电路板(18)上，用以定位车体(10)的具***置，为视日轨道跟踪算法提供所需要的经纬度。限位传感器(6)安装于类双轴装置的极限位置，起到限位和保护类双轴装置的作用。九轴陀螺仪(17)安装于主控电路板(18)上，用以检测车体(10)尾部即太阳能板正面指向与方向北之间的夹角即偏航角，为双环控制算法提供角度依据。

翻板结构是由铝材框架(13)、三块太阳能板(1)、两个尾轴承座(21)、两个合页轴(14)和两个舵机(5)构成。铝材框架(13)是由铝材搭建而成，铝材框架(13)底部端通过尾轴承座(21)固定在车体(10)的尾部，铝材框架(13)中部两侧通过伸缩杆电机(4)与车体(10)连接。三块太阳能板(1)中的一块固定在铝材框架(13)上，另两块太阳能板(1)周边使用角铝加固后，采用两个合页轴(14)分别将太阳能板平行安装在铝材框架(13)两侧。利用固定在框架底部的舵机(5)转动带动两侧的太阳能板(1)打开或关闭。

追光***控制机构包括控制器和电机驱动单元。控制器完成追光信息的处理和控制命令的输出，控制命令的输出即追光控制算法的输出；由于整个太阳能小车追踪环境的不确定性，在主控电路板前端加入光耦隔离单元，以确保***的安全、可靠运行。电机驱动单元完成舵机、丝杆电机、伸缩杆电机和小车驱动电机的驱动控制，配合主控制器实现全方位太阳追踪算法。

履带(9)或为轮式结构。

本发明的翻板式太阳能小车自动追光***的整体结构示意图如图1所示。

一种翻板式太阳能小车自动追光***的控制方法，本方法采用多传感器融合技术(GPS、陀螺仪)结合视日轨道跟踪法进行外环补偿计算跟踪，快速粗调到太阳的方位角附近。之后通过四象限光电传感器采集太阳方位信息，应用PID算法控制PWM输出不同的占空比精确控制电机，达到准确跟踪太阳方位的目标。

1)外环调节通过九轴陀螺仪确定太阳能小车与北的夹角即偏航角，再通过GPS模块读取当地的纬度，利用单片机RTC实时时钟读取当前时间日期，结合视日轨道跟踪法计算出当前的方位角。图2中，δ₀表示偏航角，δ₂表示方位角，当δ₀<δ₂时，δ₂-δ₀>180°控制器发出信号控制车体驱动电机反转；δ₂-δ₀<180°控制驱动电机正传，如图2中的(a)所示。当δ₀>δ₂时，δ₀-δ₂>180°控制器发出信号控制车体驱动电机正传，δ₀-δ₂<180°控制驱动电机反转，如图2中的(b)所示。外环通过偏航角的反馈控制实现|δ₂-δ₀|<ε₁，ε₁为死区门限值，最终通过外环控制实现快速、粗调到计算获得的太阳方位角附近。

2)当太阳能小车转动到太阳方位角附近范围内，即满足|δ₂-δ₀|<ε₁时，打开翻板结构，进入内环细调。通过四象限光电传感器结合PID控制算法，控制类双轴装置自动追光。通过计算四象限光电传感器东西和南北方向的电压差即(U_东-U_西)和(U_南-U_北)，输出的电压差通过使用PID算法控制PWM输出。当太阳位于西边时，U_东-U_西>0且|U_东-U_西|>ε₂，电压差越大PID控制的PWM的占空比越大，驱动电机向西转速越快，电压差越小PWM的占空比越小驱动电机转速越慢。通过四象限光电传感器测得U_南-U_北<0且|U_南-U_北|>ε₂，首先通过丝杆电机拉动横杆，再依靠横杆的移动寻找高度角，如果在横杆触碰限位传感器时还没找到，就通过控制伸缩杆电机伸缩继续寻找高度角，如图3中的(a)所示。当太阳位于东边时，转动方向如图3中的(b)所示。在方位角和高度角压差中设置一个极小门限值ε₂，在靠近|U_东-U_西|<ε₂、|U_南-U_北|<ε₂时，表示太阳光和太阳能板已经垂直，追光***结束。U_东、U_西、U_南、U_北分别表示四象限光电传感器东、西、南、北四个方向的电压值。双环跟踪控制算法结构框图如图4所示。本控制方法的具体实现流程如下：

步骤1：首先通过测量锂电池电压U₁，设置放电截止电压U₂，U₁≥U₂时锂电池不需充电，U₁<U₂时锂电池需要充电。通过四象限光电传感器采集的四个象限平均电压值U₃与设定的电压值U₄进行对比，U₃≥U₄时当前时刻不适合充电。U₃<U₄时当前时刻太阳光线适合充电。

步骤2：通过九轴的陀螺仪确定车体车尾与方向北的偏航角δ₀。读取GPS模块纬度与单片机RTC实时时钟显示的时间日期，结合视日轨道跟踪计算公式：太阳赤纬角其中n为一年之间的天数，取1-365。太阳时角ω＝15°*(st-12)，st为当地时间，以24小时计。

h为太阳高度角，为当地地理纬度。太阳的方位角计算出当前方位角。当方位角δ₂和偏航角δ₀的偏差值的绝对值小于设定的门限值ε₁时，车体停止转动。通过九轴陀螺仪、GPS、实时时钟和视日轨道跟踪法结合进行外环粗调，以此快速、粗略找到太阳方位角。

步骤3：控制器发出指令，控制小车太阳能翻板结构打开，通过算法输出控制舵机打开最上面的一块太阳能板，达到与中间太阳板齐平时停止。然后再打开第二块太阳能板，同样达到与中间太阳能板齐平位置停止。

步骤4：由于视日轨道跟踪算法是通过计算获得太阳能方位角，实际实施中会存在偏差。所以需要再利用四象限光电传感器实现精确跟踪，即计算出每个象限的电压，通过两两结合(例如东南象限和东北象限结合成方向东的电压)得出每个方向的电压U_东、U_西、U_南、U_北，如图5所示。通过计算东西和南北方向的电压差，输出的电压差通过使用PID算法控制PWM输出。当方位角和高度角电压差小于门限值ε₂时，表示太阳光和太阳能板已经基本垂直。

步骤5：当追踪到太阳方位时，控制器控制程序进入定时状态。定时结束后，判断方位角和偏航角的偏差值是否处于设定值范围内，在门限值ε₁内只需要进行内环细调，重复步骤4。超出控制范围角ε₁，从重复步骤2，先外环后内环。

步骤6：当电池电压U₁大电池最大允许电压U₅或者是突然出现阴雨天遮挡住太阳使测得的电压值U₃小于设定电压值U₄时，充电截止。通过控制算法将太阳能板先后翻转回中间位置，伸缩杆电机回缩，丝杆电机回推到初始位置。太阳能小车自动追光***结束，充电结束。

与现有技术相比较，本方法具有如下有益效果。

1)太阳板翻板结构：设计多块太阳能板的翻板结构，既保证翻板打开时提供较大的充电功率，又实现翻板闭合时小车运行的稳定性。通过自动检测电池电量和太阳光照强度实现太阳能板开合的自动控制。

2)类双轴追光***：通过丝杆电机和伸缩杆电机的协同配合，可以实现太阳能板太阳高度在0～90°调整。通过控制小车本体的运动***，可以控制小车360°方位角转动。首先通过丝杆电机转动从而带动横杆移动，致使在滑块上的伸缩杆电机跟随移动达到初步寻找高度角的目的。当触碰到限位传感器时还没寻找到高度角，再通过伸缩杆电机伸缩寻找高度角。通过两者的协同配合实现太阳能板高度角追踪。通过控制太阳能小车本体的驱动电机，可以使小车能够360°转动。所以类双轴结构能够全方位的跟踪太阳方位。

3)太阳追光双环控制算法：外环调节：利用九轴陀螺仪计算出偏航角，再通过视日跟踪法结合GPS读取的纬度和单片机读取的时间计算出方位角，进而控制车体电机快速、初步转动到计算的方位角。内环调节：通过四象限光电传感器结合PID控制算法控制PWM输出占空比，准确跟踪到太阳位置。

附图说明

图1翻板式太阳能小车自动追光***总体结构图，(a)翻板式太阳能小车自动追光***主视图，(b)翻板式太阳能小车自动追光***剖面示意图(c)翻板式太阳能小车自动追光***翻板打开示意图。

图2太阳能小车在粗调时的转动方向图，(a)控制驱动电机正转，(b)控制驱动电机反转。

图3四象限控制驱动电机转向示意图图。(a)当太阳位于西边，(a)当太阳位于东边。

图4基于太阳跟踪的双环控制算法框图。

图5四象限控制示意图。

图6本发明的***结构总体框图。

图7本发明的太阳跟踪程序流程图。

图8翻板式太阳能自动跟踪小车实物图。

图9翻板式太阳能自动跟踪小车太阳能板实物打开图。

图10翻板太阳能小车自动跟踪***应用实例，(a)轮式翻板太阳能小车自动跟踪***，(b)履带式翻板太阳能小车自动跟踪***。

图中：1、太阳能板 2、四象限光电传感器 3、下轴承座 4、伸缩杆电机 5、舵机 6、限位传感器 7、滑轨 8、滑块 9、履带 10、车体 11、丝杆电机 12、横杆 13、铝材框架 14、合页轴 15、锂电池 16、车体驱动电机 17、九轴陀螺仪 18、主控电路板 19、GPS模块 20、上轴承座 21、尾轴承座。

具体实施方式

下面以三块太阳能板太阳能跟踪小车追光***为例说明本发明的中的双环控制算法的具体工作过程。如图8所示为实施图例，是本发明所述的太阳跟踪双环控制***的实物图。在跟踪***中使用视日轨道跟踪算法、GPS和九轴陀螺仪作初步定位，在使用PID控制算法结合四象限光电传感器作精确定位。具体参数如下所示：

三块总功率约100W太阳能板，使用的是12V电压、容量为20AH的锂电池供电。通过GPS模块读取视日跟踪所需要的当前纬度，结合STM32 RTC实时时钟读取当前的日期和时间。通过视日轨道跟踪法计算出太阳的实时方位角，以北为起始角，其范围为0-360°。通过计算得知在夏至时期中午12点和13点之间的方位角之差为44°，此为全年最大的方位角之差。由于使用九轴陀螺仪JY901在内蒙古呼和浩特市的地磁偏角约4°左右，而全年中15分钟转动方位角最大角度为11°，所以设置偏角范围值|ε₁|为11°既满足地磁偏角范围又能长时间的静止充电。通过用手遮盖光伏四象限，读取无光情况下平均电压值U₁＝0.23V，设置在追踪太阳电压值U₂＝1.2U₁＝0.28V，门限值为ε₂＝0.01V。设定电池充满电压值U₅＝1.2*12＝14.4V，设定电池放电截止电压U₂＝0.9*12＝10.8V。使用安装在车尾的九轴陀螺仪模块JY901，设置正北方向为0°，小车车尾顺时针增加偏航角，范围为0-360°。具体实施步骤如下：

翻板式太阳能小车在巡检线路时，随着巡检的时间增加，小车电量也随之降低。当锂电池电压小于10.8V时，再检验四象限光电传感器传出的平均电压值，如果平均电压值不到0.28V时，小车继续前进寻找光照强度比较强的位置。当达到设置的光照强度时，小车停车。通过小车内部电路板上的九轴陀螺仪JY901传回的偏航角，利用GPS模块传回的纬度结合单片机读取的时间，根据视日轨道跟踪法计算出太阳的方位角。判断偏航角与方位角的位置，从而快速转动。为了防止小车在寻找精确方位角时陷入局部震荡耗费电量的情况，通过设置一个11°的偏角范围。当小车转到这个范围内，小车就停止转动。通过外环粗调方式能够快速的找到太阳的方位角，当小车停止后，控制器控制翻板结构打开准备充电。首先控制舵机打开最上面一层的太阳能板，到与中间太阳能板齐平时停止转动。再打开第二面太阳能板到齐平时停止，如图9所示。

太阳能板都打开后，通过四象限光电传感器，测出各个方向的电压U_东、U_西、U_南、U_北，东西方向控制的是方位角，南北方向是控制的高度角。当U_东-U_西>0时，表明太阳处于西面，控制小车向西转动。当输出电压差值越大，PID控制算法控制的PWM输出的占空比越大，从而电机转速越快。电压差值越小，电机转速越慢，直到|U_东-U_西|<0.01V。南北方向也是如此运动，首先通过丝杆电机转动拉动横杆，通过横杆的移动寻找高度角，如果在横杆触碰限位传感器时还没找到，就通过控制伸缩杆电机伸缩继续寻找高度角。当控制方位角和高度角的电机都停止时，表明此时太阳能板与阳光视线处于垂直状态，以最大的光照强度向电池快速充电。为了节省电机因实时跟踪所消耗的能量，当高度角和方位角的压差都小于0.01V(ε₂)时，控制器控制程序进入定时状态。定时15分钟后，先判断偏航角与方位角的偏差是不是在偏角范围内，在范围内不使用九轴陀螺仪、GPS、实时时钟和视日轨道跟踪法进行粗调，直接通过四象限和PID控制算法进行内环细调，不在偏角范围内就需要先通过使用外环粗调，再内环细调来寻找太阳方位。重复以上动作从而快速、节能、准确的寻找到太阳的方位且能够快速对锂电池充电。

当小车电池的电压超过14.4V或者四象限输出平均电压达不到0.28V时，太阳能板关闭。伸缩杆电机回缩，丝杆电机开始回推横杆，当横杆触碰到限位传感器时停止，充电过程结束。

可以看出，本发明使用太阳跟踪双环控制算法可实现快速、节能、稳固的跟踪太阳，并且能够快速的对锂电池进行充电。

实施例的应用如图10所示。

Claims (4)

1.一种翻板式太阳能小车自动追光***，其特征在于：该***由主体框架单元、类双轴装置、多路检测传感器、翻板结构和追光***控制机构五个部分组成；主体框架单元由车体(10)、履带(9)和电池(15)构成，履带(9)设置在车体(10)的底部，为车体(10)的驱动机构，电池(15)为车体(10)的能源供给单元；车体(10)为整个***的载体，类双轴装置、多路检测传感器、翻板结构和追光***控制机构均安装在车体(10)上；类双轴装置为小车的追光装置，类双轴装置的下部与车体连接，上部与翻板结构连接；翻板结构是由三块同型号的太阳能板构成，翻板结构与类双轴装置相连接；追光***控制机构与翻板结构连接；

类双轴装置由两条固定滑轨(7)、两个滑块(8)、四个轴承座、两个伸缩杆电机(4)、一个丝杆电机(11)、一个横杆(12)和车体驱动驱动电机(16)构成；每条滑轨(7)上有一个滑块(8)，每个滑块(8)上固定一个下轴承座(3)，类双轴装置的另外两个上轴承座(20)固定在太阳能板翻板的铝材框架(13)上，上轴承座(20)与下轴承座(3)之间通过伸缩杆相连，上轴承座(20)、下轴承座(3)和伸缩杆支撑翻板结构；两个滑块(8)之间通过横杆(12)固定，通过横杆(12)控制两个滑块(8)的同步移动；丝杆电机(11)位于滑轨(7)中间，通过丝杆电机(11)控制横杆从而控制伸缩杆电机(4)在滑轨(7)上运动；丝杆电机(11)和伸缩杆电机(4)的协同配合完成翻板结构高度角的升降；车体驱动驱动电机(16)与车体(10)连接，通过控制车体驱动驱动电机(16)，使车体(10)达到全方位追踪太阳方位角的目的；

多路检测传感器由四象限光电传感器(2)、GPS模块(19)、限位传感器(6)和九轴陀螺仪(17)四种传感器组成；四象限光电传感器(2)安装于翻板结构框架的顶部中间位置，用于检测太阳的方位角；GPS模块(19)安装于主控电路板(18)上，用以定位车体(10)的具***置，为视日轨道跟踪算法提供所需要的经纬度；限位传感器(6)安装于类双轴装置的极限位置，起到限位和保护类双轴装置的作用；九轴陀螺仪(17)安装于主控电路板(18)上，用以检测车体(10)尾部即太阳能板正面指向与方向北之间的夹角即偏航角，为双环控制算法提供角度依据；

翻板结构是由铝材框架(13)、三块太阳能板(1)、两个尾轴承座(21)、两个合页轴(14)和两个舵机(5)构成；铝材框架(13)是由铝材搭建而成，铝材框架(13)底部端通过尾轴承座(21)固定在车体(10)的尾部，铝材框架(13)中部两侧通过伸缩杆电机(4)与车体(10)连接；三块太阳能板(1)中的一块固定在铝材框架(13)上，另两块太阳能板(1)周边使用角铝加固后，采用两个合页轴(14)分别将太阳能板平行安装在铝材框架(13)两侧；利用固定在框架底部的舵机(5)转动带动两侧的太阳能板(1)打开或关闭；

追光***控制机构包括控制器和电机驱动单元；控制器完成追光信息的处理和控制命令的输出，控制命令的输出即追光控制算法的输出；由于整个太阳能小车追踪环境的不确定性，在主控电路板前端加入光耦隔离单元，以确保***的安全、可靠运行；电机驱动单元完成舵机、丝杆电机、伸缩杆电机和小车驱动电机的驱动控制，配合主控制器实现全方位太阳追踪算法。

2.根据权利要求1所述的一种翻板式太阳能小车自动追光***，其特征在于：履带(9)或为轮式结构。

3.利用权利要求1所述***进行的一种翻板式太阳能小车自动追光***的控制方法，其特征在于：

本方法采用多传感器融合技术(GPS、陀螺仪)结合视日轨道跟踪法进行外环补偿计算跟踪，快速粗调到太阳的方位角附近；之后通过四象限光电传感器采集太阳方位信息，应用PID算法控制PWM输出不同的占空比精确控制电机，达到准确跟踪太阳方位的目标；

1)外环调节通过九轴陀螺仪确定太阳能小车与北的夹角即偏航角，再通过GPS模块读取当地的纬度，利用单片机RTC实时时钟读取当前时间日期，结合视日轨道跟踪法计算出当前的方位角；δ₀表示偏航角，δ₂表示方位角，当δ₀<δ₂时，δ₂-δ₀>180°控制器发出信号控制车体驱动电机反转；δ₂-δ₀<180°控制驱动电机正传；当δ₀>δ₂时，δ₀-δ₂>180°控制器发出信号控制车体驱动电机正传，δ₀-δ₂<180°控制驱动电机反转；外环通过偏航角的反馈控制实现|δ₂-δ₀|<ε₁，ε₁为死区门限值，最终通过外环控制实现快速、粗调到计算获得的太阳方位角附近；

2)当太阳能小车转动到太阳方位角附近范围内，即满足|δ₂-δ₀|<ε₁时，打开翻板结构，进入内环细调；通过四象限光电传感器结合PID控制算法，控制类双轴装置自动追光；通过计算四象限光电传感器东西和南北方向的电压差即(U_东-U_西)和(U_南-U_北)，输出的电压差通过使用PID算法控制PWM输出；当太阳位于西边时，U_东-U_西>0且|U_东-U_西|>ε₂，电压差越大PID控制的PWM的占空比越大，驱动电机向西转速越快，电压差越小PWM的占空比越小驱动电机转速越慢；通过四象限光电传感器测得U_南-U_北<0且|U_南-U_北|>ε₂，首先通过丝杆电机拉动横杆，再依靠横杆的移动寻找高度角，如果在横杆触碰限位传感器时还没找到，就通过控制伸缩杆电机伸缩继续寻找高度角；当太阳位于东边时，转动方向；在方位角和高度角压差中设置一个极小门限值ε₂，在靠近|U_东-U_西|<ε₂、|U_南-U_北|<ε₂时，表示太阳光和太阳能板已经垂直，追光***结束；U_东、U_西、U_南、U_北分别表示四象限光电传感器东、西、南、北四个方向的电压值。

4.根据权利要求3所述的一种翻板式太阳能小车自动追光***的控制方法，其特征在于：

本控制方法的具体实现流程如下：

步骤1：首先通过测量锂电池电压U₁，设置放电截止电压U₂，U₁≥U₂时锂电池不需充电，U₁<U₂时锂电池需要充电；通过四象限光电传感器采集的四个象限平均电压值U₃与设定的电压值U₄进行对比，U₃≥U₄时当前时刻不适合充电；U₃<U₄时当前时刻太阳光线适合充电；

步骤2：通过九轴的陀螺仪确定车体车尾与方向北的偏航角δ₀；读取GPS模块纬度与单片机RTC实时时钟显示的时间日期，结合视日轨道跟踪计算公式：太阳赤纬角其中n为一年之间的天数，取1-365；太阳时角ω＝15°*(st-12)，st为当地时间，以24小时计；

h为太阳高度角，为当地地理纬度；太阳的方位角计算出当前方位角；当方位角δ₂和偏航角δ₀的偏差值的绝对值小于设定的门限值ε₁时，车体停止转动；通过九轴陀螺仪、GPS、实时时钟和视日轨道跟踪法结合进行外环粗调，以此快速、粗略找到太阳方位角；

步骤3：控制器发出指令，控制小车太阳能翻板结构打开，通过算法输出控制舵机打开最上面的一块太阳能板，达到与中间太阳板齐平时停止；然后再打开第二块太阳能板，同样达到与中间太阳能板齐平位置停止；

步骤4：由于视日轨道跟踪算法是通过计算获得太阳能方位角，实际实施中会存在偏差；所以需要再利用四象限光电传感器实现精确跟踪，即计算出每个象限的电压，通过两两结合得出每个方向的电压U_东、U_西、U_南、U_北；通过计算东西和南北方向的电压差，输出的电压差通过使用PID算法控制PWM输出；当方位角和高度角电压差小于门限值ε₂时，表示太阳光和太阳能板已经基本垂直；

步骤5：当追踪到太阳方位时，控制器控制程序进入定时状态；定时结束后，判断方位角和偏航角的偏差值是否处于设定值范围内，在门限值ε₁内只需要进行内环细调，重复步骤4；超出控制范围角ε₁，从重复步骤2，先外环后内环；

步骤6：当电池电压U₁大电池最大允许电压U₅或者是突然出现阴雨天遮挡住太阳使测得的电压值U₃小于设定电压值U₄时，充电截止；通过控制算法将太阳能板先后翻转回中间位置，伸缩杆电机回缩，丝杆电机回推到初始位置；太阳能小车自动追光***结束，充电结束。