一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置及控制方法与流程

1.本发明属于太阳能光伏发电技术领域，涉及一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，还涉及一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制方法。


背景技术：

2.太阳能是一种资源丰富、无污染的能源替代品，近年来太阳能的开发利用受到很大重视，为提高太阳能的收集效率，出现一种太阳能收集设备的辅助设备，即通过跟踪支架让光伏组件的摆放角度随着太阳位置的变化而变化，太阳能量的采集显著增加，提高光伏组件发电效率。目前，在斜单轴光伏发电跟踪支架的控制系统通常以plc、单片机为控制核心，采用倾角传感器采集各跟踪支架的倾角，各个跟踪支架控制系统若干功能组成部件重叠、操作繁琐。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，降低了光伏支架跟踪控制系统成本，便于现场施工、降低安装难度。
4.本发明的另一目的是一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制方法。
5.本发明所采用的技术方案是，一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，包括斜单轴光伏支架组，每个斜单轴光伏支架组由若干个呈矩阵排列的斜单轴光伏支架组成，斜单轴光伏支架包括太阳能板、支架、跟踪轴、驱动电机、支架跟踪控制器，驱动电机与支架跟踪控制器、跟踪轴连接，斜单轴光伏支架组的上方且位于斜单轴光伏支架组的一侧面设置有ccd摄像机，每个太阳能板远离ccd摄像机的一侧边设置有若干测量点，相邻的四个呈矩阵排列的斜单轴光伏支架的中心设置有若干参照点，支架跟踪控制器连接有工控机系统，工控机系统连接有ccd摄像机。
6.本发明的特征还在于，
7.支架跟踪控制器包括单片机，单片机分别连接有支架跟踪控制器通讯模块、工作控制模块、电源模块b、显示模块、限位开关、电机驱动模块，电机驱动模块与驱动电机连接。
8.工作控制模块包括贴片开关、按键，所述贴片开关、按键均与单片机连接。
9.单片机的型号为c8051f。
10.工控机系统包括工控机，工控机分别连接有工控机通讯模块、显示器、时钟模块、电源模块a、风速传感器、图像采集卡，图像采集卡与ccd摄像机连接，工控机通讯模块与支架跟踪控制器通讯模块、上位机连接，风速传感器设置于斜单轴光伏支架组的中间。
11.风速传感器与地面之间的距离不低于10米。
12.测量点为3个且等距离设置；参照点为5个，其中4个参照点组成正方形，剩余1个参照点位于正方形的中心处。
13.本发明所采用的另一技术方案是，一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制方法，采用一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，具体按照以下步骤实施：
14.步骤1，上电后，工控机对当地经纬度、斜单轴光伏支架布局、斜单轴光伏支架外观尺寸、测量点之间的间距、参照点之间的间距、测量点和参照点的半径、风速值、时间、误差值进行初始化设置；
15.步骤2，通过贴片开关确定各斜单轴光伏支架是否为自动跟踪控制方式，若是，工控机从时钟模块读取实时时间，工控机从风速传感器获取实时风速值；
16.步骤3，工控机判断获取的实时时间、实时风速值是否在设定的工作许可范围内，若否，工控机基于modbus通讯协议通过工控机通讯模块向支架跟踪控制器通讯模块发送“斜单轴光伏支架放平”的指令，进入步骤5，若是，工控机计算出各斜单轴光伏支架的理论倾角值，进入步骤4；
17.步骤4，ccd摄像机采集包含参照点和测量点的图像，并通过图像采集卡传输至工控机，工控机对图像信息进行处理并确定各斜单轴光伏支架的实际倾角值a，并计算各斜单轴光伏支架转动角度值a，转动角度值a为理论倾角值与实际倾角值a的差值，工控机通过工控机通讯模块向支架跟踪控制器通讯模块发送转动角度值a；
18.步骤5，支架跟踪控制器通讯模块将接收到的信息传输至单片机，单片机向电机驱动模块发动指令，电机驱动模块驱动驱动电机进行转动；
19.步骤6，转动结束后，ccd摄像机再次采集参照点和测量点的图像，并通过图像采集卡传输至工控机，工控机根据图像信息确定各斜单轴光伏支架的实际倾角值b，并计算倾角误差，倾角误差为实际倾角值b与理论倾角值的差值，若倾角误差≤设定误差值，工控机向上位机传输理论倾角值、实际倾角值b，若倾角误差>设定误差值，工控机计算转动角度值b，转动角度值b为理论倾角值与实际倾角值b的差值，工控机基于modbus通讯协议通过工控机通讯模块向支架跟踪控制器通讯模块发送转动角度值b，重复步骤5和步骤6，直至倾角误差≤设定误差值。
20.本发明的特征还在于，
21.步骤3中，光伏组件的理论倾角值的表达式为：
[0022][0023]
式(1)中，ρ为光伏组件的理论倾角值，h
s
为太阳高度角，r
s
为太阳方位角，r
r
为跟踪轴方位角，β
r
为跟踪轴和地平面之间的倾角；
[0024][0025]
式(2)中，δ为太阳赤纬角，为当地纬度，ω为时角；
[0026]
ω＝(12
‑
t)
×
15
°ꢀꢀ
(3)
[0027]
式(3)中，t为当地的时间；
[0028][0029]
式(4)中，n为一年中的第几天。
[0030]
本发明的有益效果是，由工控机负责实现各斜单轴光伏支架理论倾角计算、各斜
单轴光伏支架实际倾角的定时测量以及输出控制指令等；支架跟踪控制器负责驱动驱动电机，便于实现不同地点、不同布局类型的斜单轴光伏支架自动跟踪控制，提高整个控制系统的应用简便性和性价比，简化了控制系统外接线路，便于后期维护升级，有利于减少安装工序，提高安装进度。
附图说明
[0031]
图1是本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置的结构示意图；
[0032]
图2是本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置中工控机系统的结构示意图；
[0033]
图3是本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置中支架跟踪控制器的结构示意图；
[0034]
图4是本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置的原理控制图；
[0035]
图5是本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制方法的流程图。
[0036]
图中，1.ccd摄像机，2.图像采集卡，3.风速传感器，4.显示器，5.工控机，6.时钟模块，7.电源模块a，8.工控机通讯模块，9.支架跟踪控制器通讯模块，10.工作控制模块，11.单片机，12.电源模块b，13.显示模块，14.限位开关，15.电机驱动模块，16.驱动电机，17.参照点，18.测量点，19.斜单轴光伏支架。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0038]
本发明一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，如图1所示，包括斜单轴光伏支架组，每个斜单轴光伏支架组由若干个呈矩阵排列的斜单轴光伏支架组成，相邻斜单轴光伏支架之间的距离为3～5m，斜单轴光伏支架包括太阳能板、支架、跟踪轴、驱动电机16、支架跟踪控制器，驱动电机16与支架跟踪控制器、跟踪轴连接，斜单轴光伏支架组的上方且位于斜单轴光伏支架组的一侧面设置有ccd摄像机1，每个太阳能板远离ccd摄像机1的一侧边设置有若干测量点18，相邻的四个呈矩阵排列的斜单轴光伏支架的中心设置有若干参照点17，测量点18为3个且等距离设置；参照点17为5个，其中4个参照点17组成正方形，剩余1个参照点17位于正方形的中心处，如图4所示，支架跟踪控制器连接有工控机系统，工控机系统连接有ccd摄像机1，ccd摄像机1可以拍摄到该组斜单轴光伏支架的全部测量点和参照点。
[0039]
如图3所示，支架跟踪控制器包括单片机11，单片机11分别连接有支架跟踪控制器通讯模块9、工作控制模块10、电源模块b12、显示模块13、限位开关14、电机驱动模块15，电机驱动模块15与驱动电机16连接，支架跟踪控制器通讯模块9采用485有线或zigbee无线通讯，电源模块b12为单片机11提供电源。
[0040]
工作控制模块10包括贴片开关、按键，所述贴片开关、按键均与单片机11连接。
[0041]
如图2所示，工控机系统包括工控机5，工控机5分别连接有工控机通讯模块8、显示器4、时钟模块6、电源模块a7、风速传感器3、图像采集卡2，图像采集卡2与ccd摄像机1连接，工控机通讯模块8与支架跟踪控制器通讯模块9、上位机连接，风速传感器3设置于斜单轴光伏支架组的中间，风速传感器3与地面之间的距离不低于10米，风速传感器3通过485接口或
电压方式与工控机5相连，图像采集卡2安装在工控机5的pci插槽上，电源模块a7为工控机5提供备用电源。
[0042]
单片机11的型号为c8051f；工控机5的型号为研华ipc
‑
660。
[0043]
本发明还提供一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制方法，采用一种基于机器视觉的光伏支架组跟踪控制装置，如图5所示，具体按照以下步骤实施：
[0044]
步骤1，上电后，工控机5对当地经纬度、斜单轴光伏支架布局、斜单轴光伏支架外观尺寸、测量点18之间的间距、参照点17之间的间距、测量点18和参照点17的半径、风速值、时间、误差值进行初始化设置；
[0045]
步骤2，通过贴片开关确定各斜单轴光伏支架是否为自动跟踪控制方式，若是，工控机5从时钟模块6读取实时时间，工控机5从风速传感器3获取实时风速值，若否，采用手动模式，通过工作控制模块10的按键手动控制驱动电机16正反转；
[0046]
步骤3，工控机5判断获取的实时时间、实时风速值是否在设定的工作许可范围内，若否，工控机5基于modbus通讯协议通过工控机通讯模块8向支架跟踪控制器通讯模块9发送“斜单轴光伏支架放平”的指令，进入步骤5，若是，工控机5计算出各斜单轴光伏支架的理论倾角值，进入步骤4；
[0047]
光伏支架的理论倾角值的表达式为：
[0048][0049]
式(1)中，ρ为光伏支架的理论倾角值，h
s
为太阳高度角，r
s
为太阳方位角，r
r
为跟踪轴方位角，β
r
为跟踪轴和地平面之间的倾角；
[0050][0051]
式(2)中，δ为太阳赤纬角，为当地纬度，ω为时角；
[0052]
ω＝(12
‑
t)
×
15
°ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0053]
式(3)中，t为当地的时间；
[0054][0055]
式(4)中，n为一年中的第几天。
[0056]
步骤4，ccd摄像机1采集包含参照点17和测量点18的图像，并通过图像采集卡2传输至工控机5，工控机5对图像信息进行处理并确定各斜单轴光伏支架的实际倾角值a，计算各斜单轴光伏支架转动角度值a，转动角度值a为理论倾角值与实际倾角值a的差值，工控机5通过工控机通讯模块8向支架跟踪控制器通讯模块9发送转动角度值a；
[0057]
步骤4.1，根据测量点18、参照点17与ccd摄像机1的相对位置关系，在ccd摄像机1坐标系中建立测量点18、参照点17的三维模型，获得各斜单轴光伏支架的转动值与测量点18、参照点17在ccd摄像机1坐标系上的移动变化值之间的相对关系；
[0058]
步骤4.2，确定实际距离和像素距离之间的换算比例系数i，即：
[0059]
i＝l/l
’ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0060]
式(5)中，l为实际距离，l’为像素距离；
[0061]
步骤4.3，根据测量点18在图像上的像素移动变化值、各斜单轴光伏支架的转动值与测量点18在ccd摄像机1坐标系上的移动变化值之间的相对关系和换算比例系数i，确定各斜单轴光伏支架的实际倾角值a；步骤5，支架跟踪控制器通讯模块9将接收到的信息传输至单片机11，单片机11向电机驱动模块15发动指令，电机驱动模块15驱动驱动电机16进行转动；
[0062]
步骤6，转动结束后，ccd摄像机1再次采集参照点17和测量点18的图像，并通过图像采集卡2传输至工控机5，工控机5根据图像信息确定各斜单轴光伏支架的实际倾角值b，并计算倾角误差，倾角误差为实际倾角值b与理论倾角值的差值，若倾角误差≤设定误差值，工控机5向上位机传输理论倾角值、实际倾角值b，若倾角误差＞设定误差值，工控机5计算转动角度值b，转动角度值b为理论倾角值与实际倾角值b的差值，工控机5基于modbus通讯协议通过工控机通讯模块8向支架跟踪控制器通讯模块9发送转动角度值b，重复步骤5和步骤6，直至倾角误差≤设定误差值。
[0063]
本发明针对现有技术中的斜单轴光伏自动跟踪控制系统功能重叠、操作繁琐、性价比不高的问题，提供了一种基于机器视觉的斜单轴光伏支架组跟踪控制装置及控制方法，降低控制系统成本，简化安装调试方法，提高整个系统的应用简便性和灵活性。