一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法
2023-05-29 23:20:06 2
一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法
【專利摘要】本發明公開了一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，旨在提供一種能夠進行快速高效進行自動調試的多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法。它通過外部成像設備探知當前拋物面鏡實際焦點與目標位置點間的偏移，結合光學成像原理計算出拋物面鏡的各個軸向調節量，然後通過控制架設在鏡面上的伺服電機實現對拋物面鏡焦點的自動精確調節。本發明的有益效果是：通過計算機的分析處理來控制伺服電機進行位置調節，來實現太陽能聚光板的自動對焦，能夠進行快速高效進行自動調試，大大減小了工作量和調試周期，提高了安裝精度，受環境幹擾較小。
【專利說明】一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及太陽能聚光板相關【技術領域】，尤其是指一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法。
【背景技術】
[0002]隨著經濟的高速發展，我們國家對能源的需求也在逐漸增大。根據國家能源局的估算，到2015年，我國的一次能源消費量將達到42億噸標準煤，其中化石能源仍佔到90%左右。化石能源是一種不可再生資源。對其大規模的開採利用，即不利於國家的可持續發展，同時又會對我們的生存環境造成嚴重的汙染。例如，對空氣品質造成嚴重影響的PM2.5 (空氣中直徑小於2.5的微小顆粒)主要來源於化石燃料的大量使用。為了應對當前的能源危機，太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來15年我國能源發展的重點戰略方向。
[0003]我國的太陽能資源豐富，特別是在中西部地區就著巨大的開發利用前景。例如在寧夏、甘肅、新疆、青海和西藏等地區，全年日照時數為3200-3300h，即每平方米麵積上一年內接受的太陽輻射總量約為8400MJ，相當於285kg標準燃燒所發出的熱量。如果能加以有效利用，將為國家能源戰略目標的實現提供強大的保障。目前在我國，太陽能的主要利用形式是光伏發電及太陽能供熱。光伏發電的效率相對較低，大約為13%-15%。同時由於半導體本身物理性質及製造工藝的限制，效率很難在短時間提高。而後者的效率則可以通過拋物面鏡聚光得以大大提高。
[0004]雖然太陽能的分布範圍廣，但是能量分布相對比較分散，單位面積上的太陽輻射功率為僅為1353W。因此，對於大規模在集中利用開發，都需要建造大面積的採光板。特別是在IOKW或更高的碟式太陽能發電機系統中，聚光板的面積要求大於30平方米。對於如此巨大的拋物面反射鏡，工藝上很難加工整體部件，而且難以整體運輸安裝。通常的做法是將拋物面鏡分割成若干塊曲面。
[0005]在應用過程中，為了保證太陽能的利用效率，每塊曲面鏡要求被放在特定的位置，使得它們的焦點都落在相同的位置。現有的安裝方法主要以人工調試為主，因此普遍存在工作量大，調試周期長，受環境幹擾強，安裝精度差等問題。
[0006]中國專利申請公布號:CN102455499A，申請公布日2012年5月16日，公開了一種超級聚光設備的製作方法及設備，包括拋物面形聚光器、微型反光鏡片，聚光器設備支架及一個二維太陽光跟蹤系統，所述的聚光器設備支架安裝在二維太陽光跟蹤系統上，所述的拋物面形聚光器安裝在聚光器設備支架上，所述的微型反光鏡片按照一定規則安裝在拋物面形聚光器上，所述的二維太陽光跟蹤器由電子控制器、步進電機等組合而成的電子控制系統、轉動系統，拋物面形聚光器通過二維太陽光跟蹤系統始終對著太陽，超級聚光設備的聚光、對焦都是通過電子控制系統進行檢測，並控制步進電機轉動完成的。該發明的不足之處在於，雖然超級聚光設備的聚光、對焦都是通過電子控制系統進行檢測，並控制步進電機轉動完成的，但是並未涉及到如何通過電子控制系統檢測，以及如何控制步進電機轉動來 完成。
【發明內容】
[0007]本發明是為了克服現有技術中以人工調試為主，普遍存在工作量大、調試周期長、受環境幹擾強、安裝精度差等的不足，提供了一種能夠進行快速高效進行自動調試的多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案:
[0009]一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，通過外部成像設備探知當前拋物面鏡實際焦點與目標位置點間的偏移，結合光學成像原理計算出拋物面鏡的各個軸向調節量，然後通過控制架設在鏡面上的伺服電機實現對拋物面鏡焦點的自動精確調節，其具體步驟如下:
[0010]a)初始焦點位置信號採集:利用一臺安裝在拋物面鏡軸向上的照相機按預置頻率採集經過目標調節鏡面反射的且與拋物面鏡軸向平行的平行光在位於目標點處的屏上光斑；
[0011]b)光斑中心位置計算:對採集到的圖像信息進行處理，計算出光斑強度中心，以此作為該塊拋物面鏡當前狀態下的實際焦點位置；
[0012]c)與目標位置偏差量的計算:在採集到的圖像上建立坐標系統，確定實際焦點位置與目標位置之間在各個軸向上的偏差量SX、5y ；
[0013]d)伺服電機位移計算:計算實際焦點位置與目標坐標位置間距離的差值，這樣就得到了實際焦點位置需要移動的距離和方向，然後將需要移動的距離折算成為伺服電機的信號;
[0014]e)控制伺服電機，移動相應距離。
[0015]這樣設計能夠完全相機的圖像採集，通過計算機的分析處理，來控制伺服電機進行位置調節，以此來實現太陽能聚光板的自動對焦，達到了能夠進行快速高效進行自動調試的目的。
[0016]作為優選，在b)光斑中心位置計算的步驟中，計算光斑強度中心的具體步驟如下:
[0017](I)將所得圖像灰度化，得到光照分布圖；
[0018](2)利用閾值分割方法，選擇有效光斑所在位置；
[0019](3)利用公式計算處光斑強度中心。
[0020]作為優選，在步驟(I)中，得到的光照分布圖為S，其中S為一個二維矩陣；在步驟
(2)中，有效光斑所在位置為P，其中P按如下定義取值:在光斑強度大於一定值時，P = 1，否則P=O ;在步驟(3)中，光斑強度中心的計算公式為:
【權利要求】
1.一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，通過外部成像設備探知當前拋物面鏡實際焦點與目標位置點間的偏移，結合光學成像原理計算出拋物面鏡的各個軸向調節量，然後通過控制架設在鏡面上的伺服電機(3)實現對拋物面鏡焦點的自動精確調節，其具體步驟如下: a)初始焦點位置信號採集:利用一臺安裝在拋物面鏡軸向上的照相機按預置頻率採集經過目標調節鏡面反射的且與拋物面鏡軸向平行的平行光在位於目標點處的屏(4)上光斑； b)光斑中心位置計算:對採集到的圖像信息進行處理，計算出光斑強度中心，以此作為該塊拋物面鏡當前狀態下的實際焦點位置； c)與目標位置偏差量的計算:在採集到的圖像上建立坐標系統，確定實際焦點位置與目標位置之間在各個軸向上的偏差量δ X、δ y ； d)伺服電機(3)位移計算:計算實際焦點位置與目標坐標位置間距離的差值，這樣就得到了實際焦點位置需要移動的距離和方向，然後將需要移動的距離折算成為伺服電機(3)的信號； e)控制伺服電機(3)，移動相應距離。
2.根據權利要求1所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，在b)光斑中心位置計算的步驟中，計算光斑強度中心的具體步驟如下: (1)將所得圖像灰度化，得到光照分布圖； (2)利用閾值分割方法，選擇有效光斑所在位置； (3)利用公式計算處光斑強度中心。
3.根據權利要求2所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，在步驟(1)中，得到的光照分布圖為S，其中S為一個二維矩陣；在步驟(2)中，有效光斑所在位置為P，其中P按如下定義取值:在光斑強度大於一定值時，P = 1，否則P = O ;
f'N
Σ Σ (屍 K.JvJ
I=Y.--
Σζ,在步驟(3)中，光斑強度中心的計算公式為:"=°。
Σ Σ(屍
_ A=OVv=0 J
y- Vrr
Λ-=ο
4.根據權利要求2或3所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，在步驟(2)中，通過光斑的能量分布，來求取有效光斑所在位置區域，在計算之前對光斑進行能量上的裁邊處理，定義忽略接收圖像邊緣佔總能量E約8%的區域能量對光斑中心的影響，具體操作方法如下: (1)定義光斑的能量和光斑圖像中的對應點成正比，將圖像中點的灰度值作為對應點的能量值； (2)計算得到整個圖像中的最大灰度值gray(max)，整個圖像中的最小灰度值gray (min)和整個圖像中的平均灰度值gray (d)；(3)計算[gray(d)，255]範圍內的光斑能量El，El必須滿足的條件是86% E < El<92% E ； (4)求取最佳閾值，利用這個閾值對圖像進行二值化，獲取有效光斑所在位置區域。
5.根據權利要求4所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，在步驟(4)中，求取最佳閾值是一個不斷尋優的過程，採用如下方法進行， a)當El > 92% E 時，
gray(min) = gray(d), gray (d) = (gray (max)-gray(min))/2+gray(min)； b)當El < 86% E 時，
gray(max) = gray(d), gray (d) = (gray(max)-gray(min))/2+gray(min)。
6.根據權利要求1所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，在步驟d)中，伺服電機(3)位移計算的具體步驟如下: a)在拋物面鏡上定義一個點A，A點的坐標為(xA，yA，zA)，可以得到如下方程:z=a(x2+y2)，當有轉動量δχ、6 7時，可以得到如下方程:
Za = a ( (ΧΑ- δ χ) 2+ (yA- δ y)2)； b)每個伺服電機(3)轉 動之後在Z軸的方向上走動的距離為Aza，可以得到如下方程:Za+ Aza = a (x/+yA2)； c)比較(a)和(b)兩個公式可以得到:ΔzA = a(2xA δ x+2yA δ y- δ χ2- δ y2)。
7.根據權利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，所述的照相機為工業照相機(2)。
8.根據權利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，所述的拋物面鏡具有相同的曲率半徑。
9.根據權利要求1或2或3或6所述的一種多塊狀組合拋物面鏡太陽能聚光板自動對焦方法，其特徵是，所述的伺服電機(3)和照相機均連接PC上位機(I)。
【文檔編號】G02B19/00GK103487924SQ201310393319
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月2日 優先權日:2013年9月2日
【發明者】萬斌, 陳勝勇 申請人:萬斌, 陳勝勇