一种定日镜跟踪误差校正方法专利名称：一种定日镜跟踪误差校正方法技术领域：本发明涉及一种用于塔式太阳能热发电系统中的定日镜跟踪误差的校正方法背景技术：塔式太阳能热发电站的工作原理是通过定日镜将太阳光集中反射到安装在高塔 上的吸热器产生高温，利用高温加热工作介质来发电提高定日镜跟踪精度是塔式太阳能 热发电领域重要的研究课题 通过天文公式可以精确计算出定日镜当前应处的位置，计算精度可以非常高，如 Ibrahim Reda 2004发表于太阳能杂志76期上的太阳公式，精度可以达到万分之三度然 而在制造、安装以及运行定日镜的过程中，不可避免地存在各种各样的误差，如定日镜的 水平旋转轴应该与水平面垂直，俯仰旋转轴应该与水平面平行，然而制造安装过程中，绝对 的垂直和平行是做不到的，并且精度要求越高，成本也就越高由于多种影响跟踪精度的因 素存在，定日镜的跟踪精度往往比较低，虽然不会偏离目标中心太远，但也不能满足发电的 需要，因此需要有其它的提高跟踪精度的方法到目前为止，提高定日镜跟踪精度的方法有 很多种 美国专利4， 564， 275 "AUTOMATIC HELIOSTAT TRACK ALIGNMENT METH0D》提出的 跟踪误差校正模型通过预估定日镜立柱的倾斜角度及其它误差参数，将这些参数带入数学 模型进行计算，从而得到模拟的跟踪误差，将这些误差与CCD相机采集得到的跟踪误差进 行比较，直到得到最为接近的校正参数。
如果校正参数正确，定日镜就可以准确跟踪太阳， 在相当长的时间内跟踪误差值都很小但是，由于定日镜产生跟踪误差的因素很多1)定 日镜立柱倾斜安装，2)重力变形，3)风速风向等预估这此误差是非常困难的，因而美国这 个专利所提及的定日镜跟踪误差校正方法难以实现完全的自动化 中国专利200810025001. 6《一种定日镜跟踪控制装置及其控制方法》，采用开环与 闭环相结合的方法，每一台定日镜配一只四象限太阳位置传感器来校正跟踪误差与美国 专利4， 564， 275相比，由于每一台定日镜都安装了一台四象限太阳位置传感器，因此每一 台定日镜都可以根据太阳位置传感器的信号，随时校正跟踪误差，跟踪精度取决于传动精 度及太阳传感器的灵敏度但用这种方法校正跟踪误差的成本要比用美国专利4， 564， 275 方法校正跟踪误差的成本高很多发明内容 本发明的目的是克服现有技术难以实现全自动检测并校正定日镜跟踪误差的缺点，提出了一种低成本、全自动、高精度的定日镜跟踪误差的校正方法 本发明采用以下技术方案 本发明是基于机器视觉的，通过图像采集与处理系统检测得到某台定日镜全天多 个时刻的跟踪偏差角度，或者用该台定日镜前一天或前几天在多个时刻检测得到的跟踪偏 差角度作为当天的跟踪偏差角度，通过插值得到该台定日镜当天的跟踪偏差曲线，根据所述的跟踪偏差曲线修正该台定日镜的当前角度，使该台定日镜的光斑可以基本准确地打到 目标位置。
本发明通过对定日镜跟踪误差一年多天，一天多次的检测来得到定日镜多个时刻 的跟踪偏差角度，通过对一年或多年的该台定日镜跟踪偏差角度数据分析处理及曲线拟合 得到该台定日镜每天对应的跟踪偏差曲线如此可得到每一台定日镜每天对应的跟踪偏差 曲线，利用此跟踪偏差曲线调整每一台定日镜的当前角度，使每一台定日镜的光斑可以更 加准确地打到目标位置 本发明基于定日镜的跟踪偏差角度在短时间(如半个小时)内变化较小，相邻几 天(如15天)同一时刻的跟踪偏差角度的变化不大的特性，将全天划分成几个时长相等 的时间段在每个时间段中都通过检测得到一个跟踪偏差角度，如果当天在该时间段中没 有跟踪偏差角度的检测结果，则将该时间段在前一天或前几天检测得到的跟踪偏差角度当 作当天的跟踪偏差角度如果当前时间段没有检测结果，并且定日镜是第一天运行，就用当 天前面一个或前面几个时间段检测得到的跟踪偏差角度当作该时间段的跟踪偏差检测结 果跟踪偏差角度的缺省检测时刻是该时间段的中点时刻，缺省的跟踪偏差角度是零度 定日镜的目标角度是通过由天文公式计算得到的太阳位置、定日镜旋转中心坐标 以及目标靶的中心坐标之间的位置关系计算得到的，是该台定日镜调整到位的角度。
定日 镜的当前角度指的是当前时刻定日镜所处的角度，定日镜的当前角度由三部分组成定日 镜的初始角度、定日镜的跟踪偏差角度以及定日镜的旋转角度如果没有立柱倾斜等定日 镜跟踪误差源的存在，定日镜的当前角度就是定日镜的初始角度与定日镜旋转角度的和， 这种情况下，定日镜的当前角度与目标角度相等时，定日镜的光斑中心应该与目标靶的中 心重合然而由于定日镜立柱倾斜等诸多因素的影响，这两个中心往往是不重合的，因此本 发明引入了跟踪偏差角度的概念，跟踪偏差角度是指当定日镜的当前角度只包括初始角度 与旋转角度两项时，定日镜的当前角度与定日镜的目标角度相等时，若使定日镜的光斑中 心与目标靶的中心重合，定日镜还需要旋转的角度 定日镜的当前角度包含定日镜的初始角度、定日镜的旋转角度以及根据跟踪偏差 曲线得到的跟踪偏差角度由于定日镜在跟踪过程中存在立柱倾斜等诸多误差源，因此，每 隔几天就需要检测定日镜的跟踪偏差角度进而得到新的跟踪偏差曲线，这样定日镜就可以 更为准确地跟踪太阳了某台定日镜在某时刻的跟踪偏差角度的检测方法如下将该定日 镜反射太阳光所形成光斑的目标位置(下称定日镜目标位置)设定为专门用于校核定日镜 跟踪偏差曲线的白板的中心，驱动定日镜旋转使得定日镜的当前角度与目标角度相等后， 检测光斑质量中心与目标靶几何中心的位置偏差，并据此计算出定日镜还需要旋转多大的 角度才能使这两个中心重合。
这个需要旋转的角度为定日镜偏差修正角度将根据上次检 测得到的跟踪偏差曲线确定的定日镜跟踪偏差角度与所述的定日镜的偏差修正角度相加， 就可以得到经过校核的新的定日镜跟踪偏差角度经过校核的新的定日镜跟踪偏差角度又 可以作为今后的跟踪偏差曲线的检测数据 所述的定日镜的目标角度指的是定日镜镜面法线的目标方位角和目标高度角定 日镜方位角的定义是定日镜法线在水平面上的投影与正南方向的夹角，偏东为正，偏西为 负；定日镜高度角的定义是定日镜镜面法线与水平面的夹角本发明所提及的定日镜的 当前角度、目标角度、初始角度、旋转角度、跟踪偏差角度、偏差修正角度都是由方位角和高度角组成；太阳光线的角度是由太阳光线的方位角和高度角组成 定日镜的初始角度由初始方位角和初始高度角组成，以方位角为例定日镜在水 平旋转方向上安装有一个初始位置传感器，当定日镜水平旋转至该传感器位置时，定日镜 只能顺时针旋转而不能逆时针旋转(俯视)，此时定日镜法线所对应的方位角就称作初始 方位角定日镜方位方向的旋转角度从这个位置开始计数 跟踪偏差曲线理论上是连续平滑的，并且具有相邻几天的跟踪偏差曲线是基本重 合的特点误差数据累积一年后，对全年的定日镜的跟踪偏差角度数据进行分析处理、曲线 拟合及插值计算，可以得到一年当中任意一天更为精确的跟踪偏差曲线。
保存这些偏差曲 线的特征点的数据供下一年调整定日镜时使用本发明中，特征点的数据指的是设定的每 个时间段中点时刻的跟踪偏差角度 本发明通过控制系统进行数据采集、数据处理以及控制和驱动定日镜的旋转所 述的控制系统包括以下几个子系统全场控制系统、定日镜场控制系统、定日镜控制系统以 及图像采集与处理系统全场控制系统的主要功能是协调定日镜场控制系统与电站中吸热 器控制系统以及其它控制单元之间的配合关系定日镜场控制系统的主要功能是监控镜场 中的每一面定日镜，根据全场控制系统的要求，确定镜场中每一面定日镜的工作状态每一 面定日镜都对应一个定日镜控制系统，用来控制和驱动定日镜旋转 跟踪偏差曲线形成的过程包括以下步骤1、选择待检定日镜；2、检测并记录跟踪 偏差角度；3、根据当前时段及前后两个时段的跟踪偏差角度确定跟踪偏差曲线具体如 下 1、选择待检定日镜 本发明将一天划分为若干固定时长的时间段(如半个小时)，定日镜场控制系统自动采集风速、风向及太阳辐照信号，通过这些信息确定外界条件是否允许执行跟踪误差检测流程，如果满足检测条件，自动选择一台当前时间段距离上次跟踪误差检测时间间隔最长的一台定日镜待检，将待检定日镜的目标位置设定为白板中心。
如果有多台定日镜的时间间隔相同，可在这些定日镜中任意选择2、检测并记录跟踪偏差角度 本发明的跟踪误差校正方法是基于机器视觉的机器视觉部分是专用的图像采集 与处理系统，图像采集与处理系统由安装在计算机中的图像采集与处理软件、黑白CCD相 机及目标靶白板组成目标靶白板是具有良好的朗伯特性的白色平板，在白板上设有几个 特征标记点，以便图像分析处理软件辨识根据特征标记点就可以确定从白板上采集到的 光斑图像的尺寸和坐标，白板安装在吸热器的下方 定日镜控制系统判断定日镜跟踪到位的依据是定日镜的当前角度是否与定日 镜的目标角度相等定日镜控制系统驱动待检定日镜旋转，当待检定日镜的当前角度与目 标角度相等后，图像采集与处理系统通过CCD相机采集该定日镜投射到目标靶白板上的光 斑，计算出此光斑的质量中心与白板几何中心的位置偏差，定日镜场控制系统依据该位置 偏差计算出定日镜需要调整的角度值，这个值就是定日镜的偏差修正角度，将根据跟踪偏 差曲线确定的定日镜的跟踪偏差角度与定日镜的偏差修正角度相加，就得到了经过校核的 新的定日镜跟踪偏差角度因为定日镜的当前角度是由定日镜的初始角度、定日镜的跟踪 偏差角度以及定日镜的旋转角度三部分构成，定日镜的跟踪偏差角度的变化引起了定日镜6当前角度的变化，修正后的定日镜的当前角度与目标角度不再相等，此时定日镜控制系统 自动驱动定日镜旋转，使修正后的定日镜的当前角度再次等于目标角度，即通过调整定日 镜的旋转角度使修正后的定日镜的当前角度与定日镜的目标角度相等。
此时光斑质量中心 应该与目标靶几何中心重合有一种例外的情况如果定日镜跟踪误差过大，就有可能出 现部分光斑溢出到白板以外的情况，也就是说，从白板上检测到的光斑中心并不是实际的 光斑中心，因此需要再次启动跟踪误差检测流程，直到偏差修正角度小于某一指定值(如 0.5毫弧度)，然后自动记录检测时刻定日镜的跟踪偏差角度、风速、风向、辐照及检测日期 时间等信息 计算光斑的质量中心与白板几何中心偏差量的过程如下图像采集与处理系统根据当前的辐照度，设定一个图像背景灰度阀值，CCD相机采集光斑图像后，图像采集与处理软件从图像中找到白板上的特征标记点，通过特征标记点的位置计算出白板几何中心位置及图像中每个像素的大小，将图像上灰度值小于阀值的像素点的灰度值清零，然后就可以计算出基于像素灰度的光斑的质量中心相对于白板几何中心的位置偏差计算将光斑中心与白板中心的偏移量转换为定日镜需要调整的角度值(偏差修正角度)的过程如下定日镜场控制程序根据白板的中心坐标、安装倾角以及光斑质量中心与白板几何中心的位置关系，计算出光斑质量中心的坐标，然后计算出以该坐标为目标位置的定日镜的目标角度，用这个目标角度值减去以白板几何中心为目标位置的目标角度，这样就得到了定日镜的偏差修正角度，根据此偏差修正角度调整定日镜的当前角度。
3、根据当前时段及前后两个时段的跟踪偏差角度确定跟踪偏差曲线 在不考虑风速风向等外界因素影响时，跟踪偏差曲线是连续光滑的因此，我们取当前时间段所记录的跟踪偏差角度与前后两个时间段所记录的跟踪偏差角度，以时间为X轴，跟踪偏差角度为Y轴，采用分段线性插值(或二次多项式插值)来拟合跟踪偏差曲线 某台定日镜在某时间段的跟踪偏差角度的取得有如下两种情况 1、系统第一年运行的情况用当天在该时间段检测到的跟踪偏差角度；如果当天在该时间段没有检测偏差，则用最近一天在该时间段检测得到的跟踪偏差角度；如果之前任意一天该定日镜都没有在该时间段做过跟踪误差检测，就用上一时间段的跟踪偏差角度；若上一时间段也没有做过。