天空云层监测装置设计(编辑修改稿)

天空云层监测装置设计(编辑修改稿)内容摘要：

（ 4） 双（多）波段测云 双（多）波段测云法通过测量两个或多个窄波段辐 射值的方法来确定天空是否有云，从而确定云量。 美国加利福尼亚大学研制成功了一种全天空成像仪 WSI[16]。 其光学部分采用512512 分辨率的 16位高质量的温控 CCD 相机，加装鱼眼镜头得到全天空图像（视张角为180176。 ）。 另外还包括光谱过滤器、带加热设备的磨砂玻璃罩等装置。 早期的全天空成像仪工作在中心波长为 450 nm 和 650 nm 的两个波段，分别是 70 nm 宽，后来增加了中心波长在800 m 的波段。 WSI 根据太阳和月亮的位置、地月距离、以及照条件（阳光、月光和星光）等天空条件采用相应的中性滤光片获取图像。 在进 行云识别时，白天和夜间采用了不同的算法，白天依靠可见光波段获取图像的红蓝对比阈值确定有云点。 夜间则将测得的星场图像与计算的星象图作比较，确定哪些已知的明亮的星星被云遮盖，从而识别云。 由于其采用的光学部件较为昂贵，工程设计又非常复杂，所以价格较高。 （ 5） 红外测云 利用大气红外辐射进行云层测量是地基云层遥感的发展趋势，如红外云分析仪 ( ICA)[17]和红外云成像仪 [18]的应用。 国内类似的技术方案有孙学金等人提出的基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统 [19]。 此系统由 5 个单元模块构成，采用旋转扫描的机械 伺服单元，用非制冷红外焦平面阵列 (UIRFPA) 和扫描方式实现天空区域全天空红外测云。 此系统通过拼图、温度定标、大气修正、云识别等数据处理，实现全天候云层辐射测量，辐射定标处理以及云类型识别。 此后，王昊京等人针对其机械结构复杂进行了改进，提出了一种大视场全天候云层分布定位光电测量系统 [20]，采用了由扁椭球反射镜和成像透镜组成的光学子系统，增大了视角，简化了机械结构，并提出了云层空间分布定位的标定方法，实现了大视场的云层分布定位。 国外类似的技术方案是 SLR2020 激光测距系统。 它是一个无人值守的自动观测 网，其每个观测站都配备了全天时云量监视系统。 此监视系统使用线阵长波红外探测器采集尺寸为120120 像素的图像，采用串口传输图像数据；监测设备有 4 条机械支架，有较大面积的成像遮拦；另外云图只包含 3 种成分（晴朗、霾、云），可以给出天空辐射图 [21]。 红外测云技术不受时间的限制，可以获得白天和夜间全天的天空云层图像，是地基云层遥感的发展趋势。 随着机械结构的不断改进、含有椭球反射镜的新的光学系统的出现和红外传感器分辨率的提高，红外测云技术已经越来越完善。 本文主要研究内容 本文所研究设计的 天空云层监测装 置 ，包括机械系统和控制系统两部分，其中机械系统是设计的主要部分。 机械系统主要是设计一个二双轴自由度的机械跟踪模块、成像模块和镜头保护模块。 控制系统主要以跟踪算法设计为主，包括跟踪算法的计算分析和算法流程图。 浙江工业大学毕业设计（论文） 6 天空云层监测装置 主要有以下内容： 机械系统部分 机械系统包括机械跟踪模块、成像模块和镜头保护模块。 机械跟踪模块有两个自由度，即一个水平方向转动自由度 —— 方位角自由度和一个竖直方向转动自由度 —— 高度角自由度。 由两个电机来分别驱动，调整相机的方向，使相机的主光轴对准太阳。 成像模块的作用是能获 取以太阳为中心的云团图像。 本课题不同于气象上的云层监测，无需获得夜间的云层信息，也无需获得全天空的云层信息，而只需获得以太阳为中心的云团图像。 因此，本文不采用红外测云技术，而采用基于可见光的测量技术，使用一个 CCD 相机来采集图像。 镜头保护模块包括遮光装置和外壳部分。 光学器件若暴露在野外，易受灰尘、雨雪、露、霜的污染，所以需要一个外壳保护镜头和整个装置，本文设计了一个满足要求的钣金外壳。 除此之外，装置需要对太阳进行长时间的监测，此时镜头长时间暴露在高强度光照下，容易出现损坏，所以还需要设置一个对太阳的遮光装 置。 本文采用滤光片和遮光片进行遮光。 控制系统部分 控制系统主要包括跟踪算法的计算分析和算法流程图。 本文采用矢量方法，分别建立太阳的运行轨迹的时角坐标系和地平坐标系，通过跟踪控制系统的运动规律的坐标系，对这些坐标系的变换来建立跟踪装置的运动方程。 算法流程图包括跟踪主程序流程图和跟踪子程序流程图。 本文通过流程图结合文字说明对跟踪系统的控制方案和控制步骤进行了详细说明。 本文结构 本文分为七章： 第一章主要阐述了论文选题背景、目的及意义，介绍了超短期功率预测在光伏发电中的重要性、天空成像 仪对超短期功率预测的作用和天空云层监测装置的发展研究现状。 第二章主要介绍了天空云层监测装置的总体方案设计。 第三章主要介绍了机械跟踪模块设计。 确定以蜗轮蜗杆传动的二自由度机械跟踪机构。 第四章阐述了自动跟踪算法，主要内容有：确定了跟踪方式，对视日运动轨迹跟踪进行了详细的计算分析，设计了跟踪主程序和子程序。 第五章主要对成像与镜头保护模块进行了设计。 成像模块采用 CCD 相机，镜头保护模包括遮光装置和外壳部分。 第六章是计算说明书，对主要的设计内容进行了详细的计算分析。 第七章主要对本文设计的天空云层监测装置进 行总结和对该装置的发展展望。 浙江工业大学毕业设计（论文） 7 第二章 总体方案设计 设计需求分析 设计指标和参数要求： （ 1） 时间分辨率 T：即相邻两次观测的最小时间间隔。 时间分辨率是超短期功率预测的重要参数，本装置需要较高的时间分辨率，取 T=30s。 （ 2） 跟踪精度  ：即机械结构的定位精度，由电机和机械结构的传动精度决定。 本装置采集到的图像要为云轨迹算法提供原始数据，有较高的精度要求，取跟踪精度  1。 （ 3） 成像模块的视场角  ：即以光学仪器的镜头为顶点，以被测目标的物象可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。 参考标准镜头的视场角，取 30。 （ 4） 图像解析度：解析度过高，数据的处理速度会过慢；解析度过低，无法得到精确的云团信息。 参考 TSI 的图像解析度，最低要求为 352288 色彩， 24Bit， JPEG 格式。 （ 5） 太阳跟踪角度范围：太阳跟踪 分为高度角跟踪和方位角跟踪，高度角跟踪范围为0~90176。 ，方位角跟踪范围为 0~180176。 （ 6） 速度响应：即机械结构的反应时间，与控制系统有关，主要由步进电机的频率决定，但必须小于时间分辨率 T。 （ 7） 供电电压：外部供电为 AC220V，内部根据供电需要采用相应的电源适配器。 （ 8） 尺寸与重量：最大尺寸不超过 404040(cm)，最大重量不超过 15kg。 总体设计思路 根据自动化机械设计方法中的模块化设计理念，将整机按功能用途分模块进行模块化设计，即分为机械跟踪模块、成像模块、镜头保护模块和控制模块。 机 械 跟 踪 模 块成 像 模 块镜 头 保 护 模 块 控 制 模 块 图 整机示意图 系统工作原理 先通过数据库查询法获得太阳位置信息的参数，把参数输入控制模块中的单片机，由单片机控制电机驱动电路使电机工作。 再由电机带动二轴双自由度的机械跟踪模块旋转与当时当地的太阳高度角 h 和方位角 A 相对应的角度，使成像模块和遮光模块对准太阳，从而自浙江工业大学毕业设计（论文） 8 动跟踪太阳的运动轨迹。 实现精确跟踪定位后，成像模块应用可见光测云技术对一定范围内的天空图像进行采集，获得太阳和云团的位置信息，然后通过串口或者 USB 接口将图像信息传给计算机。 计算机首先通过图像预处理模块对采集到的图像进行去噪和伪彩处理 [20]等预处理，然后通过阈值法 [13]进行云点识别，得到处理后的图像。 之后，算法程序将对处理后的图像进行分析，分别通过定位模型 [20]、灰度法 [22]、二值法 [22]、云体简化与轨迹模拟 [23]得到定位信息 Po、厚度信息 Th、面积信息 S 和轨迹信息 V。 最后，将得到的信息信号输入神经网络，由神经网络对光伏发电功率进行超短期功率预测，得到功率预测信号，最终实现光伏发电的超短期功率预测。 以上过程的流程框图如图 所示。 数 据 库 查 询 模 块 控 制 模 块 电 机 驱 动 电 路 机 械 结 构 模 块成 像 和 遮 光 模 块图 像 采 集 模 块图 像 预 处 理 模 块云 点 识 别处 理 后 的 图 像去 噪伪 彩阈 值 法定 位 模 型定 位 信 息 P o仰 角 E l方 位 角 A z灰 度 法厚 度 信 息 T h二 值 化面 积 信 息 S神经网络轨 迹 信 息 V云 体 简 化轨 迹 模 拟功 率 预 测 信 号 图 天空云层监测装置的流程框图 浙江工业大学毕业设计（论文） 9 第三章 机械跟踪模块设计 机械跟踪模块的功能 机械 跟踪模块的功能是自动跟踪太阳运动轨迹。 因为本课题不同于普通的气象云层监测系统，不是只需要取得云层的信息，而是需要同时获得云层和太阳的定位信息。 为了获得太阳的定位信息，需要跟踪太阳的运动轨迹。 根据太阳的运动特征，我们需要设计一个双轴二自由度的机械跟踪机构。 所以这个机械跟踪机构要有两个自由度，即一个水平方向转动自由度 —— 方位角自由度和一个竖直方向转动自由度 —— 高度角自由度。 由两个电机来分别驱动，调整相机的方向，使相机的主光轴对准太阳。 方案比较 本文的机械跟踪机构方案经过多次修改，主要有以下四种方案： （ 1） 方案一：四连杆传动和电机直接驱动 图 机械跟踪机构（方案一） 该方案模仿了雷达的运动机构，采用了四连杆进行传动，结构新颖，拥有连杆机构的优点：连杆机构为低副机构，运动副为面接触，压强小、承载能力大、耐冲击；运动副元素的几何形状为圆柱面，便于加工制造；通过改变各构件的相对长度可以使从动件得到不同的运动规律；连杆曲线可以满足不同运动轨迹的设计要求。 但是四连杆机构也有一些缺点：本文中四连杆主要用于传动和定位，在定位精度上，四连杆机构收到加工精度和安装精度的影响很大；存在死点等问题。 而且此方案的方位 角机构采用电机直接驱动，电机轴受到其上部结构因倾覆力所产生的弯矩的影响，会对电机造成损伤并且降低了定位精度。 浙江工业大学毕业设计（论文） 10 （ 2） 方案二：蜗轮蜗杆和齿轮传动 图 机械跟踪机构（方案二） 该方案对方案一进行了改进，采用了蜗轮蜗杆和齿轮传动。 高度角机构采用蜗轮蜗杆传动，具有传动比大、结构紧凑和能自锁等优点，并且解决了四连杆在定位精度上的问题。 方位角机构采用齿轮传动，齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠和效率高等优点。 但是在本装置中，单级齿轮传动的传动比不够大，无法和高度角机构中的蜗轮蜗杆传动同步（方位角 机构和高度角机构的角速度相等）。 （ 3） 方案三：两组蜗轮蜗杆传动 图 机械跟踪机构（方案三） 该方案对方案二进行了改进，采用了两组蜗轮蜗杆传动，解决了方案二中方位角机构和高度角机构运动不同步的问题。 此方案在结构上对以上几个方案进行了细化，并且采用标准件 —— 外球面轴承，以解决轴承的安装问题。 但是因为本装置结构过小，最小型号的外球面轴承在结构匹配上还是存在很多问题。 浙江工业大学毕业设计（论文） 11 （ 4） 方案四：两组蜗轮蜗杆传动 图 机械跟踪机构（方案四） 该方案对以上三种方案进行了综合，并对结构进行了更具体的细化，最终采用两组蜗 轮蜗杆传动，并设计了一种满足要求的轴承座，具体结构在 中进行论述。 综上所述，采用方案四，由两组蜗轮蜗杆传动。 二自由度机械跟踪机构设计 图 所示为二自由度机械跟踪机构总体示意图，主要由底座支架、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和相机组成。 方位角跟踪机构能实现水平方向的转动自由度，高度角跟踪机构能实现竖直方向的转动自由度。 机构的运动简图如图 所示。 由两个步进电机分别驱动高度角跟踪机构和方位角跟踪机构，传动方案均采用蜗轮蜗杆机构。 蜗轮蜗杆机构既能实现自锁，又有较大的传动比，能够实现更精确的 定位。 图 二自由度机械跟踪机构总体示意图 注： 浙江工业大学毕业设计（论文） 12 图 二自由度机械跟踪机构运动简图 方位角跟踪机构的结构 方位角跟踪机构主要由 3 个底座基板、 1 个步进电机、 l组蜗轮蜗杆、 1个蜗轮轴、 2 个蜗杆支承座、 1 个电机支承座、 2 个轴承、 2 个轴承座、 1 个支撑法兰、 1 个高度角基板以及1 个螺母等组成，如图 所示。 3 个底座基板通过螺栓连接，组成机架，固定不动。 蜗轮轴一端通过键、支承法兰、平垫圈和螺母与高度角基板连接，可以驱动高度角 跟踪机构，实现水平面内的 360176。 旋转。 方位角跟踪机构通过 1 组蜗轮蜗杆实现相机在水平平面内的方向调整。 蜗杆一端与电机输出轴通过联轴器连接，另一端通过轴承与蜗杆支承座相连，蜗杆支承座固定安装在底座基板上。 蜗轮通过键安装在蜗轮轴上，并用圆螺母实现轴向固定与调节。 蜗轮轴下端通过圆锥滚子轴承和轴承座安装在底座基板 a上，承受上部机构的重力产生的轴向力和倾覆产生的径向力；蜗轮轴上端通过深沟球轴承和轴承座安装在底座基板 c 上，承受上部机构的倾覆产生的径向力。 步进电机则安装在电机支承座上。 详细计算与校核见 与。