【正文】 分辨率的 16位高質(zhì)量的溫控 CCD 相機(jī)，加裝魚眼鏡頭得到全天空圖像（視張角為180176。 WSI 根據(jù)太陽和月亮的位置、地月距離、以及照條件（陽光、月光和星光）等天空條件采用相應(yīng)的中性濾光片獲取圖像。 （ 5） 紅外測云 利用大氣紅外輻射進(jìn)行云層測量是地基云層遙感的發(fā)展趨勢，如紅外云分析儀 ( ICA)[17]和紅外云成像儀 [18]的應(yīng)用。此后，王昊京等人針對其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種大視場全天候云層分布定位光電測量系統(tǒng) [20]，采用了由扁橢球反射鏡和成像透鏡組成的光學(xué)子系統(tǒng)，增大了視角，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，并提出了云層空間分布定位的標(biāo)定方法，實現(xiàn)了大視場的云層分布定位。 紅外測云技術(shù)不受時間的限制，可以獲得白天和夜間全天的天空云層圖像，是地基云層遙感的發(fā)展趨勢?？刂葡到y(tǒng)主要以跟蹤算法設(shè)計為主，包括跟蹤算法的計算分析和算法流程圖。 成像模塊的作用是能獲 取以太陽為中心的云團(tuán)圖像。光學(xué)器件若暴露在野外，易受灰塵、雨雪、露、霜的污染，所以需要一個外殼保護(hù)鏡頭和整個裝置，本文設(shè)計了一個滿足要求的鈑金外殼。 本文采用矢量方法，分別建立太陽的運行軌跡的時角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過跟蹤控制系統(tǒng)的運動規(guī)律的坐標(biāo)系，對這些坐標(biāo)系的變換來建立跟蹤裝置的運動方程。 第二章主要介紹了天空云層監(jiān)測裝置的總體方案設(shè)計。 第五章主要對成像與鏡頭保護(hù)模塊進(jìn)行了設(shè)計。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第二章 總體方案設(shè)計 設(shè)計需求分析 設(shè)計指標(biāo)和參數(shù)要求： （ 1） 時間分辨率 T：即相鄰兩次觀測的最小時間間隔。 （ 3） 成像模塊的視場角 ? ：即以光學(xué)儀器的鏡頭為頂點，以被測目標(biāo)的物象可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構(gòu)成的夾角。 （ 5） 太陽跟蹤角度范圍：太陽跟蹤 分為高度角跟蹤和方位角跟蹤，高度角跟蹤范圍為0~90176。 （ 8） 尺寸與重量：最大尺寸不超過 404040(cm)，最大重量不超過 15kg。實現(xiàn)精確跟蹤定位后，成像模塊應(yīng)用可見光測云技術(shù)對一定范圍內(nèi)的天空圖像進(jìn)行采集，獲得太陽和云團(tuán)的位置信息，然后通過串口或者 USB 接口將圖像信息傳給計算機(jī)。以上過程的流程框圖如圖 所示。根據(jù)太陽的運動特征，我們需要設(shè)計一個雙軸二自由度的機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)。 但是四連桿機(jī)構(gòu)也有一些缺點：本文中四連桿主要用于傳動和定位，在定位精度上，四連桿機(jī)構(gòu)收到加工精度和安裝精度的影響很大；存在死點等問題。 方位角機(jī)構(gòu)采用齒輪傳動，齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠和效率高等優(yōu)點。但是因為本裝置結(jié)構(gòu)過小，最小型號的外球面軸承在結(jié)構(gòu)匹配上還是存在很多問題。方位角跟蹤機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動自由度，高度角跟蹤機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動自由度。 圖 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)總體示意圖 注： 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 二自由度機(jī)械跟蹤機(jī)構(gòu)運動簡圖 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)主要由 3 個底座基板、 1 個步進(jìn)電機(jī)、 l組蝸輪蝸桿、 1個蝸輪軸、 2 個蝸桿支承座、 1 個電機(jī)支承座、 2 個軸承、 2 個軸承座、 1 個支撐法蘭、 1 個高度角基板以及1 個螺母等組成，如圖 所示。 方位角跟蹤機(jī)構(gòu)通過 1 組蝸輪蝸桿實現(xiàn)相機(jī)在水平平面內(nèi)的方向調(diào)整。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)則安裝在電機(jī)支承座上。滾動軸承中按軸承用于承受的外載荷不同分類，可以分為向心軸承、推力軸承和向心推力 軸承三大類。軸承的相關(guān)校核計算見 。 根據(jù)太陽能自動跟蹤的方式，同時考 慮跟蹤的需要，選擇合適的電動機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。綜合考慮強度高、密度低的材料，可以選用鋁合金材料。 （ 1） 光電跟蹤 光電跟蹤通過使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光 敏元件，來檢測太陽的運動方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽的運行。當(dāng)太陽方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，光敏元件因受到陽光的照射，將產(chǎn)生并輸出與光照強度和光照面積成正比的光電流。如果采用光電跟蹤，云層對太陽光產(chǎn)生遮擋時，跟蹤精度將大大降低，此時無法得到有效的圖像信息，以致于無法預(yù)測云層何時不再遮擋太陽光。根據(jù)跟蹤系統(tǒng)使用的軸數(shù)，該跟蹤方法可分為一維跟蹤和二維跟蹤兩種。 極軸式全跟蹤：豎直旋轉(zhuǎn)軸與天球北極（即地軸）平行，另一軸與天球北極垂直，即赤緯軸。 高度角 — 方位角式全跟蹤：此種方法又稱地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤。 設(shè)計中的 重要參數(shù) 及定義 本文主要涉及到太陽高度角和方位角的計算，首先了解其中一些重要參數(shù)的含義和表達(dá)式 [26][27]。 （ 4） 太陽方位角 ? ：指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。 （ 7） 緯度角 ? ：是指某點與地球球心的連線和地球赤道面所成的線面角，其數(shù)值在 0至 90 度之間。因此，真太陽日的長短也就各不相同，但人們在實際生活需要一種均勻不變的時間單位，這就需要一個假想的太陽。 ?浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 視日運動軌跡跟蹤設(shè)計 跟蹤裝置的控制算法是根據(jù)天體的運行規(guī)律計算出太陽運行規(guī)律，根據(jù)太陽運行規(guī)律，使鏡頭主光軸正對太陽。所以本文采用矢量方法，分別建立太陽的運行軌跡的時角坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系，通過跟蹤控制系統(tǒng)的運動規(guī)律的坐標(biāo)系，對這些坐標(biāo)系的變換來建立跟蹤裝置的運動方程 [25]。 圖中 oxyz? 為以地心為原點建立的時角坐標(biāo)系， z 軸指向地球軸北極， x 軸為自地心指向跟蹤裝置所在地經(jīng)線與赤道的交點， y軸在地球赤道平面內(nèi)并與 x， z 構(gòu)成右手坐標(biāo)系， i? ，j? ， k? 為相應(yīng)方向的單位矢量。地平坐標(biāo)系和時角坐標(biāo) 系之間的變換關(guān)系如圖 所示： 圖 坐標(biāo)系變換關(guān)系 由圖 中可以看出： I? 與 j? 之間的夾角為跟蹤裝置所在地的緯度角 ? ， K? 與 k? 重合，I? 與 i? 的夾角為 ???90 。 根據(jù) Cooper 方程，每天的太陽赤緯角萬可以由以下公式求得： )365284360s in ( n???? （ ） 其中 n 為日期在年內(nèi)的序號，即積日。如果在工程計算中采用平太陽時，就會存在時差問題。 E 表示時差，可由下式求出： BBBE s o ??? （ ） 其中， 364 )81(360 ?? nB ， n 為積日。因此，由式 可計算出： )ta nta na r c c o s ( ??? ?? （ ） 且根據(jù)時角 ? (上午時 ??0? ，下午時 ??0? )，得到日出和日落時角的表達(dá)式為： )t a nt a na rc c o s (1 ??? ??? （ ） )t a nt a na rc c o s (2 ??? ?? （ ） 計算出日出時角和日落時角后，由式 可得出日出時間 1T 和日落時間 2T ，即： 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 1512 11 ???T （ ） 1512 22 ???T （ ） 算法流程圖 跟蹤主程序設(shè)計 跟蹤系統(tǒng)主流程如圖 所示。若不滿足條件，則系統(tǒng)待機(jī)延時一段時間；反之，由計算機(jī)驅(qū)動跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置，使得跟蹤系統(tǒng)正常運行。循環(huán)過程中，計算機(jī)對通過相機(jī)采樣到的圖像進(jìn)行分析處理，并判斷出當(dāng)前的天氣狀況。在下一次跟蹤前，要判斷當(dāng)前時間是否在日落之前，如果是，則繼續(xù)跟蹤循環(huán)；反之，跳出跟蹤循環(huán)，并驅(qū)動跟蹤裝置返回基準(zhǔn)位置，跟蹤系統(tǒng)停止工作。 程序開始執(zhí)行時，計算機(jī)首先計算出當(dāng)前時刻太陽高度角和方位角的理論值，并與上一次跟蹤時的理論值作差，得到跟蹤間隔內(nèi)太陽高度角和方位角的變化值，并推算出高度角電機(jī)和方位角電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)。因浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 為，普通軌跡跟蹤時，太陽從早到晚是自東向西轉(zhuǎn)的，所以方位角電機(jī)總是正轉(zhuǎn)；而太陽在天空中的高度是先升后降的。 太 陽 運 動 軌 跡 跟 蹤子 程 序 開 始獲 取 當(dāng) 前 的 時 間 、 日 期 值 ，以 及 當(dāng) 地 的 經(jīng) 度 、 緯 度 值計 算 循 環(huán) 間 隔 內(nèi) 太 陽 角 度 的變 化 值計 算 跟 蹤 裝 置 中 兩 個 電 機(jī) 轉(zhuǎn)動 需 要 的 脈 沖 數(shù)跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 是 否 處 于 基 準(zhǔn) 位 置高 度 角 變 化 值 0 ？驅(qū) 動 高 度 角電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)驅(qū) 動 高 度 角電 機(jī) 反 轉(zhuǎn)驅(qū) 動 方 位 角 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)驅(qū) 動 方 位 角電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)驅(qū) 動 方 位 角電 機(jī) 反 轉(zhuǎn)驅(qū) 動 高 度 角 電 機(jī) 正 轉(zhuǎn)軌 跡 跟 蹤 轉(zhuǎn) 至 起 始 位 置方 位 角 變 化 值 0 ？NNYNYY 圖 太陽運動軌跡跟蹤子程序流程圖 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 第五章 成像與鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計 成像模塊設(shè)計 本課題不同于氣象上的云層監(jiān)測，無 需獲得夜間的云層信息，也無需獲得全天空的云層信息，而只需獲得以太陽為中心的云團(tuán)圖像。查閱相關(guān)資料，我們選擇AVT_Manta_G201 相機(jī)，該相機(jī)還可提供板級版 本以及模塊化選配件，為 中的遮光裝置提供技術(shù)支持。除此之外，本課題需要對太陽進(jìn)行長時間的監(jiān)測，此時鏡頭長時間暴露在高強度光照下，容易出現(xiàn)損壞，所以還需要設(shè) 置一個對太陽的遮光裝置。 ASI 采用的遮光方式與改進(jìn)后的 WSI 的遮光方式較為類似，但采用的是類似機(jī)械手轉(zhuǎn)動裝置，可根據(jù)太陽位置的變化自動屈伸支撐臂以遮擋陽光 [25]。浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 此方案是借鑒了現(xiàn)有天空成像儀的經(jīng)驗，并將單獨的遮光塊運動機(jī)構(gòu)整合到了二自由度的跟蹤機(jī)構(gòu)中，同時使用凸面鏡采集圖像還能增大相機(jī)的視角。所以對地球上的任意一點，入射的太陽光之間具有一個很小的夾角，通常稱之為太陽張角。但是這樣會增加裝置的總體尺寸，所以不合理。我們在鏡頭前加裝濾光片，或者定做一個遮光片，如圖 。 綜上所述，采用方案二：加裝濾光片，或者定做一個遮光片。這樣既能保護(hù)鏡頭，又不影響透光效果。并制作了一個底座，用于裝置與地面的連接，該底座由槽鋼焊接而成。 豎直旋轉(zhuǎn)軸的角速度 1? 即太陽方位角的變化速率： s/ 6 0 012 180 31 ???? ?? ?? 水平旋轉(zhuǎn)軸的角 速度 2? 即太陽高度角的變化速率： s/ 6 0 06 90 32 ???? ?? ?? 從 1? 和 2? 可以看出豎直旋轉(zhuǎn)軸和水平旋轉(zhuǎn)軸的角速度相等。 浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 第六章 計算說明書 傳動比的確定及步進(jìn)電機(jī)的選取（對應(yīng) ） 傳動比的確定 在地平坐標(biāo)系中，太陽高度角 ? 和太陽方位角 ? 是隨著一年四季和當(dāng)?shù)氐木暥茸兓摹? 除了鏡頭，裝置中的機(jī)械機(jī)構(gòu)和控制部分 也需要外殼的保護(hù)。所以可以借鑒 WSI 和 WSC，增加一個防護(hù)罩 [6]。遮光片原理部分，因為太陽光線具有 23? 的張角，任何一個光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生的太陽像總是一個有限的尺寸，主要決定于光學(xué)系 統(tǒng)本身的幾何形狀和尺寸。所以我們可以將遮光裝置和相機(jī)鏡頭進(jìn)行整合。 235 3 4 9 6 3 9a r c t a n ?????? 當(dāng)遮光塊與鏡頭間的距離為 100mm 時，遮光塊的直徑為 ，尺寸過小。 但是在具體設(shè)計時，從計算中發(fā)現(xiàn)太陽張角過小，造成遮光塊的大小無法匹配。 借鑒現(xiàn)有遮光裝置的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計了兩種方案的遮光裝置。 WSI采用能東西方向滑動的遮光盤，通過軟件控制在覆蓋視張角 ?180 的轉(zhuǎn)動軌道上自動對太陽和月亮進(jìn)行遮擋 [24]。 表 相機(jī)參數(shù) 型號 接口 分辨率 幀數(shù) 傳感器類型 A/D 內(nèi)存 G201 GigE 16241234 14/30 fps 1/ CCD 14 位 32 MB 鏡頭保護(hù)模塊設(shè)計 鏡頭保護(hù)模塊包括遮光裝置和外殼部分。同時成像系統(tǒng)對視張角的要求也大大減小，無需全天空的大視場，所以可以不用采用會引起圖像畸變的魚眼透鏡成像系統(tǒng) [23]和機(jī)械機(jī)構(gòu)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)掃描的機(jī)械伺服單元 [19]。至于轉(zhuǎn)至起始位置的跟蹤，高度角電機(jī)總是反轉(zhuǎn)，即相對于基準(zhǔn)位置處相機(jī)水平放置而向下轉(zhuǎn)；方位角電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，則在正午前后有所不同。如果是，說明跟蹤系統(tǒng)剛開始工作，需要驅(qū)動跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)至起始位置；反之，為普通的太陽運動軌跡跟蹤。這里首先介紹一下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的兩個步進(jìn)電機(jī)分別為高度角電機(jī)和方位角電機(jī)。 一次跟蹤完成后，程序延時等待一段時間，再進(jìn)行下一次跟蹤。若高度角和方位角分別為 ? 和 ? ，根據(jù)跟蹤機(jī)構(gòu)所在的基準(zhǔn)位置就可以確定轉(zhuǎn)動到起始位置的驅(qū)動角度，即跟蹤機(jī)構(gòu)在水平面上向東旋轉(zhuǎn) ?? （上午， ? 為負(fù)值）或向西旋轉(zhuǎn)?? （下午， ? 為正值）；在垂直方向上，向上旋轉(zhuǎn) ? ，這樣跟蹤機(jī)構(gòu)就轉(zhuǎn)至起始位置了?；鶞?zhǔn)位置指的是跟蹤機(jī)構(gòu)的正前方正對當(dāng)?shù)氐恼戏较?，即太陽方位角為零的方向；且相機(jī)為水平放置，即對應(yīng)太陽高度角為零的方向。因