裝于聚光鏡平面的太陽光采集器3與極軸式驅(qū)動結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)信號處理模塊 獨立自動跟蹤太陽光的閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中太陽光采集器3的光軸垂直于聚光鏡平面，而 導(dǎo)光器的球心〇就是其定點輸出的點。
[0056] 為了解決由于夜晚和云層遮擋自然現(xiàn)象導(dǎo)致"微調(diào)"環(huán)節(jié)中信號采集器進(jìn)入"盲 區(qū)"而造成的控制系統(tǒng)"脫靶"問題，本系統(tǒng)（如圖3所示）通過天文時間與二維傾斜角傳感 器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)形成"粗調(diào)"環(huán)節(jié)，再結(jié)合增加的二個太陽光采集器實現(xiàn)"細(xì)、微調(diào)" 功能等共粗、細(xì)、微三個層次逐步解決的，其中三個傳感器與公用的信號處理及驅(qū)動裝置組 成了相應(yīng)的粗、細(xì)、微三個閉環(huán)控制系統(tǒng)，并且三個信號的優(yōu)先級別為微調(diào)最高，細(xì)調(diào)次之， 粗調(diào)最低。
[0057] 1)粗調(diào)環(huán)節(jié)
[0058] 傾斜角傳感器與共用的信號處理與驅(qū)動裝置組成"粗調(diào)"環(huán)節(jié)一第一個閉環(huán)自動 控制系統(tǒng)。其中對于天文時間和二維傾斜角傳感器組成的閉環(huán)控制形成的"粗調(diào)"環(huán)節(jié)， 利用天文時間具有輸入應(yīng)用地點所處經(jīng)緯度時間即可獲得每天太陽升起和落下以及一天 中任何時刻太陽光大概方向（因為考慮到累積誤差等因素影響）的功能，進(jìn)而知道任何時 刻安裝于球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)光鏡應(yīng)該處于空間角度；而傾斜角傳感器將此時的實際空間角 度檢測數(shù)據(jù)作為信號提供給信號處理電路，那么根據(jù)誤差大小及方向發(fā)出指令，驅(qū)動二個 直線電機(jī)帶動導(dǎo)光鏡（負(fù)載）進(jìn)行調(diào)節(jié)，逐步趨向應(yīng)該所在的角度。這個自動控制系統(tǒng)工 作過程與白天晚上或者陰天沒有關(guān)系，除非專門根據(jù)需要另外設(shè)定調(diào)轉(zhuǎn)條件。
[0059] 由于太陽在東西方向和南北方向上的運行變化規(guī)律相似，現(xiàn)以太陽南北方向運行 軌跡為例，當(dāng)太陽的高度角發(fā)生變化時，為了得到定向的反射光線，導(dǎo)光器的高度角和太陽 的高度角之間成一定的關(guān)系。如圖2所示，圖中1'表示導(dǎo)光器在某一時刻的位置，1為此 刻太陽光入射光線，0為當(dāng)前太陽光的入射角。2'表示在太陽高度角移動了Ah后，為了 使反射光線仍能夠定點輸出，導(dǎo)光器變動后的位置。2為導(dǎo)光器此刻入射光線，a為太陽光 的入射角。3為定點輸出的反射光線。Ah為太陽高度角的變化角度，x表示導(dǎo)光器由位置 1'移動到2'的移動角度。
[0060] 由圖2可得到如下的關(guān)系式：
[0061] x= ^ -a
[0062](1)對于導(dǎo)光鏡1'，滿足下式
[0063] (90。_3) +Ah+2a+(90。-3) = 180。
[0064] (2)由（1) (2)角軍得
[0065]
【主權(quán)項】
1. 一種太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在隧道進(jìn)、出口外的導(dǎo)光器（7)、 分別設(shè)置在導(dǎo)光器（7)的反射光路上的第一信號采集器（5)和第二信號采集器（6)、設(shè)置在 隧道內(nèi)頂部的若干反射鏡組（9)以及控制模塊；所述導(dǎo)光器（7)設(shè)置有光反射平面以及用 以控制光反射平面方向的直線電機(jī)，所述導(dǎo)光器（7)的光反射面背面還設(shè)置有傾斜角傳感 器（8);所述傾斜角傳感器（8)、第一光信號采集器（5)和第二光信號采集器（6)連接至控 制模塊；所述導(dǎo)光器（7)的直線電機(jī)也連接至控制模塊；所述控制模塊、傾斜角傳感器（8)、 第一光信號采集器（5)和第二光信號采集器（6)以及導(dǎo)光器（7)的直線電機(jī)形成閉環(huán)控制 系統(tǒng)； 所述導(dǎo)光器（7)能把連續(xù)變化方向的平行入射太陽光以恒定不變的方向，沿著隧道中 心線方向從隧道上部拱形空間的空氣介質(zhì)中反射進(jìn)隧道，然后由反射鏡組（9)漫反射為隧 道內(nèi)道路亮度過渡段的照明光。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)光器（7)包括固 定支架（R4)以及設(shè)置在固定支架（R4)上端的球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，所述球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括具有同一 圓心0點的球關(guān)節(jié)頭（R1)以及套設(shè)在球關(guān)節(jié)頭（R1)上的球關(guān)節(jié)腔體（R2)，所述球關(guān)節(jié)腔 體（R2)通過負(fù)載支架與平面反射鏡（3)固定連接；所述固定支架（R4)的上端與球關(guān)節(jié)頭 (R1)固定連接；所述反射鏡（3)的鏡面恒經(jīng)過球關(guān)節(jié)頭（R1)的球心0點；所述球關(guān)節(jié)頭 (R1)的球面一側(cè)垂向刻有定位槽（1)，所述球關(guān)節(jié)腔體（R2)上設(shè)置有與所述定位槽（1)相 對應(yīng)的圓柱形滑動栓（R3)，滑動栓（R3) -端伸入定位槽（1)中且其延長線恒穿過球心0 點；所述負(fù)載支架與固定支架（R4)之間設(shè)置有兩個直線電機(jī)，其中一個直線電機(jī)的軸線與 定位槽（1)的中心線處于同一平面，另一直線電機(jī)的軸線與定位槽（1)的中心線在水平面 上的投影線垂直；所述定位槽（1)的中心線投影與球關(guān)節(jié)頭（R1)的中心線重合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個直線電機(jī)的上 端分別通過萬向節(jié)連接在負(fù)載支架上；另一端分別鉸鏈連接在固定支架（R4)上；所述固定 支架（R4)為固定柱；所述反射鏡（3)為剛性高反射系數(shù)材料制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，所述控制模塊包括MCU已 經(jīng)與MCU連接的時鐘日歷模塊、信號采集模塊、電源模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊；所述傾斜角傳 感器（8)、第一信號采集器（5)和第二信號采集器（6)組成信號采集模塊連接MCU，所述導(dǎo) 光器（7)的直線電機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動模塊連接至MCU;所述電源模塊還為信號采集模塊供電。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，所述反射鏡組（9)由若干 塊平面漫反射鏡組成，漫反射鏡組分別安裝于隧道上部拱形空間不同深度、不同高度的反 射太陽光光路上，且漫反射太陽光覆蓋整個亮度過渡區(qū)路面；而且其反射面朝向平行太陽 光入射方向；而其漫反射光線在隧道中心線垂直平面上的投影與汽車行進(jìn)方向水平面之間 夾角<90°。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽光直接照明系統(tǒng)，其特征在于，在反射進(jìn)入隧道光通量 不足情況下，在導(dǎo)光器（7)前面還安裝聚光調(diào)光器，所述聚光調(diào)光器由聚光鏡、調(diào)光鏡以及 極軸式結(jié)構(gòu)的自動跟蹤系統(tǒng)組成，目標(biāo)是定點輸出增強(qiáng)平行太陽光給導(dǎo)光器，增加定向反 射進(jìn)入隧道的太陽光強(qiáng)度。
7. -種權(quán)利要求1-6任意一項所述太陽光直接照明系統(tǒng)的控制方法，其特征在于通過 三組優(yōu)先級不同的信號采集器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過同一組相互垂直安裝的直線電機(jī) 驅(qū)動同一個平面導(dǎo)光鏡（3)負(fù)載，具體包括以下步驟： 1) 粗調(diào)環(huán)節(jié) 導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)以及傾斜角傳感器（8)與控制模塊組成粗調(diào)環(huán)節(jié)閉環(huán) 自動控制系統(tǒng)；時鐘日歷模塊輸入應(yīng)用地點所處經(jīng)緯度時間，獲得每天太陽升起和落下以 及一天中任何時刻太陽光大致方向，進(jìn)而知道任何時刻安裝于球關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)上的平面反射鏡 (3)應(yīng)該處于的空間角度；而傾斜角傳感器（8)將此時的實際空間角度檢測數(shù)據(jù)作為信號 提供給控制模塊，根據(jù)其誤差大小及方向發(fā)出指令，驅(qū)動導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)帶 動平面反射鏡（3)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其逐步趨向應(yīng)該所在的角度； 2) 細(xì)調(diào)環(huán)節(jié) 第一光信號采集器（5)與導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)以及控制模塊組成細(xì)調(diào)環(huán)節(jié) 閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其中光信號采集器（1)固定安裝于導(dǎo)光鏡與隧道入口方向的反射光路 上，且其光軸與隧道中心線平行，另外還要求第一光信號采集器（5)在導(dǎo)光器（7)的光反射 平面的反射光柱在粗調(diào)環(huán)節(jié)可能形成的最大誤差情況下仍然能夠接受到太陽光信號；第一 光信號采集器（5)接收到太陽光信號并將光信號傳遞給控制模塊，由控制模塊計算誤差后 控制導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)動作來進(jìn)一步細(xì)調(diào)導(dǎo)光器（7)的光反射平面鏡（3)的角 度； 3) 微調(diào)環(huán)節(jié) 第二光信號采集器（6)與導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)以及控制模塊組成微調(diào)環(huán)節(jié)閉 環(huán)自動控制系統(tǒng)，其中第二光信號采集器（6)固定安裝于隧道內(nèi)的頂部光路上，且其光軸 與隧道中心線平行；第二信號采集器（6)接收到光信號并將光信號傳遞給控制模塊，由控 制模塊計算誤差后控制導(dǎo)光器（7)上的兩個直線電機(jī)動作來進(jìn)一步微調(diào)導(dǎo)光器（7)的光反 射平面鏡（3)的角度。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太陽光直接照明系統(tǒng)及其控制方法，包括導(dǎo)光器、設(shè)置在導(dǎo)光器的反射光路上的第一信號采集器和第二信號采集器、若干反射鏡組以及控制模塊；導(dǎo)光器設(shè)置有光反射平面以及用以控制光反射平面方向的直線電機(jī)，導(dǎo)光器還設(shè)置有傾斜角傳感器；傾斜角傳感器、第一光信號采集器和第二光信號采集器連接至控制模塊；導(dǎo)光器的直線電機(jī)也連接至控制模塊；控制模塊、傾斜角傳感器、第一光信號采集器和第二光信號采集器以及導(dǎo)光器的直線電機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。本發(fā)明能夠自動跟蹤系統(tǒng)在太陽光剛出現(xiàn)以后始終脫離太陽光信號“盲區(qū)”，盡快有效解決“脫靶”問題而找到目標(biāo)，保證系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
【IPC分類】F21W131-101, F21S11-00, F21V14-04, F21V8-00, H05B37-02
【公開號】CN104595841
【申請?zhí)枴緾N201410625859
【發(fā)明人】寧鐸, 尤磊, 張東煜, 張根寶, 張博, 辛登科, 趙彬
【申請人】陜西科技大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年11月7日