云图采集设备控制系统设计及优化大学论文.docx

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云图采集设备控制系统设计及优化大学论文

云图采集设备控制系统设计及优化

摘要

云图可实时反映大气状况，通过气象的动态分析可以为气象预报提供重要参考数据。

我国的地面气象观测技术比较落后，主要通过相机对天空的直接拍摄获得云图。

现有的云图采集装置无法小面积准确地为镜头遮挡阳光，镜头受阳光直射，大大缩短了其使用寿命，而且云图由于阳光直射受到光晕的影响，成像质量差，影响云图分析。

本论文在对地面云图采集设备进行大量的调研后，在现有的地面云图采集设备的基础上对云图采集设备进行设计及优化。

针对阳光直射镜头的问题，采用高度角-方位角追踪方式实现对太阳方位的追踪，利用万年历算法与电子罗盘、加速度计相结合的方法，通过单片机控制机械结构为镜头遮挡阳光，提高云图的质量及采集设备的自动化程度。

同时，本文对于云图采集设备所存在磁场载体误差进行优化分析，提出校正、数据校准以及倾角补偿等算法优化，提高了云图采集设备的工作精度。

该系统经过实际验证，在云图采集过程中实现了对阳光进行有效的遮挡，精度高，试运行稳定。

关键词云图采集；自动控制；高度角；方位角

Designandoptimizationofthecontrolsystemofthecloudatlasacquisitionequipment

Abstract

Thecloudatlascanreflecttheatmosphericconditionsinrealtime.Thedynamicanalysisoftheweathercanprovideimportantreferencedatafortheweatherforecast.China'sgroundmeteorologicalobservationtechnologyisrelativelybackward,mainlythroughthecameradirectlytotheskytogetapictureofthesky.Theexistingimageacquisitiondevicetosmallareaaccuratelyforthelenstoblockthesun,shotbydirectsunlight,greatlyshortentheservicelife,andcloudduetodirectsunlightbythehaloeffect,theimagingqualityispoor,theimpactofimageanalysis.

Inthispaper,alotofresearchonthegroundimageacquisitionequipment,basedontheexistinggroundimageacquisitionequipmentonthebasisofthecloudatlasacquisitionequipment,designandoptimization.Aimingattheproblemsofdirectsunlightlens,theelevationangleandazimuthangletrackingmodetorealizethesolarazimuthtracking,usingcalendaralgorithmandtheelectroniccompass,accelerationmetercombinationmethod,throughtheMCUcontrolmechanicalstructureforthelenstoblockthesun,improvethedegreeofautomationofimagequalityandacquisitionequipment.Atthesametime,thispaperanalyzestheerrorofmagneticfieldcarrierinthecloudatlasacquisitionequipment,andputsforwardthealgorithmoptimizationofcorrection,datacalibrationandanglecompensation,whichimprovestheworkingaccuracyofthecloudatlasacquisitionequipment.

Thesystemhasbeenverifiedinpractice,intheprocessofcloudatlasacquisitiontoachievetheeffectiveshieldingofthesun,highprecision,stableoperationofthetest.

Keywordscloudatlasacquisition,automaticcontrol,highangle,azimuthangle

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1课题背景

云是反映当时大气状况的重要证据，从云图可以得到大气的动力特性及热力特性，从而可以推断此时的水循环状况。

另外，云在地面辐射和大气辐射方面也发挥着重要作用，对当时的气候模式和气候推测方面影响巨大。

水循环和大气循环受云场信息如云的形状、特性、分布以及组成等方面的影响，可以形成各种天气。

云场信息是云重要的宏观参数，若能正确分析云图，得到正确的云场信息，便可以推测出准确的大气动态特性，如自然界水循环特性、大气的稳定性及大气含水量的动态变化特性等，进而可以获得未来的大气变化走向，推测出正确的天气预报。

正确的气象预报在人民的日常生活和出行、社会的正常运行以及国家的安全维护等方面具有重要的意义。

我国地面气象观测总体上朝着遥感遥测、自动化、高精度、高时空分辨率方向发展，气象观测技术发展迅速，观测手段向观测自动化发展[1]。

云观测的主要内容是对云高、云量、云形等的观测，这是分析大气变化时的重要资料[2]。

近几年，世界各国对地面气象仪的重视使地面气象仪快速发展，得到了优秀的气象观测仪。

虽然近几年国内也大力发展对云图采集设备的研究，但总体水平仍旧处于初级阶段，我国对大气变化分析处理的资料仍旧主要来源于气象卫星。

现有的地面云图采集设备通过云台直接拍摄天空，气象观测设备的自动化程度较低，云图采集技术不成熟，且不能在相机采集云图时对阳光直射进行有效的遮挡，导致阳光直射相机，从而使拍摄到的云图成像质量较差，在阳光的照射下云图出现光晕，图片整体亮度分布不均匀，并出现光环，这些都严重影响了对云量的分析，同时也严重影响了相机的寿命。

本项目所设计的云图采集设备，计划编写单片机程序自动追踪太阳的实时位置，采用遮挡的方式，控制遮阳杆自动遮挡阳光，避免阳光对镜头的直射，从而极大地改善云图的成像问题，提高相机寿命，有效记录大气信息并尽量减少地遮挡有效信息。

进行实验检测设备是否满足工作要求，就出现的问题进行进一步的优化，使云图采集设备能够在提高云图采集的准确率的同时提高设备的自动化程度，同时延长相机的使用寿命。

1.2云图采集设备的国内外研究现状

目前，我国的绝多数气象观测站利用云台采用直接拍摄天空得到全天空气象图。

如图1-1所示，为我国的全天空气象仪，利用单反相机上的鱼眼镜头直接对准天空拍摄。

如图1-2所示，为全天空相机拍摄所得云图，得到的照片进行裁剪和一系列的图像处理，最终得到可以利用的云图资料并从中获取有效信息，然后进行下一步分析研究。

这种气象仪结构简单，成本较低，为保护镜头，一般在不使用镜头时，使用遮光板覆盖镜头。

这种镜头保护方式成本低，降低镜头的损耗。

但拍摄时镜头仍旧会被阳光直射，镜头仍旧会受到损害，并且所拍摄云图仍旧存在光晕问题，云图质量并没有得到提高。

图1-1全天空气象仪

图1-2无遮挡下采集的云图

在世界各国经济、科技迅猛发展的今天，全天空气象观测仪得到了十分迅速的发展。

国外出现了很多优秀的地基测云仪，可以高质量完成多种观测任务。

如图1-3所示，TSI-440全天空成像仪的示意图，全天空成像仪主要由照相机、遮光带、半球镜面、电子设备及支撑架组成[3]。

全天空气象仪最重要的部分是电子设备，电子设备在半球镜面内，是一台小型计算机。

电子设备对照相机拍摄的照片进行储存、处理和计算，并且控制半球镜面的转动是遮光带遮挡阳光，以免阳光反射镜头，对镜头造成伤害。

但微型计算机的储存空间小，若不及时导出数据，新采集的数据会覆盖新的数据，造成数据的丢失；并且微型计算机的处理和计算能力较差，主要是对云图灰度图的分析，在云量较少或较多的情况下的分析都不准确，云图继续分析的难度较大。

半球镜面在电子设备的上方，将天空的情况反射给照相机，采用镜面反射的方法采集云图可以保护镜头不被阳光直射，但反射镜面是凸面镜，导致照相机所拍摄的云图变形失真，影响云图的分析。

又因为气象仪在室外工作，难免会存在雷雨霜雪的恶劣天气，为使气象仪即使在恶劣的天气下也可正常工作，在反射镜面内置发热装置，可蒸发落在反射镜面上的雾雨霜雪等，保证气象仪的正常工作。

照相机密封被固定在半球镜面的正上方的盒子中，这种设计不仅可以使镜头不被太阳照射，起到了保护镜头的作用，而且防止照相机其他的损害，并且在盒子上方装有防止鸟虫等破坏气象仪的网罩。

照相机与电子设备依靠支撑架里的电缆联系，支撑架的安装有明确规定：

若气象仪在南半球使用，支撑架安装在气象仪的正南方；若气象仪在北半球使用，支撑架安装在气象仪的正北方。

这样的设计不仅可以调整相机始终处于半圆镜面的正上方，并且可以作为调节遮光带的依据。

图1-3全天空成像仪示意图

全天空成像仪是采用工业鱼眼镜头，直接对天空进行拍摄，从而获得全天空云图，这种全天空成像仪可以一次性得到全天空图像，但是由鱼眼镜头获得的云图会发生变形，造成获得云图存在一定程度上的失真，不能作为很好的云图资料进行分析[4]。

以上介绍的均为全天空可见光成像系统，国内外研究者根据云体的成像特征，还研制开发了近红外全天空测云仪[5]。

如图1-4所示，为LAGEO实验室的全天空成像仪。

LAGEO实验室的全天空成像仪分为两部分组成：

控制装置和遮阳装置。

控制装置主要控制气象仪对天空云图的获取、数据的分析处理以及遮阳部分的运动，遮阳装置主要受控制部分发出指令，为镜头遮挡阳光，防止阳光直接照射镜头，起到保护镜头和图像处理器的作用[6]。

图1-4LAGEO实验室的ASI

在这款全天空成像仪中，采集图像使用的是工业鱼眼相机，可以最大程度地采集云图信息，遮光部分使用的是密度滤光片。

在镜头上方的半圆杆上安装密度滤光片，密度滤光片是太阳追踪装置中最重要的部分。

半圆杆受控制装置控制，密度滤光片随半圆杆转动而转动，完成对太阳的追踪，从而为镜头遮挡阳光[1]。

全天空成像仪完全依靠程序控制，从太阳升起开始对天空进行云图拍摄、数据采集、云图分析及太阳的追踪和遮挡到太阳落下后气象仪停止工作进入休眠状态，提高了气象仪的自动化程度。

并且，为了适应野外的环境，设计者给气象仪加入一套热敏系统，使气象仪内部的工作温度始终处于零度到四十度之间[7]。

虽然LAGEO实验室的全天空成像仪优点很多，但由于各方面要求较高，得到的图像分辨率也高，费用相应也较高。

并且气象仪采集到的数据是彩色图像。

波段相对较宽，这种数据无法直接应用于有关辐射的大气研究中，需要进行后期图像处理，工作量大[8]。

1.3课题研究的目的和意义

进入21世纪之后，全球渐渐进入工业化时代，各个方面都被要求向自动化发展，气象观测也不例外。

目前，我国地面观测中绝大多数气象观测站通过云台实时拍摄天空云图、记录云况，用云图检索的方法判断云况信息。

但是，目前采用的气象观测设备因不能在相机采集云图时对阳光直射进行有效的遮挡，导致阳光直射相机，从而使拍摄到的云图成像质量较差，在阳光的照射下云图出现光晕，图片整体亮度分布不均匀，并可能出现光环，这些都严重影响了对云量的分析，同时也严重影响了相机的寿命。

本文所研究的云图采集设备拟设计一款基于单片机的太阳光追踪系统，该系统可以自动调节遮光杆与太阳光的角度，时刻保持遮光杆的垂直面始终与太阳光线平行，实现对太阳的追踪。

用遮挡方式，避免了阳光对镜头的直射，从而极大地改善了云图的成像问题，提高相机寿命，并尽量避免遮挡有效信息成像效果如图1-4所示。

图1-4云图采集设备人工遮挡后成像效果

1.4本课题的主要研究内容

本文主要设计内容为对云图采集设备控制系统进行设计及优化。

国内地面观测技术比较落后，气象观测的自动化成的较低，主要是依靠单反相机上的鱼眼镜头对天空直接进行拍摄，获得全天空云图后利用现有的技术进行图像处理和裁剪，收集有效的信息，进而利用计算机的气象数据库进行搜索，完成云图信息的获取。

因为地面气象观测仪在室外甚至恶劣的野外工作，所获得的信息也必须尽可能准确，为满足需求气象仪的机构必须以下要求：

首先，仪器要有足够的强度和刚度，以抵抗野外大风、暴雨、高温、暴晒等恶劣天气；第二，云图采集设备的运行速度要快，以满足单片机程序运行获得准确的各类气象数据；第三，因为云图采集设备要在无人监管的野外自动工作，所以要保证具有长时间的稳定性，在恶劣条件下可以连续工作，运行速度高且稳定，仪器运行误差保持在允许误差范围之内，运行获得的数据保持较高的准确率；第四，云图采集设备在野外工作，面对恶劣的环境时要保持良好的性能，云图采集设备能够保持正常的工作时间，反应灵敏；第五，要注意结构轻便合理，能够抵抗大风等的破坏；最后，我国幅员辽阔，云图采集设备一定要生产批量化，成本低，操作简单，维护方便[9]。

在以上要求的基础上，再对云图采集设备进行机构和控制系统的设计。

在调查和查阅大量国内外文献以及了解国内外云图采集设备的发展现状后，从现实需要出发，对云图采集设备的程序设计提出以下设计思路：

首先，云图采集设备要判断所处环境是白天还是夜晚，这依靠光敏元件来判断。

若光线足够暗时，程序停止运行，云图采集设备处于停止工作的状态，减少能量损耗；当白天到来时，单片机开始工作，通过处理中心的计算处理得到太阳所处的位置。

然后，检测云台自身的位置数据与太阳的位置数据进行比较，将得到的结果发送给步进电机，驱动步进电机工作，控制云台的进行转动，使遮阳杆与太阳、镜头处于一条直线上，达到为镜头遮挡阳光的目的。

太阳自动跟踪装置是可见光云图采集系统中重要的组成部件，可以最大限度实现全天候云图采集。

所以本课题研究的重点为：

1.如何让遮阳杆自动与太阳、镜头处于一条直线上；

2.如何实现对太阳的追踪；

3.如何实现时控与光控的转换；

4.如何实现自动跟踪。

本设计的主要特点：

1.采用先进的单片微型计算机技术，以单片机为控制系统的处理中心，充分利用其运算速度快、体积小，结构简单的特点；

2.性价比高，具有良好的应用前景。

1.5本章小结

本章主要介绍了国内外气象站云图采集设备的特点及优势，并分析了云图采集设备的国内外研究现状以及本课题研究的目的和意义。

根据实际使用需求，确定对云图采集设备的设计内容。

第2章云图采集设备方案设计

2.1追踪方式的选择

太阳追踪系统的工作流程是：

云图采集设备开启后，首先对系统进行复位，然后光敏传感器开始工作，将得到的光强信息发送到处理中心。

若未达到光照强度要求，单片机停止工作，直到光照达到强度要求；若光照达到强度要求，单片机开始工作，实现对太阳的追踪，同时电子罗盘和加速度计分别将云台的位置信息发送给单片机，单片机通过计算处理向步进电机发送指令，步进电机启动，使遮阳杆始终与太阳、镜头处于一条直线上。

信息实时接收处理，单片机系统指挥遮阳杆运动达到实时保护镜头的目的。

目前，追踪装置最优秀的是GPS追踪装置，它突破地球磁场的影响，获得较准确的数据。

虽然这类追踪方式精度高，但造价高，大量生产时成本无法承担，不能大规模使用。

目前最常用的追踪方式有：

光电追踪方式，时间追踪方式以及光电—时间相结合的追踪方式。

它们各有优缺点，下面将详细介绍这三类追踪方式。

光电追踪系统中最关键的器件是光敏器件。

光敏元件有很多，如光敏电阻、光敏二极管、光敏传感器及光敏IC等。

光敏器件通过对阳光的感应实现对太阳的追踪。

图2-1为光电传感器的示意图。

首先，用不透光的材料制作一个圆筒型的遮光筒，遮光板内放微机处理板，再将遮光筒密封。

微机处理板其实就是一块与遮光筒等直径的电路板。

把光学系统固定在遮光筒上，然后将微机处理器上的四象限探测仪放置在遮光筒底部，在靠近遮光筒底部的遮光筒外部平均放置四个光敏二极管，遮光筒底部的四个光电二极管是平均分布的，相邻的两个光电二极管之间的距离相等。

遮光筒上的光学系统的作用是将光照集中到遮光筒底部的四象限探测仪上，如果阳光不是垂直射入光学系统，光遮光筒底部的四个光敏二极管收到的光线强度不同，产生电流差。

光电二极管将得到的电流差发送给微机处理器，微机处理器经过处理计算后向步进电机发送指令，控制步进电机转动，达到追踪太阳的目的。

当太阳垂直照射遮光筒时，四个光电元件受到同样强度的光照，光电元件向微机处理板发出等大信号，没有信号差，步进电机不工作；当遮光筒接收倾斜阳光时，遮光筒产生阴影，导致光电二极管发出不同的信号，微机处理板根据信号差对步进电机发出指令，不断调整光线入射角度，直至阳光垂直照射遮光筒，实现对太阳的准确追踪。

1-光学系统；2-遮光筒；3-光电二极管；4-四象限探测器

图2-1光电传感器示意图

现在光电追踪系统各式各样，其工作原理大同小异。

都是利用安装在遮光筒底部的光敏二极管等光敏元件检测阳光，依靠光敏元件产生的微小电流比对，经过放大电路处理得到放大后的信号差，单片机根据信号差控制伺服调整系统调整阳光射入角度，从而实现对太阳的追踪。

光电追踪是闭环控制，并且其使用的传感器较少，得到的信号少，运算也少，单片机就可以处理并进行控制，运算速度快，反应灵敏，结构简单，成本低。

虽然光电追踪优点很多，之前已有描述，但光电追踪的缺点也不可忽略。

光电追踪属于闭环控制且灵敏度高，但正因为这种搭配方式令光电追踪太过灵敏容易受环境影响发生误动。

在云层遮住太阳天空中出现较强光斑、有物体经过仪器或者在多云、阴天等自然气象时，光线较弱，光敏器件发出的信号与实际情况不符，但步进电机仍旧按照错误的指示进行工作。

或者在炎热的夏季等阳光比较强烈时，光线较强，即使有放大电路的存在，信号差仍旧无法识别，光电追踪系统陷入瘫痪状态，无法正常完成太阳追踪的工作。

所以，光电追踪系统应用的条件要求十分高，只有在理想环境中才能够工作准确，在光线较暗或者较强的情况下都无法达到预期的效果。

视日轨迹追踪系统的原理是天文学家将太阳相对于地球的运动规律写成天文学公式，用C语言将天文学公式编写成程序，就可利用计算机得到太阳的实时方位角和高度角。

并以此为依据控制电机，调整装置完成对太阳的追踪。

视日运动轨迹追踪是开环控制，其运动主要依靠程序运行，因此追踪装置的精确度与外部环境改变无关，与表示太阳运动规律的天文学公式的准确度有关。

另外还有装置安装时对装置坐标轴与太阳坐标轴的重合度也是影响装置精确度的重要因素。

视日运动轨迹跟踪又存在两种追踪方式。

1．单轴追踪

单轴追踪一般采用：

倾斜布置东西追踪；焦线南北水平布置，东西追踪；焦线东西水平布置，南北追踪[10]。

这三种追踪方式的工作原理相同，模式相似。

单轴追踪装置只有一个旋转自由度，都是将轴水平固定，单轴转动，以追踪装置实现对太阳的追踪。

如图2-2所示，就是转轴东西布置，南北追踪的示意图。

图2-2单轴焦线东西水平布置

最常使用的太阳单轴追踪方式是单轴焦线南北放置，东西追踪。

通过计算太阳的高度角，控制单轴转动实现追踪。

这种追踪方式只有一个旋转自由度，操纵方便，结构简单，计算简便。

但缺点也显而易见，这种装置只有一个自由度，只有正午时阳光是垂直射入光学系统，其他绝大多数时间都是倾斜射入且无法调节，无法做到对太阳的实时追踪，起到保护镜头的作用，并不满足云图采集设备工作需要。

2．双轴追踪

如果使用两个旋转轴分别对太阳俯仰角和赤纬角实现追踪，便可以对太阳实现准确追踪，于是双轴追踪方式便应运而生。

双轴追踪又名全追踪，具有两种不同的追踪方式。

（1）极轴式全追踪

如图2-3所示，追踪装置的与地球自转轴平行的轴线为极轴，而与极轴垂直的轴线为赤纬轴[11]。

追踪装置绕极轴做旋转运动，速度与地球自转速度大小相等方向相反，完成太阳追踪；追踪装置绕赤纬轴转动主要是追踪太阳赤纬角度的变化，太阳赤纬角一般随季节变化而改变。

这种追踪方式也很简单便捷，但追踪装置的重心不在极轴线上，对系统的支承装置制造要求较高。

图2-3极轴式追踪

（2）高度角-方位角式追踪

高度角-方位角追踪方式采用双轴追踪的方式，垂直于地平面的竖直轴是跟踪机构的方位轴，跟方位轴垂直的水平轴是俯仰轴[12]，方位角-高度角追踪方式的原理图如图2-4所示。

图2-4高度角-方位角式全追踪

高度角-方位角追踪方式使用两个步进电机分别控制水平轴和竖直轴的转动，从而对太阳高度角和方位角进行追踪。

当太阳方位角发生变化时，控制竖直轴的步进电机启动，追踪装置绕竖直轴转动，实现对太阳高度角的追踪；当太阳高度角发生变化时，另一步进电机启动，追踪装置绕水平轴轴转动，实现对太阳高度角的追踪。

通过分别对太阳高度角和方位角的追踪，实现追踪机构对太阳的追踪，使遮阳杆始终与镜头、太阳处于一条直线上，保护镜头同时提高所得云图质量。

这种追踪方式结构简单，设计方便，在误差允许的情况下做到的对镜头的保护，精度也较高，并且不收天气的影响，在阴天或者光线较弱的情况下也可以进行追踪，稳定性强。

但由于是时间追踪，使用开环控制，容易产生并积累误差，无法及时做出调整工作。

以现阶段的科技水平，视日追踪方式并不能对太阳进行完全准确的追踪；并且现在地面气象观测仪也正处于科研阶段，各个方面都需要进一步研究设计，所以此设计中出现的不足之处还需要接下来的优化设计处理，以更加完善。

根据查阅大量的资料，得出将高度角-方位角追踪和光电追踪相结合的设计方案，将时间追踪和光电追踪的优点相结合，以摒弃它们的缺点。

设计思路是：

使用光敏二极管组成比较电路，得到昼夜检测电路。

当装置处于白天时，装置启动，开始工作；黑夜到来时中断响应，系统降低能耗，处于等待的休眠状态，等待白天的到来[13]。

采用光敏元件光敏二极管组成判断电路，晴天时采用光电追踪，阴天或者光线较弱时采用时间追踪。

时间追踪系统实用万年历芯片组成时间电路，采用单片机作为中心系统。

光电-时间追踪流程如图2-5所示。

图2-5光电-时间追踪流程图

从实际需求出发，经过选择比较之后，最终选择使用光电-高度角方位角追踪方式。

2.2云图采集设备的系统构成

本文设计的云图采集设备是一款可见光气象观测成像仪，成像仪的系统主要由单片机控制器、云台驱动器、步进电机、云台、传感器及手动控制矩阵键盘组等成，如图2-6所示。

在可见光气象观测成像仪的控制系统中，单片机为处理中心，步进电机为动力部分，云台为执行部分，传感器为反馈部分。

图2-6控制系统组成图

云台具有两个旋转自由度并具备自锁功能，可以调整安装在工作台上物体的位姿。

当单片机开始工作时，作为处理中心，单片机通过处理计算得到此时太阳的位置，又根据电子罗盘和加速度计得到云图采集设备的位姿，对得到的数据进行比较、处