[发明专利]晾衣架的晾衣杆的阳光追踪方法

权利要求书

1.一种晾衣架的晾衣杆的阳光追踪方法，其特征在于：由圆柱罩顶端的透光孔入射的太阳光，由4个光敏传感器检测，对于光强度检测值为最大的光敏传感器所在位置，若判断当前光照强度为晴天的光照强度，则所述位置角度作为舵机的随动转动所到达的位置角度；

对4个方向的光强进行检测，分为左右光强偏差检测和上下光强偏差检测，控制系统采集4路光敏传感器的电压值，转换成数字信号后存入相应的变量内，把每对光敏传感器的电压差转换成相应的脉冲周期信号，驱动舵机转动，减小偏差，而后继续采集信号，直到偏差范围允许之内时，光电跟踪停止，达到定位追踪的目的；

若GPS监测滑动晾衣杆所在位置的经纬度，判断当前光照强度为阴天的光照强度，进行视日运动轨迹追踪，控制系统的时钟芯片读取即时时间，使用GPS数据及内设函数计算出太阳角度，并控制舵机按计算出的轨迹运转以追踪太阳；

智能逃生晾衣架还包括用以监测滑动晾衣杆所在位置的经纬度的GPS，以在阴天进行视日运动轨迹追踪，控制系统的时钟芯片读取即时时间，使用GPS数据及内设函数计算出太阳角度，并控制舵机按计算出的轨迹运转以追踪太阳；

太阳光追踪方式有两种，一是光电检测追踪模式，通过对太阳光的即时检测来进行追踪；另一种则是视日运动轨迹追踪模式，通过预先设定函数来计算太阳的方位，进行固定转动进行追踪；

光电检测追踪模式、视日运动轨迹追踪模式两种追踪模式被结合起来对太阳光进行追踪，晴天的时候，光照强度充足，使用光电检测追踪模式，光照强度不足时，使用视日运动轨迹追踪模式；

舵机每个角度对应不同的控制脉宽，假设舵机初始角度为0°，当给出脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM控制信号时，舵机以400°/s的速度旋转至180°，旋转时间为0.45s，配置一次数据可以产生脉宽为2500ms、周期为20ms的PWM信号，舵机以最快转速转向对应角度，现控制要求变为舵机以60°/s的速度由0°转至180°，这时采用通用PWM信号发生器需要配置多次，每周期的PWM信号脉宽由0°对应的500ms线性变化至180°对应的2500ms，具体算法如下：

设舵机旋转时间为t，PWM控制信号周期T为20×10^-3s，0～180°对应脉宽为0.5×10^-3～2.5×10^-3s，初始角度为α，终止角度为β，则：

需要产生的PWM周期数c＝t/T

初始角度对应脉宽：

终止角度对应脉宽：

每周期PWM信号变化脉宽：T_τ0表示角度增加,T_τ0表示角度减小；

以上T_α、T_β、T_τ的单位都是秒，配置PWM信号发生器时需要转换成TIMER的计数脉冲个数，使用普通PWM信号发生器进行舵机转速控制时需要配置c次，舵机各项参数已知，舵机初始角度已锁定，若舵机需转动至某角度时，只需算出整个控制过程需要产生的PWM周期数c和每周期PWM信号变化脉宽T_τ即可；

光电检测追踪模式及舵机：

光电检测追踪模式

由光敏传感器确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴、晴天的光敏传感器检测光照强度，判断是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若达要求，由传感器即时感应阳光入射方向，产生的电信号由运算放大器放大后传送给单片机，再由单片机控制舵机运转来改变晾衣杆的朝向，来达到预定要求；

是由传感器即时感应阳光入射方向的系统，由4个光敏传感器构成，这4个光敏传感器是按一定的分布安装在一个圆盘上面的，在圆盘的外面套上的中空的圆柱罩做筛选接收阳光的用处，圆柱套顶上有一个透光孔；

圆柱的高度H，计算方式如下：假设太阳此时入射角度不是垂直，而是一个倾斜角θ，根据需要的倾斜角θ来计算出圆柱罩应该的高度，在15分钟内，阳光在圆柱罩内圆盘上移动的距离x不小于0.5个光敏传感器的直径，即2.5mm，但是也不超过1.5倍光敏传感器直径加6mm的间隙＝13.5mm；可以得以下公式：

又因为15分钟太阳移动的角度θ几乎为一个定值，即：太阳白天12小时移动180°，既1小时移动15°，所以15分钟接近移动了4°，因此可知道36mm≤H≤193mm；因此综合考虑到圆柱不宜过高，且尽量避免在每15分钟时恰好出现光柱移动到两个传感器之间的间隙中，取圆柱H＝50mm；

视日运动轨迹追踪模式及舵机：

视日运动轨迹追踪模式

首先是由光敏传感器确定光照强度达到启动整个系统的程度，然后再由检测阴晴天的光敏传感器检测光照强度是否达到启动光电检测追踪模式的要求，若是阴天，则转为视日运动轨迹追踪模式，由单片机从时钟芯片读取即时时间，用内设函数计算出太阳角度，控制舵机按计算出的轨迹运转，追踪太阳；

太阳的运行轨迹是在一个立体层面上的，用两个参数来表示：太阳高度角以及太阳方位角；太阳高度角：太阳高度角是指从太阳的中心直射到当地光线与该地水平面夹角，其值在0°到90°之间变化，太阳刚出来和刚落下的时候算做0°，然后正午12点的时候，竖直的物体看不到影子的时候算做90°；太阳方位角:太阳方位角即太阳所在方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可以近似的看作为竖立于地面之上的直线在日光下阴影与正南面的夹角；方位角以正南方向为零，由南向东为负，由南向西为正，如太阳在正东方，那么影子就是在正西方，方位角就为-90°，在正西方，影子就是在正东方，那么方位角就是90°；

在一年有365天，设对应的区间在[0,π]，有日角：

R_n取为年的日期序列，然后n就可以把1月1号取做1,12月31号取做365；再使用下面的公式，用弧度来表示赤纬δ：

δ＝0.00689-0.39951cosθ₀+0.07208sinθ₀-0.0068cos 2θ₀+0.0009sin2θ₀-0.00269cos3θ₀+0.00151sin3θ₀

太阳时角取为W，用以下公式进行计算：

W＝真太阳时(小时)×15-180；

式中W单位为度，15表示每小时相当于15°时角

真太阳时＝北京时+(当地经度-120)×4÷60+时差

时差(弧度)＝

0.000076+0.001869cosθ₀-0.032086sinθ₀-0.014616cos 2θ₀-0.04085sin2θ₀

时差(小时)＝时差(弧度)×12÷π

设太阳高度角和方位角分别为θ_h和θ_p,地理纬度为D，有公式

sinθ_h＝sinDsinδ+cosDcosδcosW

通过GPS测量经纬度数值，即时时间通过读取时钟芯片来获得，任意时间的平太阳位置，角度值都可以获得：

视日追踪与舵机结合：

首先进入太阳角度追踪模式后，从时钟芯片DS1302那里获得当前时间，从GPS模块获得当地经纬度信息，再结合预设的公式，计算出此时的太阳高度角及方位角，将方位角通过计算转换成驱动舵机相应的脉冲周期信号，驱动伺服电机转动，而后继续采集信号，直到达到指定的偏差区间内时，追踪停止，从而达到定位追踪的目的，每15分钟循环光电检测追踪步骤。