Nghiên cứu hệ thống điều khiển bám cho Panel lắp đặt pin năng lượng mặt trời (Luận văn thạc sĩ)

Ngành:

Công ngh

Chuyên ngành:

K thu

Mã s :

60520203

n t Vi n thông
nt

Hà N i - 2015


L IC
c lu
c r t nhi u s
ng viên,
c a nhi u cá nhân và t p th .
c h t, em xin bày t lòng bi
n PGS. TS Tr
c Tân
t
ng d n em th c hi n lu
Em xin c m
h tr m t ph n c
tài khoa h c mã s

trong quá trình em th c hi n lu
ày.
Em xin bày t lòng bi
i các th y cô giáo c a T
i
h c Công ngh - i h c Qu c gia Hà n
i cho em nh ng ki n
th c vô cùng có ích trong nh
c v a qua.
il ic m
i Ban Giám hi
o,
T
i h c Công ngh i h c Qu c gia Hà n i
u ki n cho em
trong quá trình h c t p.
Cu i cùng em xin g i l i c m
n bè nh
ng viên và khuy n khích em trong quá trình th c hi
tài này.
Hà N i, ngày 26
Tác gi

n


L
uc
cs
ng

d n khoa h c c a PGS.TS Tr
c Tân. Các n i dung nghiên c u, k t qu trong
tài này là trung th
i b t k hình th
Nh ng s li u, công th c, hình nh, b ng bi u và các d li u khác ph c v cho vi c
phân tích, nh
c chính tác gi thu th p t các ngu n khác nhau có
ghi rõ trong ph n tài li u tham kh o.
N u phát hi n có b t k s gian l n nào tôi xin hoàn toàn ch u trách nhi m v
n i dung lu
i h c Công Ngh
n
nh ng vi ph m tác quy n, b n quy n do tôi gây ra trong quá trình th c hi n (n u
có).
Hà N i, ngày 26
Tác gi

n


M CL C
M

U....................................................................................................................1

I. T NG QUAN .........................................................................................................3
ng s ch ...............................................................................................3
ng m t tr i .........................................................................................4
I.3. V

c a lu

.........................................................................................6

I.3.1. Gi i pháp ....................................................................................................6
I.3.2. M t s h th ng theo dõi m t tr i hi n nay ...............................................7
I.3.3. M c tiêu c a lu
II. NGUYÊN T C HO

...............................................................................8
NG...........................................................................10

II.1. Qu

o c a m t tr i.....................................................................................10

II.2. T

di chuy n c a tàu ..............................................................................11

II.3. Mô hình toán h c ..........................................................................................12
II.4. H th

xu t ...........................................................................................13
c v c m bi n la bàn s ................................................................13
ng d a trên la bàn s ...........................................14

II.4.3. C m bi n IMU ........................................................................................16
II.4.4.

nh v trí c a tàu d a trên các c m bi n ........................................17

II.4.5. V trí c a tàu so v i m t tr i...................................................................18
II.5. B l c bù .......................................................................................................18
III. MÔ HÌNH TH C T ........................................................................................22
III.1. Ph n c ng.....................................................................................................22
III.1.1. H th

u khi n ..............................................................................23

III.1.2. H th ng c m bi n.................................................................................28
III.1.3. Thi t b truy

ng ..............................................................................29

III.2. Ph n m m.....................................................................................................33
III.2.1. Các thành ph n c a h th ng ph n m m...............................................33
III.2.2. L p trình cho kit ARM BeagleBone Black và các thi t b ...................34


III.2.3. X lý d li u thu th p t các c m bi n .................................................48
chính xác c a d li

c t c m bi n....................49

IV. K T QU ..........................................................................................................52
IV.1. Mô hình ph n c ng th c t ..........................................................................52
IV.2. Nh n xét các k t qu

c ....................................................................54

IV.3. K t qu ch y th h th ng bám m t tr i .....................................................59
V. K T LU N .........................................................................................................60
NG PHÁT TRI N.....................................................................................62
TÀI LI U THAM KH O........................................................................................63
PH L C .................................................................................................................66


DANH SÁCH CÁC T
Tên vi t t t

VI T T T

Ti ng Anh

Ti ng Vi t

IMU

Inertial Measurement Unit

Kh i

GPIO

General Purpose Input Output

C ng

I2C

Inter-Integrated Circuit

Chu n giao ti p n i ti p 2 dây

IDE

Integrated Development
Environment

LST

Local Solar Time

Gi m t tr

LSTM

Local Solar Time Meridian

Gi kinh tuy

LT

Local Time

Gi

TC

Time Correction Factor

H s hi u ch nh th i gian

GMT

Greenwich Mean Time

Gi Greenwich

EoT

Equation of Time

Long

Longitude

Lat

Latitude

MEMS

Micro-Electro-Mechanical
Systems

H th

GMR

Giant magneto resistance

T tr kh ng l

AMR

Anisotropic Magneto
Resistance

T tr

ng

MJT

Magneto amplification in a
bipolar magnetic junction
transistor

C m bi n ti

ng h m

ng phát tri n tích h p

i gian

nt

ARM

Acorn RISC Machine

Ki n trúc ARM

JTAG

Joint Test Action Group

Chu n giao ti p g l i JTAG

HDMI

High-Definition Multimedia
Interface

Giao di
phân gi i cao

EMMC

Embedded Multimedia Card

B nh

ADC

Analog-Digital Converter

B chuy

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao di n ngo i vi n i ti p

PWM

Pulse Width Modulation

LCD

Liquid Crystal Display

Màn hình hi n th tinh th l ng

USB OTG

USB On The Go

Bus USB ho
ng theo mô
hình ch khách

USB

Universal Serial Bus

Chu n k t n i tu n t

TF

Trans Flash

Chu n th nh Trans Flash

ACK

Acknowledged

Tín hi u ghi nh n

SDA

Serial Data Line

SCL

Serial Clock Line

u ch

n nhúng
sang s

r ng xung

ng d li u n i ti p
ng h n i ti p

ng


DANH SÁCH HÌNH V
Hình 1: T

ng m t tr i trên các h th

...........................................6

Hình 2: S d ch chuy n c a tàu. ..............................................................................12
Hình 3: Mô hình toán h c c a tr c X trên m t ph ng Y-Z......................................13
Hình 4: T

ng c

t..................................................................................14

Hình 5: T

ng c

t trên 3 tr c t

Hình 6: La bàn s

.....................................................15

t nghiêng so v i m t ph ng n m ngang c

Hình 7: Các góc quay trên các tr c t

t ...............16

Các ..................................................17

Hình 8: Mô hình b l c bù .......................................................................................20
Hình 9: H th ng theo dõi m t tr i 2 tr c ................................................................22
kh i ph n c ng................................................................................23
Hình 11: Kit BeagleBone Black (Rev C).................................................................25
k t n i các thành ph n c a h th ng...............................................27
m bi n la bàn s GY-271 HMC5883L ....................................28
m bi n IMU GY-521 MPU6050..............................................29
c 28BYJ-48 ..........................................................................30
cu n dây..........................................................................................31
m
Hình 18: K t n

u khi

......................................32
cv im

u khi n ..............................................33

c th c hi n ph n m m c a h th ng ............................................34
Hình 20: X

ng trong h th

u khi n bám m t tr i...........................35

Hình 21: Các chân vào ra kh d ng trên BeagleBone Black (65 chân)...................37
Hình 22: Các thành ph n c a h th ng th c t ........................................................52
Hình 23: Mô hình h th ng bám m t tr i th c t .....................................................53
th

ng yên..................................54

th so sánh các góc nghiêng khi IMU chuy
th
th so sánh các góc chúc khi IMU chuy

ng ............................55
ng yên.........................56
ng .................................56


c d li u t c m bi n la bàn s .............................................................57
l ch v góc c a h th ng so v i m t tr i và góc quay c
Hình 30: Góc quay c

..58

ng to t hình 29). ..........................................59

DANH SÁCH B NG BI U
B ng 1: Các thông s k thu t c a kit BeagleBone Black ......................................24
B ng 2: Th t c

u khi

B ng 3: Th t c

u khi n n

B ng 4: Các t
B ng 5: Th t c

c..........................................................31
c........................................................32
c SysFS c a GPIO. ..................................38

u khi n ........................................................................46


1

M

U

N
.H
Tuy nhiên,
luôn

vào

trong ngày

l
.

I.

ng quan: n
N
.

II.

:n
và

,

.
III. M

p

c


2

lai.


3

I.
I.1.
gây
ô
xét

.
a

ch
chính

tr
[5]

thành ngay sau

là


4

không gây

[2]

phân

Khai thác

N

I.2.

[4]


5

[4]. Theo nghiên
18

[3]
k


6

I.3.
N
.H

V

Hình 1

I.3.1.

.


7

[18].

-

-

I.3.2.

nay

18].
a)

b)
,


8

không chính xác.
c)
h
v

:
Chu
c

hai
b

.

S

I.3.3.

.

góc nâng và
.


9

.
-nam.
la bàn [10]

.
h

rên tàu
.

tàu cùng
).


10

II.
II.1. Qu

o c a m t tr i

Qu
o m t tr i trên h t
i theo
ng t tây sang ông
trên cùng m
ng v
c a m t tr
i t 00 n
1800 so v
o khi m t tr i chi u sáng. T
góc nâng c a m t tr i
là 150/gi
c a m t tr i d ch chuy n t 23.450
ng b c t i -23.450
ng nam và quay l i theo chu k
. Gây ra b i s nghiêng c a T
tv
phía m t tr

ch theo gi
c tính toán theo công
th c sau [6]:
0
s

o

23.45 sin
hs

0

284 n
365

360

o

,

(1)

15o hsn ,

(2)

t
s:

Góc l ch c a m t tr

ng b c-nam.

n:

S th t c

ngày 01 tháng 01.

hsn:

Gi m t tr i tính theo g

.

Tính góc l ch theo gi c a m t tr i:
Gi kinh tuy

c tính theo công th c [12]:

LSTM

150

TGMT ,

(3)

trong
GMT:

nghi
quay c a t

là múi gi so v i gi tiêu chu n GMT

a th i gian (EoT) (tính b ng phút) là m
s a ch
l ch tâm c a qu
oc at
t [12]:

c
nghiêng tr c
,

v

c tính theo công th c sau [12]:

(4)


11

B

n

,

(5)

t
n:

S th t c

.

l ch gi a gi

m t tr
,

(6)

t
Long: K

t iv

nh.

LSTM: Gi kinh tuy
EoT:

a th i gian.

Gi m t tr

c tính theo công th c sau [12]:
LST

Góc l ch theo gi c a m t tr

LT

TC

.

(7)

c tính theo công th c sau [12]:

hsn

LST 12 ,

(8)

t
LST: gi m t tr
II.2. T

di chuy n c a tàu

Khi m t tàu di chuy n, t
c
i. Vì v y góc nâng và
i theo th i gian. Khi tàu m t v trí nh t nh trên trái
t, v
c a nó (Lat) ta có th
c góc nâng c a nó t công th c
[6]:

sin
và g

v A

1

sin( Lat )sin( s ) cos( Lat ) cos( s ) cos( hs ) ,

(9)

c tính theo công th c [6]:

A sin
S d ch chuy n c a tàu:

1

cos( s )

sin( hs )

.
cos( )

(10)


12

M t tàu l n trên bi n th c hi n các d ch chuy n v i 6 b c t do bao g m:
-D
y -D
-N
-

Hình 2

So v i m t tr i, các d ch chuy n x, y, z c a tàu không
ng n v trí góc
c a m t tr
ng tr c ti
n v trí c a góc c a m t
, và
tr i. S

ng trên tr c X bao g m: góc nghiêng

(quay quanh tr c X, theo

vuông góc v i tr c X) và góc
ng

(quay quanh tr
vuông góc v i tr c Z) thay vì góc nâng c a m t tr i trên tr c X . S
tr c Y bao g m: góc chúc (quay quanh tr c Y, theo
Y) và góc
ng , thay vì góc nâng c a m t tr i trên tr c Y.

ng lên
i tr c

II.3. Mô hình toán h c
T k t qu c a phân tích toán h c cho h th ng theo dõi m t tr i trên ta th y,
các tr c t
là trung tâm c
u
u ra. T Hình 3 ta th y góc
c a tr
c tính theo công th c sau [7]:
,
v

sau [7]:

(11)


13

,

(12)

t
x

nghiêng .

-G

ng .

- Góc l ch c a m t tr i trên tr c Y so v i góc chúc
x

- Góc l ch c a m t tr i trên tr c X so v

y

- Góc l ch c a m t tr i trên tr c Y so v
- Góc cu n so v
- Góc chúc ngóc so v

ng.
ng th

Hình 3
II.4. H th

ng.

-Z.

xu t

V trí c
l ch c a tàu so v
tài này, c m bi n la bàn s
cs d
v
ng b c-nam.

ng b c-nam. Trong n i
l ch c a tàu so

II.4.1.
C m bi n la bàn s
ng b c, nam,
d ng g

ng c

ây

t nh
nh các
trên m t t
c phát tri n và s
nh v và theo dõi, ch y u là trong quân


14

i và
r t nhi

c: Ô tô, hàng h

c s d ng r ng rãi trong
, công nghi
n t tiêu

Ngày nay, c m bi n la bàn s
c ch y
c s n xu t d a trên công ngh
MEMS và ho
ng d a trên m t s
n: hi u
n tr
t kh ng l , t tr kh ng l (GMR), c m bi n ti
ng h m (MTJ), t tr
ng (AMR) và l c Lorentz. M i lo i có nh
m
riêng c a nó.

Hình 4

.

II.4.2.
u ra c a la bàn s là t
c theo 3 tr c X, Y, Z l n

t là Hx, Hy,
Hình 5
ng c a v t th theo tr c B c-Nam có th
nh
ch b ng các giá tr t
ng Hx và Hy b
t la bàn s trên m t m t ph ng
n m ngan song song v i b m
ng mà la bàn s ch
c tính toán
d
u ra X, Y c a nó theo công th c [8]:
.

th

n gi i h n c a hàm arctan và d u c
c tính theo b công th c sau [8]:

u vào X, Y

(13)
ng c a v t


15

(14)

Hình 5

H n ch :
(14)

.