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

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

Chuyên ngành: K thu n t

Hà N i - 2015

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

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

u c c s 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

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 8

II NGUYÊN T C HO 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

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

Tên vi t t t Ti ng Anh Ti ng Vi t

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

ng phát tri n tích h p

LSTM Local Solar Time Meridian Gi kinh tuy

TC Time Correction Factor H s hi u ch nh th i gian

JTAG Joint Test Action Group Chu n giao ti p g l i JTAG

HDMI High-Definition Multimedia

Interface

Giao diphân gi i cao

SPI Serial Peripheral Interface Giao di n ngo i vi n i ti p

LCD Liquid Crystal Display Màn hình hi n th tinh th l ng

hình ch khách

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 15

Hình 6: La bàn s t nghiêng so v i m t ph ng n m ngang c t 16

Hình 7: Các góc quay trên các tr c t 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 u khi 32

Hình 18: K t n c v i m 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 ng 55

th ng yên 56

th so sánh các góc chúc khi IMU chuy ng 56

l ch v góc c a h th ng so v i m t tr i và góc quay c 58Hình 30: Góc quay c ng to t hình 29) .59

B ng 1: Các thông s k thu t c a kit BeagleBone Black 24

B ng 2: Th t c u khi c 31

B ng 3: Th t c u khi n n c 32

B ng 4: Các t c SysFS c a GPIO .38

B ng 5: Th t c u khi n 46

M U

N

H

Tuy nhiên,luôn

l

lai.

thành ngay sau

là

[4] Theo nghiên

18

[3]

k

không chính xác.

c)

hv

ng nam và quay l i theo chu k Gây ra b i s nghiêng c a T t v

II.2 T di chuy n c a tàu

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]:

1sin sin(Lat)sin( ) cos(s Lat) cos( ) cos( )s h s , (9)

h

S d ch chuy n c a tàu:

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

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 ng lên

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

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,

c a tr c tính theo công th c sau [7]:

, (12)t

V trí c l ch c a tàu so v ng b c-nam Trong n i

v ng b c-nam

II.4.1.

ng b c, nam, ây trên m t t c phát tri n và s

i và c s d ng r ng rãi trong

Ngày nay, c m bi n la bàn s c ch y c s n xu t d a trên công ngh

H n ch :

(14)

Hình 6

gi i quy t h n ch trên, chúng ta c n s d ng la bàn 3 tr c (X-Y-Z) và c m

bi n IMU u ch nh ng c a v t th d a trên nghiêng c a la bàn

Góc chúc ( ):

trong u ra c a c m bi n gia t c theo các tr c X, Y, Z

Tính các góc quay d a trên d li u u ra c a con quay h i chuy n:

cos( ) sin( )sin( ) cos( )sin( )cos( ) sin( )

h h

h

o h

h

h o

M a b l c thông th p [11] [13] là l c ra nh i ng n h n và

th p:

11

thu c vào các h ng s b l c (trong ví d này là 0.98 và 0.02) và th i gian l y m u (dt).

B l c thông cao [14] l c ra nh ng d li u nh theo th i gian và lo i b

d li c t c m bi n c a gia t c và c m bi n con quay h i chuy n B tích

tính góc quay c a IMU t i m t th m d a trên s i

c a v n t c góc gyroData ( 0 /s) trong m t kho ng th i gian dt (s) nh nh

Các thành ph n d li c t c m bi n gia t c nh trong m t kho ng

th i gian dài D x d ng b l c thông th p cho các thành ph n

d li u này D li u t c m bi n con quay h i chuy n ch y ng n h n,

nó s b trôi sau m t kho ng th dài Vì v y b l c s

d x lý d li u t c m bi n con quay h i chuy n Vì các c m bi n gia t c và

l y m u c a IMU là c s c a b l c thông th p và b l c thông cao

ng h p này

Khi k t h p các thành ph n c a h th ng trên ta có p a b l c bù[11]:

H s c a b l c tính theo công th c(23) là h ng s th i gian

H ng s th i gian ( c ch n sao cho ph i l ng th i gian c a nhi u

n hình trên c m bi n gia t ng th i giá tr này ph m b m

g c c a c m bi n c a c m bi n không b l ch trong m t kho ng ch p nh c

Ví d i v i c m bi n IMU, thành ph n u ra t con quay h i chuy n x y ra

hi m không v i v n t c ±200/s [15] trên toàn d i ±20000/s [16]

v y hi m không s chi m kho ng 1% toàn d

gi m hi m không, chúng ta có th ch n h ng s th i gian nh

giây N u chúng ta ch n h ng s th i gian = 0.75s < 1s V i t n s l y m u là

ng v i kho ng th i gian gi a 2 l n l y m u là 0.02s H s c a b

l c s có giá tr

0.96150.5 0.02

tính theo công (21)

Hình 10

USB 2.0 client USB0

USB 2.0 host USB1

chân 3.3V TTL 10/100, RJ45

SD/MMC

micro SD 3.3V

16bit

39.68g 5V, 3.3V

Hình 11: Kit BeagleBone Black (Rev C).

ên 35 Capes khác nhau cho BeagleBone Black

Beaglebone

b)

kit Beagl

IMU.

chân IN1, IN2, IN3, IN4.

Giao

Hình 20

và các Hnày là thread:

h

0 và 1

Hình 21: Các c trên BeagleBone Black (65 chân)

/sys/class/gpio/export

thông qua các hàm system call):

GPIO:

Các thao tác gia

b) IMU MPU6050.

C m bi n MPU6050 s d giao ti p v i b u khi n Trong h

th ng này MPU6050 ho ng ch slave v a ch là 0x68 Các thao tác giao ti p v i c m bi n bao g m:

Kh i t o c m bi n:

C u hình:

c các giá tr v n t c góc t c m bi n:

III.2.2.3.

-0

5: T Chân

[20, 21]IMU

a) Tính góc nghiêng ( ) và góc chúc ( )

III.2.2.2 b)nghiêng, góc chúc

cho cùng c

ính toán (15) và (16) Tuy nhiên, trong

Hàm "ComplementaryFilter

IMU

chúcnghiêng (

Hình 23: Mô Hình 23

quay

, góc

a)

Hình 24 và Hình 25 so sánh các góc nghiêng

nghiêng

thành

Hình 24Hình 24

dài, tuy nhiên trong kho

cgóc chúc (Hình 26, Hình 27)

Hình 26 MU

Hình 27

Hình 28Hình 28

và góc chúc khác không

Hình 30 Hình 29).Hình 30

và gó

5.6250

2.81250(n * 2.81250)

chính xác cao

IV.3.

2.81250 P

cao[19]

ánh sáng; c ng; p

TÀI LI U THAM KH O

Ti ng Vi t:

d ch t ngu n tin t hãng tin CNBC thu c T

5 National Geographic Environment (2007), "Wind Power", accessed on 14

November 2015, global-warming/wind-power-profile

http://environment.nationalgeographic.com/environment/-6 Budhy S., Mauridhi H.P., Mochamad A (2012), "Artificial Intelligent based Modeling of Mobile Solar Tracker for a Large Ship", Graduate School of

Industrial Technology, Sepuluh November Technology Institute

7 Budhy S., Mauridhi H.P., Mochamad A., Takashi H (2013) Advanced Control Of On-Ship Solar Tracker Using Adaptive Wide Range ANFIS

International Journal of Innovative Computing, Information Control Volume

9, Number 6, June 2013, pp 2595-2596

8 Honeywell Inc (1995) Compass Heading Using Magnetometers

Application Note AN203, 7/95 rev A

9 Freescale Semiconductor Inc (2013), Tilt Sensing Using a Three-Axis Accelerometer Application Note AN3461 Rev 6, 03/2013

10 Caruso M (1997), "Applications of Magnetoresistive Sensors in Navigation Systems", SAE Technical Paper 970602.

11.Shane C (2007) The Balance Filter - A Simple Solution for Integration Accelerometer and Gyroscope Measurements for a Balancing Platform

Rev.1: Submitted as a Chief Delphi white paper - June 25, 2007

12.Christiana H., Stuart B The Sun's Position , Photovoltaic (PV) education

Solar Power Lab, ASU, sunlight/suns-position

http://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-13 Julius O., Smith III (2007) Introduction to digital filters with audio applications September 2007 Edition

14 John G.P., Dimitris G.M (1996) Digital Signal Processing Principles, Algorithms, and Applications-Third Edition

15 InverseSense Inc (2011) MPU-6000 and MPU-6050 Product Specification Revision 3.1 PS-MPU-6000A-00 Rev 3.1, 10/24/2011

16 InverseSense Inc (2012) MPU-6000 and MPU-6050 Register Map and Descriptions Revision 4.0 RM-MPU-6000A-00 Rev 4.0, 03/09/2012

17 Honeywell Inc (2013), HMC5883L_3-Axis_Digital_Compass_IC Form #

900405 Rev E, February 2013

18 Hossein M., Alireza K., Arzhang J., Hossein M., Karen A., Ahmad S (2009) A review of principle and sun-tracking methods for maximizing solar systems output Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, pp

1800 1818

19 Seme S., G (2013) Single or dual axis trackers, control systems and electric drive losses for photovoltaic applications , Renewable

Energy and Power Quality journal, ISSN 2172-038 X, No.11, March 2013

20.Ha, L M., Tan, T D., Long, N T., Duc, N D., & Thuy, N P (2007) Errors determination of the MEMS IMU Journal of Science VNUH, July, pp 6-12.

21.Tan, T D., Ha, L M., Long, N T., Thuy, N P., & Tue, H H (2007)

Performance Improvement of MEMS-Based Sensor Applying in Inertial Navigation Systems Research-Development and Application on Electronics,

Telecommunications and Information Technology, (2), pp 19-24

22.Duc-Tan, Tran, Paul Fortier, and Huu-Tue Huynh "Design, Simulation, and Performance Analysis of an INS/GPS System using Parallel Kalman Filters

Structure." REV Journal on Electronics and Communications, Vol 1, No 2,

April June, 2011, ISSN 1859-378X, pp 88-96

23.Tan, T D., Tue, H H., Long, N T., Thuy, N P., & Van Chuc, N (2006,

November) Designing Kalman filters for integration of inertial navigation system and global positioning system In The 10th biennial Vietnam

Conference on Radio & Electronics, REV-2006 Hanoi, November 2006, pp 226-230

24.Tan, Tran Duc, Nguyen Tien Anh, and Gian Guoc Anh "Low-cost Structural Health Monitoring Scheme Using MEMS-based Accelerometers." Intelligent

Systems, Modelling and Simulation (ISMS), 2011 Second International Conference on IEEE, 2011, pp 217-220

#ifdef SYSTEM_GPS_DEVICE_ENABLED

#if (SYSTEM_GPS_DEVICE_ENABLED == STD_ON)

/* variables used to store gps data */

static nmeaINFO info;

static nmeaPARSER parser;

static nmeaPOS dpos;

#endif

#endif

static float roll, pitch;

static hmc5883l_output_data_t g_compass_data;

#if (SYSTEM_GPS_DEVICE_ENABLED == STD_ON)

static void gps_recv_task(void);

#endif

#endif

static void ins_recv_task(void);

static void compass_recv_task(void);

static void data_process_task(void);

// static int date_of_year(int day, int month, int year);

static int get_day_cnt(void);

static float get_solar_direction(void);

pthread_t ins_thread, compass_thread, data_process_thread;

#endif

// pthread_t gps_thread, ins_thread;

char msg_table[4][1024] = { "gps thread is initializing ",

"ins thread is initializing ",

"compass thread is initializing ",

"data processing thread is initializing ", };

/* initialize new thread for reading and parsing data from gps device */

#ifdef SYSTEM_GPS_DEVICE_ENABLED

#if (SYSTEM_GPS_DEVICE_ENABLED == STD_ON)

if(0 > pthread_create(&gps_thread, NULL, (void *)gps_recv_task,

(void*)msg_table[0])) {pabort("Unable to create new thread\n");

}

#endif

#endif

#ifdef SYSTEM_IMU_DEVICE_ENABLED

#if (SYSTEM_IMU_DEVICE_ENABLED == STD_ON)

/* initialize new thread for reading and parsing data from ins device */if(0 > pthread_create(&ins_thread, NULL, (void *)ins_recv_task,

(void*)msg_table[1])) {pabort("Unable to create new thread\n");

}

#endif

#endif

#ifdef SYSTEM_COMPASS_DEVICE_ENABLED

#if (SYSTEM_COMPASS_DEVICE_ENABLED == STD_ON)

if (pthread_create(&compass_thread, NULL, (void *) compass_recv_task,

(void*) msg_table[3]) < 0) {pabort("Unable to create new thread\n");

}

#endif

#endif

#ifdef SYSTEM_DATA_PROCESS_ENABLED

#if (SYSTEM_DATA_PROCESS_ENABLED == STD_ON)

/* initialize new thread for processing data from sensors */

if(0 > pthread_create(&data_process_thread, NULL, (void

*)data_process_task,

(void *)msg_table[4])) {pabort("Unable to create new thread\n");

* @brieft This task get gps data from gps device

* @detail Get location information (longtitude, latitude) from gps device, convert them to radian

* values and forward them to data processing task

// unsigned int size,i;

unsigned int size;

char rMessage[1024];

char buff[2];

/* initialize gps device */

if (0 > (gps_fd = gps_init())) {

perror("GPS device cannot be initialized.");

exit(1);

}

// open output file for writing

// file_fd = open("gps_output.txt", O_RDWR | O_CREAT | O_APPEND );nmea_zero_INFO(&info);

nmea_parser_init(&parser);

while (1) {

#if 0

if(1 != (size = read(gps_fd,buff,1))) {

perror("Error was occurred while reading gps device.\n");// break;

}

#else

if (0 >= (size = read(gps_fd, buff, 1024))) {

pabort("Error was occurred while reading gps device.\n");exit(1);

do {

if(1 != (size = read(gps_fd, buff, 1))) {

perror("Error while reading character from gps device.\n");

/* Add null terminator to rMessage */

float degX, degY, degZ;

pitch = atan2(-acc_data.accel_xrate, acc_data.accel_zrate) *