科研速递 | 钱辉环教授团队在国际智能控制与自动化领域顶级期刊IEEE TASE上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院钱辉环教授团队在《IEEE Transactions on Automation Science and Engineering》发表题为“Design and Control of a Wave-Driven Solar Tracker”的文章。

下载链接：

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9796151

期刊介绍

IEEE Transactions on Automation Science and Engineering（IEEE TASE）由IEEE国际机器人与自动化协会（IEEE RAS）主办，是国际智能控制与自动化领域的顶级期刊。该期刊自2004年创刊至今，已有16年历史。IEEE TASE出版关于自动化的基本论文，强调推进效率、质量、生产力和可靠性的科学成果。该期刊是JCR Q1期刊，归类为自动化与控制系统， 2021年度影响因子为6.636。

研究背景

传统的太阳能电站可以通过电机主动驱动，调节光伏板对准太阳，但是结构复杂且耗能大。在水面太阳能发电系统中，如何通过波浪的作用，高效利用底座的运动来使光伏板对准太阳？我们提出了一种波浪直接驱动的太阳能跟踪器，不使用诸如电机等执行器，而是通过电磁制动器来锁定关节的位置。不仅节能，且具有比主动式跟踪器更简单的结构和硬件。我们对系统进行建模，并提出了控制方案，利用惯性和重力驱动光伏板。还实时观测补偿风的扰动以增强系统的鲁棒性。我们研究了运动规划策略以优化太阳追踪时的关节的运动。为了验证系统的可行性，进行了室内和户外实验。实验结果表明，即使在底座晃动幅度小于4度的情况下，该系统也可以正常执行追踪任务。

研究内容

本文提出的太阳跟踪器如图1所示，该装置由正交布置的两个关节构成，其形式如同双轴机械臂。光伏板固定于第二个轴上，每个轴包含一个波浪驱动的关节模块。该模块包含一个动子与一个定子并通过深沟球轴承连接。关节的动子与一个电磁制动器连接，当制动器断电时，关节被固定，当制动器通电后，关节在重力与惯性的作用下进行运动。系统的工作原理如下，本文通过对系统进行动力学建模，利用动力学模型建立底座运动与关节运动的关系，通过IMU反馈的底座运动预测关节制动器松开后关节的运动趋势，并在关节预测运动方向与理想运动方向相同时为制动器上电。在这种情况下，关节便在波浪的影响下，受重力与惯性驱动。

图1. 系统示意图

（a）系统工作示意图 （b）系统各坐标系定义（c）波浪驱动关节结构 （d）电磁制动器工作原理

在本系统中，太阳跟踪器的两个轴可以单独调整，这消除了双轴之间的耦合。因此，系统的动力学可以被解耦，并由与双轴角度相关的两个更简单的模型来表示。本文将底座晃动带来的不确定性视为扰动，基于达朗贝尔原理与拉格朗日第二类方程推导每个轴相关的动态模型。通过建立的动态模型，系统底座晃动与双轴运动间的关系可以实时预测，我们设定当理想运动与预测运动同向时为电磁制动器进行供电。而对于模型中包含的部扰动及不确定项，我们设计滑模观测器进行观测补偿，最终设计的系统控制框图如图2所示。

图2. 系统控制框图

为了测试系统可行性，本文设计室内与室外实验进行测试，室内实验测试了系统在风场扰动下的鲁棒性，室外实验测试了系统在真实水面环境下的可行性。实验场景设计如图3所示。

图3. 实验设计（a）室内实验（b）室外实验

室内实验首先测试了动态模型的精度，首先我们通过设置理想的底座运动，基于理想模型，通过仿真得到平台的运动轨迹。接着我们在实际的伺服平台上执行该底座运动，并得到实际的系统关节运动轨迹。多次实验后。实验显示理想模型与实际模型的结果趋势高度吻合。接着，我们在系统前方通过风机产生9-12 m/s的风场扰动，测试观测器在控制系统中的可行性，我们发现，有风场扰动时，系统可能无法正常工作，当使用观测器后，系统恢复正常工作。此外观测器的使用显著减少了调节固定角度所需要的时间。

接着我们在户外进行了测试，在两组实验中设置了两组轨迹，每条轨迹有三组关键点，本系统通过水面的晃动调节自身姿态追踪这些轨迹。实验结果如图4。在水面晃动幅度不足4°的情况下，该系统仍然可以实现8.89 deg/s 的调节速度。

图4. 户外循迹测试

作者简介

第一作者：许若愚

许若愚，2015年在合肥工业大学获得工学学士，2018年在华中科技大学获得硕士学位。目前在香港中文大学（深圳）计算机与信息工程博士项目攻读哲学博士学位。其目前的研究方向为水面机器人的运动控制，机器人系统设计，动力学与运动规划。

通讯作者：钱辉环教授

钱辉环教授2004年在中国科技大学获得工学学士。他于同年加入香港中文大学自动化与计算机辅助工程学学系，担任助理研究员。2010年获得自动化与计算机辅助工程学哲学博士学位。此后在机械与自动化工程学系，历任副研究员、研究助理教授。2015年加入香港中文大学（深圳），兼任深圳市人工智能与机器人研究院副院长、机器人与智能制造国地联合工程实验室副主任。

钱教授发表了2部专著、1部编著、140篇国际期刊以及国际会议论文，并取得逾35项授权的专利。他主持完成了1项国家自然科学基金重点类项目、2项香港特区政府资助的项目，并作为项目第二负责人或核心成员完成了超过10项在香港和内地的项目。由于其在全方位汽车转向界面方面的工作，钱教授和他的科研团队获得IEEE/ASME 机电一体化学报2011年度最佳论文奖。他近期指导研究生和本科生在国际会议上多次获奖，包括IROS2020最佳应用论文提名奖、ROBIO2019最佳论文提名奖、RCAR2019最佳论文提名奖、WCICA2018最佳学生论文提名奖。他曾担任中国工程院院刊FITEE的机器人特刊副主编，现担任机器人顶会ICRA副编辑、IROS副编辑、RSS领域主席。

他的研究方向包括机器人与智能系统，近期专注于海洋机器人的研究。

【 END 】

点击以下链接，进入理工时刻：