CN102902975A - 一种基于cmos导航相机的太阳定位方法 - Google Patents

Abstract

一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，步骤为：(1)获取图像；(2)图像二值化；(3)设置太阳半径为R像素；(4)设置黑太阳直径为d像素，以d为步长从二值图像上查找黑太阳像素点，找到一个即停止并进入下一步；(5)计算黑太阳像素点上下左右各d个像素点中值为0的个数，如果结果位于阈值区间则进入下一步，否则继续查找；(6)将黑太阳像素点及其周围像素值为0的区域视为圆形，以其圆心为中心构建边长为d和的两个正方形，如果边长为d的正方形中像素值为0的像素点个数H1以及边长为

的正方形中像素值为1的像素点个数H2满足

且

则圆心即为太阳的中心；否则返回步骤(4)继续查找。

Description

一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法

技术领域

本发明涉及一种太阳定位方法。

背景技术

传统的太阳定位装置是专用的太阳敏感器，包括基于太阳电池的编码、模拟太阳敏感器，近几年又出现了基于掩模孔的APS太阳敏感器，以上装置的特点是利用小光阑(狭缝、掩模孔)减弱太阳能力，根据光电进行探测。

光电效应的太阳跟踪定位技术按照识别太阳位置的方法分为：狭缝成像、质心求解以及四象限偏差。狭缝成像的方法主要应用于太阳敏感器中，通过太阳光线射过狭缝的夹角求出太阳方位。质心求解的方法主要是通过辨识出太阳光斑范围的质心来获取太阳的方位。四象限偏差的方法是利用太阳光斑在四个象限产生的不同光电流信号差驱动光敏面与太阳对准，但该方法得不出太阳的方位。这三种方法都是以整个太阳光斑为辨识单位，辨识精度低，加之太阳影像为非标准圆且受杂光影响很大，以上三种方法仅仅将太阳建模为一个近似圆形亮斑，计算误差会很大。

另外，太阳跟踪定位技术广泛应用太阳能电池板发电、大气监测等地面民用领域，主要方式为天文计算，即严格按照相关天文计算公式编写，在研究太阳能利用所涉及到的日地距离、积日、太阳赤纬角、太阳时角、时差、年度订正、经度订正、时刻订正等概念和计算方法后，得出复杂的计算程序。此方法完全摆脱感知太阳，单纯依靠经验公式，计算复杂精度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，利用CMOS光电探测器自身的强光成像效应太阳图像的中心为黑点的方法，辨识出太阳中心黑暗部分，解决了现有方法定位过程中太阳亮斑易受大气、杂光和太阳活动干扰影响定位精度低的问题，提高太阳定位的精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，步骤如下：

(1)采用CMOS导航相机获取一幅包括太阳在内的图像；

(2)对步骤(1)获得的图像进行二值化处理，将图像中太阳所在范围内所有像素点的最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，将图像中灰度值不小于阈值的像素点的像素值设为1；

(3)在二值图像上，设置太阳半径所包括的像素个数R；

(4)在二值图像上，设置黑太阳直径所包括的像素个数d，以d为步长从二值图像首行起始位置开始逐行查找黑太阳像素点，查找条件为：像素值为0且从该像素点所在位置沿其所在行向左或者向右移动步长d后对应的像素点的像素值为1，设满足查找条件的黑太阳像素点位于第i行第j+d列，每次找到一个黑太阳像素点后即停止查找进入下一步；如果遍历完二值图像后仍未查找到满足条件的黑太阳像素点，则返回步骤(3)改变R值后重新执行本步骤；

(5)对于查找到的黑太阳像素点，计算其上下左右各d个像素点共4d个像素点中像素值为0的像素点的个数，如果计算结果位于阈值区间(d，2d-1)，则进入下一步；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；

(6)将黑太阳像素点及其周围像素值为0的区域视为一个圆形，求出其圆心，以圆心为中心，分别构建边长为d和的两个正方形，计算边长为d的正方形中包含的像素值为0的像素点个数H1以及边长为

的正方形中包含的像素值为1的像素点个数H2，如果

且

则圆心即为太阳的中心；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；其中Δ和ε为误差调整系数。

所述步骤(6)中求取圆心的方法为：从像素点(i，j+d)所在位置开始，向上下左右四个方向开始查找像素值为1的四个点，上、下两个点的纵坐标均值以及左、右两个点的横坐标均值分别作为圆心的横坐标和纵坐标。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)普通跟踪和定位方法是以整个太阳为辨识目标，由于目标视场范围较大，导致定位时的精度较低，且定位速度较慢；而本发明方法通过CMOS的特殊成像功能将太阳中心的可能范围缩小在一个很小的“黑太阳”区域内，相当于缩小了视线夹角，因此方法简单，定位精度高；

2)由于大气散射，云层反射等会导致太阳非圆形化，造成极大的识别困难。在此情况下，通过调整曝光时间获得的不同太阳影像中，如果继续采用现有方法则太阳中心位置变化明显，太阳定位的误差明显较大；采用本发明方法，由于选取太阳中心的黑太阳作为识别对应，而黑太阳不受外界环境干扰，因此其中心位置几乎不变，据此进行太阳定位可以克服干扰，获得更高的定位精度；

3)当太阳影像不完全在视场之内时，采用现有方法则会完全失效，无法完成太阳定位。本发明方法为此重新定义图像，它比原图像矩阵长宽各多2R(R为太阳半径)。此图像的中间像素值等于原图像的像素值，周围四个宽度为R的边设为太阳光斑的亮度(大于250灰度值即可)，相当于将太阳没有成像的部分引入，由此可以保持太阳图像的完整，从而能够正常识别。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明预估黑太阳位置示意图；

图3为本发明黑太阳粗面积阈值范围示意图；

图4为本发明确定黑暗部分中心示意图；

图5为本发明精判黑太阳面积和判定太阳面积示意图。

具体实施方式

我国首个月面巡视器的太阳定位方法以APS太阳敏感器为主，但考虑到月尘影响、杂光影响、车体遮挡影响等，仍需要考虑其他光学敏感器是否具有太阳定位能力。导航相机位于桅杆之上可以实现大范围俯仰、偏航运动，在室外实验中可以实现对太阳成像，根据CMOS光电探测器自身的强光成像效应太阳图像的中心为黑点(在文献中称为“BIack Sun Effect”)，基于这一特点本发明提出了一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，使得导航相机既具有月面图像拍摄能力又具有太阳定向能力。

太阳中心的投影接受到的太阳照射最多，而边缘相比则较少。CMOS敏感器(如CMV4000)具有一种特性——黑太阳现象，在光照及其强烈的情况下不是呈现高灰度，而是表现出低灰度。如果对准太阳则会产生太阳中心暗，太阳边缘亮的奇异现象。这是由于太阳中心比太阳的边缘部分亮度要高，使得中心点曝光曲线斜率较大，在较短时间内达到饱和，而在接近饱和时又采集了复位电压，最后采集的曝光电压也是饱和电压，导致双采样也就是两者之差大大降低，呈现低灰度。

如图1所示，为本发明方法的流程图，主要步骤如下：

1)图像预处理。

为降低程序复杂度，将图像二值化且以太阳目标的最低灰度值作为阈值将太阳与其他背景区分开来。具体可将低于阈值的背景像素值设为0，太阳光斑像素值设为1；

2)设置太阳半径

由于曝光时间、日机距离(太阳离敏感器距离)等因素影响，太阳在图像上的影像大小会有所不同。本发明从太阳影像半径90个像素开始估计。如果在一次图像查找过程中没有找到黑太阳，则降低太阳半径重新查找；

3)预估黑太阳位置

黑太阳也可看作是以直径为d个像素的近似圆。也就是说在黑太阳里的以任何一个像素为基准d个像素之外任何方向的像素都可认作不是黑太阳的像素。如图2查找黑太阳，以d为步长依次逐行遍历整幅图片，采用前一个像素的值为1且d个像素后的值为0为判断条件，则可确定为黑太阳的可能位置(i，j+d)，则可进行4)。如果整幅图像都未辨识出黑太阳，则从2)开始设置太阳半径重新辨识图像；

4)粗估黑太阳面积是否大于阈值

计算像素(i，j+d)的上下左右d个像素的共4d个像素值的和。如图3所示，阈值范围的上限值是点(i，j+d)在黑太阳中心，下限值点(i，j+d)在黑太阳边缘。判定它是否在阈值范围(d，2d)内。阈值以内表明检验到有接近黑太阳大小的暗区域，以外则需要从3)继续查找可能的黑太阳点；

5)查找黑太阳中心

以当前暗区域为对象，将其看作一个圆形，求出其中心。如图4所示，从像素(i，j+d)开始上下左右四个方向开始查找到像素值为1的四个点(i，j+d+x)、(i，j+d-y)、(i+z，j+d)和(i-w，j+d)，横纵坐标分别取中值可得黑太阳中心坐标(aa，bb)＝(i+z/2-w/2，j+d+x/2-y/2)；

6)精估黑太阳面积和估计太阳面积

步骤4)粗估可能误认黑太阳。需通过统计黑太阳面积和太阳面积进一步加以确认。其原理如图5所示，以5)中确认的黑太阳中心(aa，bb)为中心，分别构建边长为d和

的两个正方形，计算边长为d的正方形中包含的像素值为0的像素点个数H1以及边长为

的正方形中包含的像素值为1的像素点个数H2，如果 $\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}-\mathrm{\Δ}\≤H1\≤\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}+\mathrm{\Δ}$ 且 $H2\≥2R^2-\frac{\mathrm{\π}{d}^2}{4}-\mathrm{\ϵ},$ 则点(aa，bb)为太阳的中心；否则返回步骤3)从上一次的查找结束位置继续查找；其中Δ和ε为误差调整系数。由于太阳和黑太阳之间的边界像素可能为1或0，偶然性较大，所以要设定一定余量误差Δ，一般设为黑太阳周长的一半。由于光学环境条件，太阳可能为非圆，正方形截取的面积可能不全是太阳面积，所以需要减去一个数值ε。

7)太阳中心坐标

经过6)的检验，黑太阳中心坐标(aa，bb)即是所求的太阳中心。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，其特征在于步骤如下：

(1)采用CMOS导航相机获取一幅包括太阳在内的图像；

(2)对步骤(1)获得的图像进行二值化处理，将图像中太阳所在范围内所有像素点的最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，将图像中灰度值不小于阈值的像素点的像素值设为1；

(3)在二值图像上，设置太阳半径所包括的像素个数R；

(4)在二值图像上，设置黑太阳直径所包括的像素个数d，以d为步长从二值图像首行起始位置开始逐行查找黑太阳像素点，查找条件为：像素值为0且从该像素点所在位置沿其所在行向左或者向右移动步长d后对应的像素点的像素值为1，设满足查找条件的黑太阳像素点位于第i行第j+d列，每次找到一个黑太阳像素点后即停止查找进入下一步；如果遍历完二值图像后仍未查找到满足条件的黑太阳像素点，则返回步骤(3)改变R值后重新执行本步骤；

(5)对于查找到的黑太阳像素点，计算其上下左右各d个像素点共4d个像素点中像素值为0的像素点的个数，如果计算结果位于阈值区间(d，2d-1)，则进入下一步；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；

(6)将黑太阳像素点及其周围像素值为0的区域视为一个圆形，求出其圆心，以圆心为中心，分别构建边长为d和

的两个正方形，计算边长为d的正方形中包含的像素值为0的像素点个数H1以及边长为

的正方形中包含的像素值为1的像素点个数H2，如果

且

则圆心即为太阳的中心；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；其中Δ和ε为误差调整系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，其特征在于：所述步骤(6)中求取圆心的方法为：从像素点(i，j+d)所在位置开始，向上下左右四个方向开始查找像素值为1的四个点，上、下两个点的纵坐标均值以及左、右两个点的横坐标均值分别作为圆心的横坐标和纵坐标。

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