CN106774439A - 基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法及装置，方法包括：根据当地时间以及太阳运动规律，计算出该地太阳的赤纬角δ、日角β、时角ω；利用纬度信息、赤纬角δ和时角ω计算出太阳的高度角α及方位角γ并判断出太阳位置；控制云台转动到指定位置；摄像机采集太阳图像进行处理、计算偏差σ；将偏差σ反馈给云台，云台转动来校正图像，实现太阳位置微调，从而进行对太阳轨迹的实时跟踪。并设计了太阳遮挡板，能在实时采集天空全景图像的同时对太阳区域进行遮挡，以保护相机。本发明通过计算偏差σ来对太阳图像进行校正，大大减小了长时间运行后机械装置带来的误差影响，能够有效、准确地对太阳轨迹进行跟踪，增加了太阳光始终与太阳能设备接触面的垂直时间，提高利用率。

Description

基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法及装置
技术领域
本发明属于太阳跟踪与图像处理领域，具体涉及一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法及装置。
背景技术
太阳能作为一种清洁能源，具有可再生、绿色、环保等优点，符合现代社会可持续发展、构建绿色环保社会的理念，具有广阔的应用前景。并且我国“十二五”发展规划纲要已明确提出“重点发展太阳能热利用”，表明太阳能热利用对节能减排工作的重要意义。因此，实时对太阳轨迹进行跟踪，有效增加太阳能设备的转换率和利用率，这一技术至关重要。
传统的太阳能装置基本是固定在某一平面上，当太阳随着时间，地点位置发生改变时，由于倾角的关系，使得太阳光无法直射设备的接触面，导致太阳能利用率降低。为了提高太阳能设备的利用效率，就需要尽可能地增长太阳直射太阳能装置的时间，因此需要跟踪太阳的轨迹，保持太阳光与太阳能装置相对垂直的关系。
在对太阳进行跟踪过程中，能够准确定位太阳位置并且将太阳能装置与太阳光保持垂直是十分重要的。然而，由于实际地理环境条件和机械装置所造成的误差，在经过一段时间后，往往不能够很好地将太阳能装置与太阳光垂直，需要人工进行校正。因此，长时间稳定跟踪太阳轨迹并且减小地理环境造成的实际误差和机械误差成为了该领域的技术性难题。
申请号为201310381564.X的中国发明专利文献“太阳跟踪装置及跟踪方法”公开了一种通过光电探测模块、GPS定位模块、控制模块、传动组件和电机模块的太阳跟踪装置，并利用GPS定位模块和光电探测模块联合判断控制云台转动，实现对太阳的跟踪。
但是现有的太阳跟踪装置中，由于存在机械误差等因素，对太阳的跟踪精度较低，导致对太阳能发电装置的校正准确度较低。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷及不足，本发明提供了一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法及装置，本发明通过实时校正镜头相对太阳的位置，实现了能够长时间高效、准确地对太阳轨迹的跟踪，减小了机械装置带来的误差影响，利用本发明的跟踪结果可以实现对太阳能装置方向的调整，进一步提高太阳能设备对太阳光的利用率。
一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，包括如下步骤：
(1)获取当地地理位置的经纬度信息；
(2)计算出当前时刻该地的赤纬角δ和当前时刻太阳的日角β；
(3)计算出当地真太阳时t1；
(4)根据当地真太阳时计算出此刻太阳的时角ω；
(5)计算出当地当前时刻太阳的高度角α及方位角γ；
(6)根据太阳的高度角α及方位角γ判断出太阳位置，并控制云台旋转到太阳位置；该云台上安装有用于采集太阳图像的摄像机；
(7)云台到达指定位置后，摄像机开始采集太阳图像；
(8)对采集太阳图像进行预处理：灰度化、二值化、连通域提取；
(9)识别出太阳图像中太阳圆心位置；
(10)计算太阳图像中太阳圆心位置与太阳遮挡板圆心(采集图像的中心)的偏差σ；
(11)将偏差σ反馈给云台，控制云台转动，实现太阳位置微调，重复步骤(7)-(10)直至偏差小于设定值(比如σ＝0)，实现太阳图像校正；
重复步骤(2)-(11)实现对太阳轨迹的实时跟踪及校正。
作为优选，步骤(8)中，所述预处理包括：
(8-1)对太阳图像进行灰度化；
(8-2)对太阳图像进行二值化；
(8-3)根据八方向链码提取出灰度化、二值化后图像中的连通域；
(8-4)在提取出的连通域中，筛选出太阳对应的连通域。
上述步骤(8-4)中，筛选出太阳对应的连通域的方法是：计算每个连通域对应的最小外接矩形的长和宽，取最小外接矩形的长和宽最大者，即为所述的太阳对应的连通域。
作为优选，步骤(9)中，所述太阳圆心为所述太阳对应的连通域的质心。
作为优选，所述太阳遮挡板固定在摄像机镜头正前方，且中心与摄像机镜头的中心同轴；步骤(10)中，所述太阳遮挡板圆心为太阳图像的中心。
本发明还提供了一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法装置，包括：
云台控制模块，包括云台和支撑底座，用于在水平和竖直方向上的云台二维方向控制和图像校正；
太阳遮挡模块，包括黑色太阳遮挡板、透明支撑杆，用于遮挡太阳强光，辅助摄像机图像的采集；利用所述透明支撑杆将所述太阳遮挡板固定在摄像机镜头正前方，且中心与摄像机镜头的中心同轴；
图像采集模块，包括数码摄像机、鱼眼镜头，用于实时采集太阳图像；
图像处理及计算模块，用于对所述的太阳图像进行处理，并计算出偏差σ；
所述的图像处理及计算模块对所述的太阳图像进行处理，并计算出偏差σ的具体方法为：
(i)对图像采集模块采集的太阳图像进行图像灰度化、二值化、连通域的分析提取，得到太阳对应的连通域；
(ii)针对提取出的太阳对应的连通域，计算出连通域质心(即为太阳中心位置)；
(iii)计算连通域质心与采集图像中心(即为太阳遮挡板的中心位置)的偏差σ；
所述的图像处理及计算模块为工业控制计算机，通过图像处理算法和软件编程计算出太阳圆心位置与太阳遮挡板圆心(采集图像的中心)的偏差σ，实现云台相对太阳位置的微调，保证太阳跟踪的精确性。并设计了太阳遮挡板，能在实时采集天空全景图像的同时对太阳区域进行遮挡，以保护相机。同时，为便于观察太阳实时跟踪的轨迹，所述图像处理模块内还可以包括人机界面软件，用于实时显示所述的图像，并接收用户的操作指令对摄像机和云台进行参数设定。
针对现有太阳跟踪装置及方法的缺陷及不足，充分考虑了机械装置产生的误差等因素，本发明通过云台控制模块、太阳遮挡模块、图像采集模块、图像处理及计算模块，利用太阳运动规律判断出太阳位置，同时根据摄像机采集的图像计算偏差，实现相对太阳位置的微调，能够实时高效对太阳轨迹进行跟踪，具有稳定性强、精度高的优点，利用本发明的跟踪结果可以实现对太阳能装置方向的调整，保证太阳光始终与太阳能设备接触面垂直，进而提高太阳能设备的利用率。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种基于太阳运动规律与相机实时采集的太阳跟踪校正方法，包括如下步骤：
(1)获取当地地理位置的经度λ和纬度信息；
(2)计算出当前时刻该地的赤纬角δ和当前时刻太阳的日角β：
其中n为检测当天对应的一年中累积的天数，比如以公历为例，1月1日为天数n＝1；1月2日为天数n＝2,...,12月31日为天数n＝365；
(3)利用日角β计算出时差e，并计算出当地真太阳时的时间t1：
e＝0.0172+0.4281cosβ-7.3175sinβ-3.3495cos(2β)-9.3619sin(2β) (3)
t1＝t0+e (5)
其中t为北京时间转为单位为分钟的时间，t0为当地平太阳时转为单位为分钟的时间，t1为当地真太阳时转为单位为分钟的时间；
(4)计算太阳时角ω：
(5)计算出当地此刻的太阳高度角α及方位角γ：
(6)根据步骤(5)中计算出来的太阳高度角α及方位角γ确定出太阳当前的位置，并通过控制单元控制云台转动到太阳当前位置；
(7)到达指定位置后，利用摄像机采集太阳图像；
(8)将采集得到的太阳图像进行图像预处理：灰度化、二值化：
图像灰度化：
f(i,j)＝0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j) (9)
图像二值化：
其中f(i,j)和g(i,j)分别表示太阳图像对应的灰度图和二值图，R(i,j),G(i,j),B(i,j)表示太阳图像RGB通道分离后的三种图像，i,j为太阳图像上像素点的坐标；
(9)图像经过灰度化、二值化后，根据八方向链码提取出所有连通域，根据连通域的最小外接矩形的长和宽筛选(选择最小外接矩形的长和宽最大的那个为太阳对应的连通域)出太阳对应的连通域：
Height＝max[dis(Cm,Cn)] (11)
Width＝max[dis(Cm,Cn)] (12)
其中Cm和Cn是在连通域上同一列或行的两个像素点，Height为太阳对应的连通域的高度值(或长度值)，Width为太阳对应的连通域的宽度值，max[]为取最大值函数，dis(Cm,Cn)为求取像素点Cm与像素点Cn之间距离的函数；
(10)确定太阳的圆心O，太阳的圆心就是太阳对应的连通域的质心，质心公式如下：
其中a0和a分别为太阳对应的连通域的起始行和结束行，b0和b分别为太阳对应的连通域的起始列和结束列，m为太阳对应的连通域内像素点个数，x0和y0分别为太阳的圆心O的坐标；xi,yi分别为太阳对应的连通域内像素点的横坐标和纵坐标；
(11)计算太阳圆心与太阳遮挡板的中心偏差σ，由于太阳遮挡板是通过透明支撑杆固定悬挂在鱼眼镜头前方，即在采集的太阳图像的中心，因此偏差σ就是太阳圆心与采集的太阳图像的中心的偏差：
其中和为采集的太阳图像的中心点；
(12)将计算出来的偏差σ反馈给云台的控制单元，若偏差σ＝0，则表明太阳已经被遮挡板完全覆盖，实现了图像太阳校正，否则控制云台转动，重复步骤(7)～(12)直至σ＝0；当然此处的0也可以是认为设定的任一非零的阈值，可根据具体控制精度不同进行选择；
重复步骤(2)～(12)实现对太阳轨迹的实时跟踪及校正。
本太阳跟踪装置包括云台控制模块、太阳遮挡模块、图像采集模块和图像处理及计算模块。
云台控制模块，包括云台及支撑底座，用于控制云台的二维转动，实现太阳轨迹跟踪及图像校正。云台为全方位云台，能够水平左右方向和垂直上下方向转动，其中水平转速为9°/s，垂直转速为1°/s。云台可通过串口由外界的计算机进行控制，这里所述计算机构成上述的控制单元；支撑底座内一般装有电机驱动机构以及实现对云台方向调整的传动机构。
太阳遮挡模块，包括黑色太阳遮挡板和透明支撑杆，用于遮挡太阳强光，辅助摄像机图像的采集。为了防止摄像机采集图像时被太阳强光所影响，需要在摄像机镜头前(采集图像中心)加上一块黑色太阳遮挡板，黑色太阳遮挡板通过透明支撑杆固定悬挂在镜头前(即采集图像的中心)，支撑杆固定在相机旁，支撑杆、相机都安装在云台上，跟随云台一起实时转动。
图像采集模块，包括相机和镜头，用于太阳图像的采集。摄像机(或相机)为数码摄像机，镜头为鱼眼镜头。
图像处理及计算模块，用于对所述的太阳图像进行处理，并计算出太阳圆心与采集图像中心的偏差σ；图像处理及计算模块硬件可采用工业控制计算机，核心部分为编写的计算机软件。具体工作方式为：
(i)对图像采集模块采集的太阳图像进行图像灰度化、二值化、连通域的分析提取；
(ii)针对提取出的太阳对应的连通域，计算出该连通域质心；
(iii)计算连通域质心与采集图像中心的偏差σ。
所述的图像处理及计算模块为工业控制计算机，通过图像处理算法和软件编程计算出太阳圆心位置与太阳遮挡板圆心(采集图像的中心)的偏差σ，实现相对太阳位置的微调。同时，为便于观察太阳实时跟踪的轨迹，所述图像处理模块内还可以包括人机界面软件，用于实时显示所述的图像，并接收用户的操作指令对摄像机和云台进行参数设定。本发明中，可以利用同一台工业控制计算机实现对云台控制模块的控制和图像的处理与计算。

Claims (9)

1.一种基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取当地地理位置的经纬度信息；
(2)计算出当前时刻该地的赤纬角δ和当前时刻太阳的日角β；
(3)计算出当地真太阳时t1；
(4)根据当地真太阳时计算出此刻太阳的时角ω；
(5)计算出当地当前时刻太阳的高度角α及方位角γ；
(6)根据太阳的高度角α及方位角γ判断出太阳位置，并控制云台旋转到太阳位置，该云台上安装有用于采集太阳图像的摄像机；
(7)云台到达指定位置后，摄像机开始采集太阳图像；
(8)对采集的太阳图像进行预处理；
(9)识别出太阳图像中太阳圆心位置；
(10)计算太阳图像中太阳圆心位置与太阳遮挡板圆心的偏差σ；
(11)将偏差σ反馈给云台，控制云台转动，微调相对太阳的位置，重复步骤(7)-(10)直至偏差小于设定值，实现相对太阳位置的校正。
2.根据权利要求1所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，其特征在于，重复所述步骤(2)-(11)实现对太阳轨迹的实时跟踪及校正。
3.根据权利要求1所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，其特征在于，步骤(8)中，所述预处理包括：
(8-1)对太阳图像进行灰度化；
(8-2)对太阳图像进行二值化；
(8-3)根据八方向链码提取出灰度化、二值化后图像中的连通域；
(8-4)在提取出的连通域中，筛选出太阳对应的连通域。
4.根据权利要求3所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，其特征在于，步骤(9)中，所述太阳圆心为所述太阳对应的连通域的质心。
5.根据权利要求1所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法，其特征在于，所述太阳遮挡板固定在摄像机镜头正前方，且中心与摄像机镜头的中心同轴；步骤(10)中，所述太阳遮挡板圆心为太阳图像的中心。
6.一种实施权利要求1所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正方法的装置，其特征在于，包括：
能够控制云台在水平和竖直方向上调整方向的云台控制模块，包括云台和支撑底座；
用于遮挡太阳强光，辅助摄像机图像采集的太阳遮挡模块，该太阳遮挡模块包括太阳遮挡板以及将该太阳遮挡板固定在摄像机镜头前的定位件；
用于太阳图像采集的图像采集模块，包括摄像机和镜头；
用于对图像进行预处理和实现太阳位置、太阳圆心位置和太阳遮挡板圆心位置以及偏差σ计算的图像处理及计算模块；
所述云台控制模块根据所述偏差σ的大小实现对云台方向的微调。
7.根据权利要求6所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正装置，其特征在于，所述定位件为透明的支撑杆，所述太阳遮挡板固定在摄像机镜头正前方，且中心与摄像机镜头的中心同轴。
8.根据权利要求6所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正装置，其特征在于，所述图像处理及计算模块为工业控制计算机，同时向云台控制模块发送控制信号。
9.根据权利要求6所述的基于太阳运动规律与图像采集的太阳跟踪校正装置，其特征在于，所述图像处理及计算模块还包括人机界面及对应的软件，用于实时显示所述的图像，并接收用户的操作指令对摄像机和云台进行参数设定。
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