CN110045754A - 利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，包括CMOS图像传感器，CMOS图像传感器依次连接有ARM处理器、PLC、步进电机驱动器和步进电机，ARM处理器和PLC还连接有上位机；本发明还公开了利用该嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置进行太阳跟踪校正的方法，首先通过图像传感器获取到的太阳光斑图像，太阳光斑图像经过处理后转换为电机需要转动的步数，然后通过电机驱动器驱动步进电机动作，从而带动CMOS图像传感器实时跟踪太阳。本发明的图像处理过程包括图像分割、质心求取和坐标变换；通过该方法可以提高对太阳跟踪的精度与响应速度。

Description

利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置及方法

技术领域

本发明属于高精度太阳跟踪对准技术领域，涉及一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，本发明还涉及使用上述装置进行太阳跟踪校正的方法。

背景技术

随着经济全球化进程不断加快，人类对能源的需求总量不断增加，但由于煤、石油、天然气等矿物燃料的储藏量有限，使得全球范围内的能源危机日益凸现出来。同时，传统能源在生产和消费过程中有大量二氧化硫、二氧化碳等污染物排放，会导致温室效应和酸雨，破坏生态环境，严重危害人类健康。因此，大力开发和利用各种新型能源，是保护地球环境，实现经济社会可持续发展的重要举措。其中太阳因为其可再生、绿色无污染等特点，成为新能源的热点。我国属于太阳能资源储存量丰富的国家之一，年日照时数大于2000小时的地区面积约占全国总面积的三分之二以上，太阳能发电在我国发展潜力巨大。

但是对太阳能资源的采集，目前仍存在很多关键性技术问题，太阳能存在着间歇性以及光照方向和强度随时间和天气不断变化等问题，造成了太阳能利用率远远低于预期状态的情况，就现在的技术水平来说，太阳能利用率的提高主要从两个方面入手：一是提高太阳能装置的能量转化效率；二是提高太阳辐射的接收效率。前者隶属于能量转换领域，还有待进一步研究；而后者可以利用现有太阳跟踪技术得到有效解决。太阳跟踪，指的是在太阳照射过程中受光面与太阳光线始终趋于垂直，以便在有限的使用面积内收集更多的太阳能。理论分析表明，太阳跟踪可以使得太阳能设备能量的接收率提高37.7％。因此，对太阳进行精确跟踪，能大大提高能量利用率。

目前市场现存的太阳跟踪系统在探测精度、稳定性、硬件结构、生产成本等方面也存在各种各样的问题。在实际应用中存在跟踪误差大，以及太阳被云层遮挡时，无法实时跟踪太阳位置的问题。太阳能跟踪系统的发展趋势是跟踪装置简约化以降低发电成本，全方位的跟踪以提高稳定性和跟踪精度，同时大规模、超大规模集成化，以及多种跟踪策略相融合的网络化发展亦是大势所趋。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，能够进行自动控制并对太阳进行跟踪。

本发明的另一目的是提供一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，通过该方法可以提高对太阳跟踪的精度与响应速度。

本发明所采用的技术方案是，一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，包括CMOS图像传感器，CMOS图像传感器依次连接有ARM处理器、PLC、步进电机驱动器和步进电机，ARM处理器和PLC还连接有上位机。

本发明的特点还在于，

CMOS图像传感器通过所述ARM处理器上的USB接口与所述ARM处理器连接。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用CMOS图像传感器拍摄太阳光斑图像，拍摄之前在摄像头前段先后分别安装巴德膜和滤光片；

步骤2、将拍摄的太阳光斑图像发送到所述ARM处理器内，通过Opencv软件和Qtcreator软件对太阳光斑图像进行二值化处理；

步骤3、对二值化处理后的图像进行质心求取；

步骤4、通过质心求取后，得到太阳光斑中心在图像中的二维坐标，设为(x,y)，通过太阳光斑中心在图像中的二维坐标与视场中心的坐标差的坐标差，并根据坐标偏差计算步进电机的转动步数；

步骤5、将步骤4计算得到的步进电机的转动步数信号传送给所述PLC，通过所述PLC计算生成所需的脉冲数，并通过电机驱动器对所述步进电机进行控制，从而带动CMOS图像传感器实时跟踪太阳。

本发明的特征还在于，

步骤1中的巴德膜为巴德膜5.0，所述滤光片的透光率为0.25％-0.3％。

步骤3中求取质心坐标的公式为：

公式1)和式2)中，s为目标区域共包含的像素点，x_k，y_k为像素点的坐标。

步骤4中步进电机水平方向步数m和倾斜方向的的步数n的计算公式如下：

式3)和式4)中，λ为步进电机每一步转过的角度，(x₀,y₀)为视场中心的坐标，摄像头成像平面的有效像素为M×N，摄像头实际视场角为θ×δ。

本发明的有益效果是：

本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，能够进行自动控制并对太阳进行跟踪。

本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，伺服控制系统主要以ARM处理器和PLC为控制核心，图像处理部分利用CMOS图像传感器采集太阳图像，经过数字图像处理后获取跟踪误差；其次，本发明基于Opencv，研究图像识别技术应用在捕获太阳精准位置的方法，采用图像传感器与处理算法实时采集并计算太阳位置，最后将算法应用到成熟稳定的工控板上，可以提高对太阳跟踪的精度与响应速度。

附图说明

图1是本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置的原理图；

图2是本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校装置加巴德膜加滤光片后拍摄的太阳图像；

图3是本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法二值化处理后的太阳位置图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，如图1所示，包括CMOS图像传感器1，CMOS图像传感器1依次连接有ARM处理器2、PLC3、步进电机驱动器4和步进电机5，ARM处理器2、PLC3还连接有上位机6。

CMOS图像传感器1通过ARM处理器2上的USB接口与ARM处理器2连接。

一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，该方法基于如上所述的一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用CMOS图像传感器1拍摄太阳光斑图像，拍摄之前在摄像头前段先后分别安装巴德膜和滤光片，步骤1中的巴德膜为巴德膜5.0，所述滤光片的透光率为0.25％-0.3％；

步骤2、将拍摄的太阳光斑图像发送到ARM处理器2内，通过Opencv软件和Qtcreator软件对所述太阳光斑图像进行二值化处理；

步骤3、对二值化处理后的图像进行质心求取，求取质心坐标的公式为：

公式1)和式2)中，s为目标区域共包含的像素点，x_k，y_k为像素点的坐标；

步骤4、通过质心求取后，得到太阳光斑中心在图像中的二维坐标，设为(x,y)，通过太阳光斑中心在图像中的二维坐标与视场中心的坐标差的坐标差，并根据坐标偏差计算所述步进电机(5)的转动步数；

步骤4中步进电机(5)水平方向步数m和倾斜方向的的步数n的计算公式如下：

式3)和式4)中，λ为驱动转台的步进电机每一步转过的角度，(x₀,y₀)为视场中心的坐标，摄像头成像平面的有效像素为M×N，摄像头实际视场角为θ×δ；

步骤5、将步骤4计算得到的步进电机5的转动步数信号传送给所述PLC3，通过PLC3计算生成所需的脉冲数，并通过电机驱动器4对所述步进电机5进行控制，从而带动CMOS图像传感器1实时跟踪太阳。

CMOS图像传感器1的规格参数参见如下表1：

表1 CMOS图像传感器1的规格参数

在太阳图像采集时由于太阳光强太强，CMOS镜头不能直接采集太阳照片，为了给CMOS采集图像创造条件，在采集太阳位置图片时可采用在摄像头前加上巴德膜和滤光片来滤除大部分可见光。巴德膜是一种镀了金属的树脂膜，可以用于目视和拍照。它很薄，光学质量优异，目前可以买到的巴德膜有两种密度，分别为5.0(目视)和3.8(拍照)。用于天文观测太阳，一般很难透光，只有在强光条件下才可以看到光。加上滤光片可以达到很好地滤除可见光的效果，根据多次试验，最终选择了巴德膜5.0和0.25％的滤光片的组合。图2和图3分别为加巴德膜加滤光片所拍摄的太阳位置图像和二值化处理后的太阳位置图像。

本发明一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法；对拍摄的太阳光斑图像进行二值化处理主要是在ubuntu linux系统下安装Opencv以及qt creator，并搭建适合ARM控制器运行程序的环境，在完成一系列工作后，成功生成可执行程序，将生成的可执行程序拷入开发板中，即可利用ARM控制器进行图像处理算法的程序运行。

Opencv实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，虽然也提供了highgui的界面功能，但是在实际工程应用时实在有限(也就是一个窗口，加一些使用像素进行绘图的方法)，与用户交互相关的功能极少，而Qt正好能弥补Opencv在这些方面的不足，它拥有直观的C++类库、跨桌面和嵌入式操作系统的移植性、具有跨平台IDE的集成开发工具、在嵌入式系统上的高运行时间性能，占用资源少，通过Opencv完成底层算法，用Qt完成上层的应用接口。这种组合可以优化图像处理部分的占用率，达到高效率低成本的要求。

基于图像处理的跟踪算法，其核心在于由图像处理，计算得到太阳的质心位置。首先设置相机参数，比如帧频和曝光时间等。接着，系统进入循环工作模式。光筒内相机将采集到的天空图像以固定的帧频发送给上位机，对图像经过一系列的处理以提取出太阳中心。如果太阳中心在相机视场内，则采用闭环跟踪方式，程序计算出太阳中心相对于视场中心的脱靶量，编码后通过发送给执行机构，控制执行机构转动直至视场中心和太阳中心重合。如果没有提取出太阳中心，说明太阳中心在视场之外，或者虽然太阳中心在视场之内，但是被云雾完全遮挡，算法提取太阳质心失败，转入日历运行轨迹跟踪方式，程序根据公式计算当前时刻太阳的方位和俯仰角，控制执行机构将移动视场中心到该位置。为保证系统运行流畅，可采用多线程方式进行该循环操作。

通过上述方式，本发明的目的是提供一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，通过该方法可以提高对太阳跟踪的精度与响应速度。

Claims (6)

1.利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，其特征在于，包括CMOS图像传感器(1)，所述CMOS图像传感器(1)依次连接有ARM处理器(2)、PLC(3)、步进电机驱动器(4)和步进电机(5)，所述ARM处理器(2)、PLC(3)还连接有上位机(6)。

2.根据权利要求1所述的利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，其特征在于，所述CMOS图像传感器(1)通过所述ARM处理器(2)上的USB接口与所述ARM处理器(2)连接。

3.利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，其特征在于，该方法使用了如权利要求1所述的一种利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正装置，具体按照以下步骤实施：

步骤1、用CMOS图像传感器(1)拍摄太阳光斑图像，拍摄之前在摄像头前段先后分别安装巴德膜和滤光片；

步骤2、将拍摄的太阳光斑图像发送到所述ARM处理器(2)内，通过Opencv软件和Qtcreator软件对所述太阳光斑图像进行二值化处理；

步骤3、对二值化处理后的图像进行质心求取；

步骤4、通过质心求取后，得到太阳光斑中心在图像中的二维坐标，设为(x,y)，通过太阳光斑中心在图像中的二维坐标与视场中心的坐标差的坐标差，并根据坐标偏差计算所述步进电机(5)的转动步数；

步骤5、将步骤4计算得到的步进电机(5)的转动步数信号传送给所述PLC(3)，通过所述PLC(3)计算生成所需的脉冲数，并通过电机驱动器(4)对所述步进电机(5)进行控制，从而带动CMOS图像传感器(1)实时跟踪太阳。

4.根据权利要求3所述的利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，其特征在于，所述步骤1中的巴德膜为巴德膜5.0，所述滤光片的透光率为0.25％-0.3％。

5.根据权利要求3所述的利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，其特征在于，所述步骤3中求取质心坐标的公式为：

公式1)和式2)中，s为目标区域共包含的像素点，x_k，y_k为像素点的坐标。

6.根据权利要求3所述的利用嵌入式图像处理的高精度太阳跟踪校正方法，其特征在于，步骤4中步进电机(5)水平方向步数m和倾斜方向的的步数n的计算公式如下：

式3)和式4)中，λ为步进电机每一步转过的角度，(x₀,y₀)为视场中心的坐标，摄像头成像平面的有效像素为M×N，摄像头实际视场角为θ×δ。