TWI510749B - 影像太陽位置感測裝置 - Google Patents

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TWI510749B TW101132092A TW101132092A TWI510749B TW I510749 B TWI510749 B TW I510749B TW 101132092 A TW101132092 A TW 101132092A TW 101132092 A TW101132092 A TW 101132092A TW I510749 B TWI510749 B TW I510749B
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Hong Yih Yeh
Cheng Dar Lee
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    • G01S3/78—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/785—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system
    • G01S3/786—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of orientation of directivity characteristics of a detector or detector system to give a desired condition of signal derived from that detector or detector system the desired condition being maintained automatically
    • G01S3/7861—Solar tracking systems
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Description

影像太陽位置感測裝置
本發明是有關於一種影像太陽位置感測裝置，尤指一種可利用影像位置感測機構直接擷取太陽影像，並以控制機構計算太陽影像及照度之強弱，且判斷太陽之相對位置後驅動追蹤機構進行追蹤，以轉至對正太陽之位置，進而不需使用編碼器、照度計與GPS，而達到低成本、高靈敏度及高追蹤精度之功效者。
按，高聚光太陽電池系統之發電效率較傳統太陽電池更高，但需搭配一高精度之追日系統才能有效之發電，由於追日系統之精度會直接影響發電效率，而太陽位置感測器為追日系統中用以追蹤太陽位置之主要元件，所以提昇太陽位置感測器之精度是目前世界各國發展高聚光太陽電池之重點之一。
然，現有太陽位置感測器(如：中華民國發明專利I300465)，其具有視角、光之強弱、靈敏度以及成本等四大課題，今說明如下：
視角：即太陽位置不在太陽位置感測器之視角(一般視角為+/-45至+/-75度)之內，則無法偵測，將被誤認為無太陽光而不用追蹤，所以視角是設計太陽位置感測器之重要課題。
光之強弱：太陽光之強弱，決定是否進行追蹤，在視角內，需能偵測太陽光之強弱作為追蹤基準，若太陽光太弱，則無法發電也就不需追蹤以節省用電。
靈敏度：是太陽位置感測器最重要課題，高靈敏度才能有高追蹤精度。
成本：太陽能發電系統之成本是決定系統之競爭力，而太陽位置感測器是其主要元件，更要考量其成本。
而今以傳統太陽位置感測器之特性為有限視角、未能辨識光之強 弱、靈敏度不足及高成本之缺失，且以目前追日之方法而言，在大視角、能辨識光之強弱及、高靈敏度三個課題上均有其不足；現有之太陽位置感測器，雖然在這三項上有改進，但是靈敏度不足，一直是太陽位置感測器追求高精度之弱點，由於太陽光之強弱是影響靈敏度最關鍵之因素。
有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功之開發出本發明「影像太陽位置感測裝置」，藉以改善習用之種種問題。
本發明之主要目之係在於，可利用影像位置感測機構直接擷取太陽影像，並以控制機構計算太陽影像及照度之強弱，且判斷太陽之相對位置後驅動追蹤機構進行追蹤，以轉至對正太陽之位置，進而不需使用編碼器、照度計與GPS，而達到低成本、高靈敏度及高追蹤精度之功效。
為達上述之目之，本發明係一種影像太陽位置感測裝置，其包含有：一具有殼體、入光孔及光學單元之影像位置感測機構；一與影像位置感測機構結合之追蹤機構，其包含有一支架、一設於支架上之太陽電池模組、一連動太陽電池模組之第一致動元件、及一連動太陽電池模組之第二致動元件；以及一與光學單元、第一致動元件及第二致動元件連接之控制機構。
於本發明之一實施例中，該殼體係為鋁合金材質，且其各周緣係分別設有一側板，而各側板上係分別具有一安裝孔。
於本發明之一實施例中，該入光孔之直徑與殼體高度比值係介於0~1之間。
於本發明之一實施例中，該光學單元由上而下係分別包含有固定環、橡膠環、減光片、濾光片、望遠鏡、影像感測元件及信號線，而信號線係由殼體穿出，且穿出之位置係注入防水密封膠，藉以組合成具有防水、防濕及防撞之影像位置感測機構。
於本發明之一實施例中，該減光片之穿透率係介於1.5%~0.1%之間。
於本發明之一實施例中，該濾光片之波長係介於400奈米~700奈米之間，且其穿透率為90%以上。
於本發明之一實施例中，該望遠鏡視之角度與影像感測元件之解析度比值係介於0~1之間。
於本發明之一實施例中，該第一致動元件係為方位馬達。
於本發明之一實施例中，該第二致動元件係為仰位馬達。
於本發明之一實施例中，該控制機構係包含有一與光學單元連接之追蹤控制器、及一連接第一、第二致動元件與追蹤控制器之馬達驅動器。
於本發明之一實施例中，該追蹤控制器係包含有相互連接之全彩影像擷取單元、色彩模型轉換單元、目標物辨識單元、目標物邊界偵測單元、物體圓心基準單元、物體圓心計算單元、方位/仰角差直計算單元及輸出驅動單元，而該全彩影像擷取單元係與光學單元連接，且該輸出驅動單元係與馬達驅動器連接。
於本發明之一實施例中，該追蹤控制器可接收光學單元之太陽影像，再經由全彩影像擷取單元、色彩模型轉換單元、目標物辨識單元、目標物邊界偵測單元、物體圓心基準單元、物體圓心計算單元、方位/仰角差直計算單元及輸出驅動單元，依序作全彩影像擷取、色彩模型轉換、目標物辨識、目標物邊界偵測、計算物體圓心、計算方位角差值及計算仰角差值，之後再由計算所得之方位差值及仰角差值而控制馬達驅動器，使第一及第二致動元件驅動太陽電池模組對正太陽。
於本發明之一實施例中，該全彩影像擷取單元所擷取之像素皆由R(red)、G(green)和B(blue)三原色所組成。
於本發明之一實施例中，該色彩模型轉換單元係由RGB色彩模型到HSL色彩模型。
於本發明之一實施例中，該目標物辨識單元係將目標物與背景分 離開，且選定目標物顏色之H、S及L之閥值，將閥值內之像素值設為1(白色)，其他則設為0(黑色)。
於本發明之一實施例中，該目標物邊界偵測單元係於圖像屬性中有顯著變化支點為邊界，並偵測深度上之不連續、表面方向不連續、物質屬性變化以及場景照明變化。
於本發明之一實施例中，該物體圓心計算單元係利用邊界上三點求得圓之方法計算出目標物之圓心(X,Y)位置。
於本發明之一實施例中，該方位/仰角差直計算單元係與基準中心(Xc,Yc)相比較之差值，並計算方位差值為X-Xc，若為正值則影像位置感測機構需向西轉，若為負值則影像位置感測機構需向東轉，並計算仰角差值為Y-Yc，若為正值則影像位置感測機構需向北轉，若為負值則影像位置感測機構需向南轉。
1‧‧‧影像位置感測機構
11‧‧‧殼體
111‧‧‧側板
112‧‧‧安裝孔
12‧‧‧入光孔
13‧‧‧光學單元
131‧‧‧固定環
132‧‧‧橡膠環
133‧‧‧減光片
134‧‧‧濾光片
135‧‧‧望遠鏡
136‧‧‧影像感測元件
137‧‧‧信號線
2‧‧‧追蹤機構
21‧‧‧支架
22‧‧‧太陽電池模組
23‧‧‧第一致動元件
24‧‧‧第二致動元件
3‧‧‧控制機構
31‧‧‧追蹤控制器
311‧‧‧全彩影像擷取單元
312‧‧‧色彩模型轉換單元
313‧‧‧目標物辨識單元
314‧‧‧目標物邊界偵測單元
315‧‧‧物體圓心基準單元
316‧‧‧物體圓心計算單元
317‧‧‧方位/仰角差直計算單元
318‧‧‧輸出驅動單元
32‧‧‧馬達驅動器
第1圖，係本發明之基本架構示意圖。
第2圖，係本發明影像位置感測機構之分解示意圖。
第3圖，係本發明之控制機構示意圖。
請參閱『第1、2及第3圖』所示，係分別為。如圖所示：本發明係一種影像太陽位置感測裝置，其至少包含有一影像位置感測機構1、一追蹤機構2以及一控制機構3所構成。
上述所提之影像位置感測機構1係包含有一殼體11、一設於殼體11端面上之入光孔12、及一設於殼體11中且與入光孔12對應之光學單元13，該入光孔12之直徑與殼體11高度比值係介於0~1之間，而該殼體11係為鋁合金材質，且其各周緣係分別設有一側板111，而各側板111上係分別具有一安裝孔112，可用以安裝於追蹤機構2上，其中該光學單元13由 上而下係分別包含有固定環131、橡膠環132、減光片133、濾光片134、望遠鏡135、影像感測元件136及信號線137，而信號線137係由殼體11穿出，且穿出之位置係注入防水密封膠(圖未示)，藉以組合成具有防水、防濕及防撞之影像位置感測機構1，該減光片133之穿透率係介於1.5%~0.1%之間，該濾光片134之波長係介於400奈米~700奈米之間，且其穿透率為90%以上，該望遠鏡135視之角度與影像感測元件136之解析度比值係介於0~1之間。
該追蹤機構2係與影像位置感測機構1結合，其包含有一支架21、一設於支架21上之太陽電池模組22、一連動太陽電池模22之第一致動元件23、及一連動太陽電池模組22之第二致動元件24，其中該第一致動元件23係為方位馬達，而該第二致動元件24係為仰位馬達。
該控制機構3係與光學單元13之信號線137、第一致動元件23及第二致動元件24連接，而該控制機構3係包含有一與光學單元13連接之追蹤控制器31、及一連接第一、第二致動元件23、24與追蹤控制器31之馬達驅動器32，其中該追蹤控制器31係包含有相互連接之全彩影像擷取單元311、色彩模型轉換單元312、目標物辨識單元313、目標物邊界偵測單元314、物體圓心基準單元315、物體圓心計算單元316、方位/仰角差直計算單元317及輸出驅動單元318，而該全彩影像擷取單元311係與光學單元13連接，且該輸出驅動單元318係與馬達驅動器32連接。
當本發明於運用時，係以該追蹤控制器31接收光學單元13之太陽影像，再經由全彩影像擷取單元311、色彩模型轉換單元312、目標物辨識單元313、目標物邊界偵測單元314、物體圓心基準單元315、物體圓心計算單元316、方位/仰角差直計算單元317及輸出驅動單元318，依序作全彩影像擷取、色彩模型轉換、目標物辨識、目標物邊界偵測、計算物體圓心、計算方位角差值及計算仰角差值，之後再由計算所得之方位 差值及仰角差值而控制馬達驅動器31，使第一及第二致動元件23、24驅動太陽電池模組22對正太陽。而當運作時控制機構3之作動說明如下：
1.全彩影像擷取單元311：係將數位影像資訊所擷取之訊號，排列成矩陣之方式，矩陣內之每一個元素稱為像素(pixel)，使用全彩攝影機擷取影像，所擷取到之影像為RGB色彩之模型格式，亦即矩陣裡每個像素皆由R(red)、G(green)和B(blue)三原色所組成。
2.色彩模型轉換單元312：係將RGB色彩模型格式轉換為色調(Hue)、飽和度(Saturation)及亮度(Lightness)之HSL色彩模型；設r,g,b分別為紅、綠和藍之座標經正規化之值，其值介於0到1之實數。設max等於r,g,b中之最大者，min等於r,g,b中之最小者。
從RGB色彩模型到HSL色彩模型之轉換公式(1)如下：
其中，0° H<360°；0 L 1；0 S 1；
3.目標物辨識單元313：此步驟可將目標物與背景分離開來，選定目標物顏色之H、S及L之閥值，將閥值內之像素值設為1(白色)，其他設為0(黑色)；當全彩影像經過目標物辨識後會變成一幅黑白影像，然而在 這幅黑白影像上，除了有辨識出之太陽影像外，周圍有時會出現許多雜點。在去除雜點時，使用侵蝕與膨脹處理先將小雜點給去除，而較大之雜點則使用比較面積之方法將之去除。
4.目標物邊界偵測單元314：太陽影像做邊界偵測，影像中亮度變化明顯之點。
在圖像屬性中有顯著變化之點為邊界，偵測(1)深度上之不連續、(2)表面方向不連續、(3)物質屬性變化、及(4)場景照明變化四種變化。
5.物體圓心計算單元316：經過目標物辨識後，已將目標物與背景分離，即可計算目標物中心位置，再利用邊界上三點可求得圓心之方法找出目標物之圓心，設邊界上三點位置為(x 1,y 1),(x 2,y 2),(x 3,y 3)，計算圓心之公式如下：
將(2)及(3)改寫為，其中，
利用帶入消去法即可求得圓心(x,y)為
6.方位/仰角差直計算單元317：當求出圓心(X,Y)，與基準中心 (Xc,Yc)相比較之差值。計算方位差值為X-Xc，若為正值則太陽追蹤器需向西轉，若為負值則太陽追蹤器需向東轉。計算仰角差值為Y-Yc，若為正值則太陽追蹤器需向北轉，若為負值則太陽追蹤器需向南轉。
追蹤先以東西向追蹤為主，當東西向追蹤至對正太陽時，再追蹤南北向至對正太陽，再重複依序追蹤東西向及南北向至全部對正太陽。
綜上所述，本發明影像太陽位置感測裝置可有效改善習用之種種缺點，可利用影像位置感測機構直接擷取太陽影像，並以控制機構計算太陽影像及照度之強弱，且判斷太陽之相對位置後驅動追蹤機構進行追蹤，以轉至對正太陽之位置，進而不需使用編碼器、照度計與GPS，而達到低成本、高靈敏度及高追蹤精度之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧影像位置感測機構
2‧‧‧追蹤機構
21‧‧‧支架
22‧‧‧太陽電池模組
23‧‧‧第一致動元件
24‧‧‧第二致動元件
3‧‧‧控制機構
31‧‧‧追蹤控制器
32‧‧‧馬達驅動器

Claims (16)

  1. 一種影像太陽位置感測裝置，其包括有：一影像位置感測機構，係包含有一殼體、一設於殼體端面上之入光孔、及一設於殼體中且與入光孔對應之光學單元；一追蹤機構，係與影像位置感測機構結合，其包含有一支架、一設於支架上之太陽電池模組、一連動太陽電池模組之第一致動元件、及一連動太陽電池模組之第二致動元件；以及一控制機構，係與光學單元、第一致動元件及第二致動元件連接，而該控制機構係包含有一與光學單元連接之追蹤控制器、及一連接第一、第二致動元件與追蹤控制器之馬達驅動器，其中該追蹤控制器係包含有相互連接之全彩影像擷取單元、色彩模型轉換單元、目標物辨識單元、目標物邊界偵測單元、物體圓心基準單元、物體圓心計算單元、方位/仰角差直計算單元及輸出驅動單元，而該全彩影像擷取單元係與光學單元連接，且該輸出驅動單元係與馬達驅動器連接。
  2. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該殼體係為鋁合金材質，且其各周緣係分別設有一側板，而各側板上係分別具有一安裝孔。
  3. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該入光孔之直徑與殼體高度比值係介於0~1之間。
  4. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該光學單元由上而下係分別包含有固定環、橡膠環、減光片、濾光片、望遠鏡、影像感測元件及信號線，而信號線係由殼體穿出，且穿出之位置係注入防水密封膠，藉以組合成具有防水、防濕及防撞之影像位置感測機構。
  5. 依申請專利範圍第4項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該減光片之穿透率係介於1.5%~0.1%之間。
  6. 依申請專利範圍第4項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該 濾光片之波長係介於400奈米~700奈米之間，且其穿透率為90%以上。
  7. 依申請專利範圍第4項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該望遠鏡視之角度與影像感測元件之解析度比值係介於0~1之間。
  8. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該第一致動元件係為方位馬達。
  9. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該第二致動元件係為仰位馬達。
  10. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該追蹤控制器可接收光學單元之太陽影像，再經由全彩影像擷取單元、色彩模型轉換單元、目標物辨識單元、自標物邊界偵測單元、物體圓心基準單元、物體圓心計算單元、方位/仰角差直計算單元及輸出驅動單元，依序作全彩影像擷取、色彩模型轉換、目標物辨識、目標物邊界偵測、計算物體圓心、計算方位角差值及計算仰角差值，之後再由計算所得之方位差值及仰角差值而控制馬達驅動器，使第一及第二致動元件驅動太陽電池模組對正太陽。
  11. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該全彩影像擷取單元所擷取之像素皆由R(red)、G(green)和B(blue)三原色所組成。
  12. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該色彩模型轉換單元係由RGB色彩模型到HSL色彩模型。
  13. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該目標物辨識單元係將目標物與背景分離開，且選定目標物顏色之色相(Hue,H)、飽和度(Saturation,S)及亮度(Lightness,L)之閥值，將閥值內之像素值設為1(白色)，其他則設為0(黑色)。
  14. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該目標物邊界偵測單元係於圖像屬性中有顯著變化支點為邊界，並偵測深度上之不連續、表面方向不連續、物質屬性變化以及場景照明變化。
  15. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該 物體圓心計算單元係利用邊界上三點求得圓之方法計算出目標物之圓心(X,Y)位置。
  16. 依申請專利範圍第1項所述之影像太陽位置感測裝置，其中，該方位/仰角差直計算單元係與基準中心(Xc,Yc)相比較之差值，並計算方位差值為X-Xc，若為正值則影像位置感測機構需向西轉，若為負值則影像位置感測機構需向東轉，並計算仰角差值為Y-Yc，若為正值則影像位置感測機構需向北轉，若為負值則影像位置感測機構需向南轉。
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