基于COMS圖像傳感器的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

  太陽(yáng)跟蹤的方法很多，主要可以分為兩種方式，即光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤裝置優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能通過(guò)反饋消除累計(jì)誤差，具有較大的優(yōu)勢(shì)。其關(guān)鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安放位置的不連續(xù)和環(huán)境散射光的影響，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，精度有限。
    因此需對(duì)光敏電阻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，而通過(guò)增加光敏電阻個(gè)數(shù)的方法則會(huì)造成裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高。通過(guò)分析，采用圖像傳感器代替了光敏電阻檢測(cè)太陽(yáng)位置的變化，可以準(zhǔn)確、快速地獲得太陽(yáng)位置信息，從而提高了跟蹤精度。同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，成本降低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)主要由平面鏡跟蹤裝置、控制和驅(qū)動(dòng)電路、方位限位電路、CMOS圖像傳感器(附巴德膜濾波片)等部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。跟蹤裝置實(shí)物圖如圖2所示，圖像傳感器固定在平面鏡中心。圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD，CMOS以及CIS傳感器三種。目前CMOS型不僅價(jià)格低廉，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出，軟件可編程控制，大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、抗干擾性和穩(wěn)定性。

    CMOS圖像傳感器滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。跟蹤控制器采用羅技公司的QuickCam系列網(wǎng)絡(luò)攝像頭，具有功耗小、成本低、單一電源驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。其開(kāi)窗特征可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小，從而避免了對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)的采集，減小存儲(chǔ)空間。
    由于太陽(yáng)光十分強(qiáng)烈，因此在圖像采集時(shí)，需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。實(shí)驗(yàn)表明加兩層濾波片后，所得到的圖像效果較佳。
    系統(tǒng)工作過(guò)程為：?jiǎn)?dòng)時(shí)，上位機(jī)VC++調(diào)用視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的sun函數(shù)，獲取太陽(yáng)的高度角與方位角，并轉(zhuǎn)化為俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，通過(guò)RS 485總線與單片機(jī)通信，驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，確保太陽(yáng)光斑裝入CMOS圖像傳感器視角內(nèi)。
    通過(guò)MCC實(shí)現(xiàn)VC++與Matlab聯(lián)合編程，實(shí)時(shí)控制圖像傳感器采集太陽(yáng)光斑圖像。VC++程序設(shè)置為每隔5 min自動(dòng)調(diào)用傳感器拍一次照，傳回的圖像經(jīng)Matlab處理，計(jì)算出太陽(yáng)光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差，轉(zhuǎn)化為水平和俯仰電機(jī)需調(diào)整的步數(shù)，返回給VC++，再次送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，進(jìn)而細(xì)微調(diào)整平面鏡跟蹤裝置，使太陽(yáng)光斑始終在圖像中心位置。
    當(dāng)厚云層擋住太陽(yáng)時(shí)，或者由于其他原因太陽(yáng)光斑無(wú)法出現(xiàn)在傳感器視角內(nèi)，則VC++調(diào)用時(shí)鐘跟蹤算法，繼續(xù)跟蹤，直到云層過(guò)去后，再重新使用圖像傳感器跟蹤。

2 圖像傳感器實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的設(shè)計(jì)
2．1跟蹤控制器的首次定位
    啟動(dòng)時(shí)，上位機(jī)中VC++程序首先調(diào)用視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的sun函數(shù)(此后跟蹤過(guò)程中無(wú)需再調(diào)用)，返回此時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角，換算成俯仰和方位步進(jìn)電機(jī)所需的步數(shù)，數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，確保太陽(yáng)光斑裝入圖像傳感器視角內(nèi)。子程序得到所需要運(yùn)行的步數(shù)，列出部分代碼：
   
    sun()函數(shù)中各個(gè)變量的含義：
   
    而PC與單片機(jī)通信協(xié)議如下：
   
    狀態(tài)各位定義如下：

    其中：6，5必須同時(shí)為1時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位。
2．2 圖像傳感器的自動(dòng)跟蹤原理
    VC++設(shè)置為每隔5 min自動(dòng)調(diào)用傳感器拍一次照，傳回的圖像經(jīng)Matlab處理，計(jì)算出太陽(yáng)質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差，并轉(zhuǎn)化為水平和俯仰電機(jī)需調(diào)整的步數(shù)，再次送給單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而細(xì)微調(diào)整平面鏡跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)連續(xù)自動(dòng)跟蹤。
    FYP定義為俯仰步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)行步數(shù)，F(xiàn)WP表示方位步進(jìn)電機(jī)應(yīng)運(yùn)行步數(shù)。方位步進(jìn)電機(jī)每動(dòng)作一步實(shí)際為(1．8／100)°，俯仰步進(jìn)電機(jī)每動(dòng)作一步實(shí)際為(1．8／52)°。當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，光斑在圖像中心時(shí)設(shè)定坐標(biāo)為(160，120)，向下移動(dòng)出圖像FYP為50；向右移動(dòng)出圖像FWP為160。若太陽(yáng)光斑不在中心點(diǎn)時(shí)，如圖3所示，經(jīng)Matlab程序執(zhí)行結(jié)果為光斑圖像坐標(biāo)(115，117)，光斑個(gè)數(shù)為1，對(duì)應(yīng)FYP為1，F(xiàn)WP為-46。

    圖像處理過(guò)程中運(yùn)用了最大類(lèi)間方差法Otsu，是根據(jù)最小二乘原理推導(dǎo)出來(lái)的，它基于直方圖來(lái)選取閾值，其基本思路是將直方圖在某一閾值處分割成兩組，當(dāng)被分成的兩組的方差為最大時(shí)，得到閾值。方差是灰度分布均勻性一種量度，方差值越大說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)錯(cuò)分為背景，或部分背景錯(cuò)分為目標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小，所以使類(lèi)間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。Otsu算法具有簡(jiǎn)單、分割速度快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)噪音和目標(biāo)大小十分敏感，對(duì)于信噪比較高的圖像具有很好的分割效果，被認(rèn)為閾值自動(dòng)選取的最優(yōu)方法之一。

    圖4為拍攝到太陽(yáng)光斑存在干擾時(shí)的圖像，對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可發(fā)現(xiàn)用Otsu法分割處理后，能有效消除圖像中細(xì)微干擾。圖4(c)由Otsu法處理后得到圖4(d)，光斑圖像坐標(biāo)(160，120)，光斑個(gè)數(shù)為2，對(duì)應(yīng)FYP和FWP為O。由此判斷拍攝的圖像存在明顯干擾，程序?qū)YP和FWP置為O，確保系統(tǒng)的可靠性。
    一般情況下使用圖像傳感器跟蹤，但當(dāng)陰天或出現(xiàn)厚云層時(shí)，太陽(yáng)光斑無(wú)法出現(xiàn)在傳感器視角內(nèi)，VC++立即調(diào)用時(shí)鐘算法，根據(jù)太陽(yáng)在天空中每分鐘運(yùn)動(dòng)的角度，計(jì)算出跟蹤控制器5 min應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得裝置根據(jù)太陽(yáng)位置而相應(yīng)變動(dòng)。
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    軟件的主要部分為PC機(jī)部分，PC機(jī)環(huán)境為Windows XP，使用軟件Microsoft Visual C++6．0和Matlab 7．0。啟動(dòng)時(shí)VC++負(fù)責(zé)調(diào)用一次sun函數(shù)，返回當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角和方位角，并轉(zhuǎn)化為FYP和FWP運(yùn)行步數(shù)。通過(guò)調(diào)用Windows API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)間數(shù)據(jù)的傳遞。通過(guò)MCC實(shí)現(xiàn)VC++與Matlab的聯(lián)合編程，控制攝像頭采集太陽(yáng)光斑圖像，根據(jù)太陽(yáng)光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差轉(zhuǎn)化為FYP和FWP校正步數(shù)。

    上位機(jī)可執(zhí)行程序控制界面如圖5所示，上位機(jī)控制平臺(tái)具有實(shí)現(xiàn)復(fù)位，太陽(yáng)位置的跟蹤、手動(dòng)校準(zhǔn)。其中“設(shè)置”按鈕，可進(jìn)行波特率、調(diào)整時(shí)間間隔等的設(shè)置。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    實(shí)驗(yàn)在蘇州大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)所內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)觀察時(shí)間為12月下旬至1月上旬。因數(shù)據(jù)量大，表1只列出2010年1月7日記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)。具體測(cè)試方法如下：

    (1)參數(shù)設(shè)置。包括設(shè)置當(dāng)前時(shí)間、波特率、通信端口、圖像傳感器運(yùn)行時(shí)間間隔等。
    (2)運(yùn)行VC++程序。上位機(jī)中VC++程序首先調(diào)用sun函數(shù)，返回此時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角，換算成俯仰和方位步進(jìn)電機(jī)所需的步數(shù)。只記錄下由Matlab生成txt文件中的需要校正的步數(shù)。
    (3)系統(tǒng)自動(dòng)校正完成后，Matlab再次寫(xiě)txt文件，保存校正后太陽(yáng)光斑的圖像坐標(biāo)，以及光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差。此時(shí)記錄。
    (4)每隔5 min重復(fù)(2)，(3)步驟。

    圖6和圖7給出了太陽(yáng)高度角和方位角的誤差曲線。由曲線看出，采用基于圖像傳感器的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器后絕對(duì)誤差較小且保持相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明：在該系統(tǒng)中，高度角跟蹤絕對(duì)誤差小于0．12°，方位角跟蹤絕對(duì)誤差小于0．08°，采用圖像傳感器對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤后，得到了很高的精度，且可靠性提高。

4 結(jié)語(yǔ)
    該跟蹤控制器可以連續(xù)跟蹤太陽(yáng)的角度變化，更準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的跟蹤。當(dāng)出現(xiàn)陰天或多云情況下，系統(tǒng)調(diào)用時(shí)鐘算法，使得裝置連續(xù)跟蹤。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
    控制器采用低速處理器實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)光斑的采集及定位，可應(yīng)用于各種太陽(yáng)能設(shè)備，提高太陽(yáng)能的利用率。如果使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微步距控制技術(shù)，即用細(xì)分技術(shù)實(shí)現(xiàn)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細(xì)的微步，可以使整個(gè)控制系統(tǒng)更加精準(zhǔn)，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種點(diǎn)光源的檢測(cè)。