基于ARM嵌入式圖像處理平臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)

摘要：基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理，以ARM微控制器為核心構(gòu)建嵌入式圖像處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器采集太陽(yáng)圖像，通過(guò)微控制器計(jì)算太陽(yáng)角度，通過(guò)串口控制轉(zhuǎn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的高精度跟蹤。同時(shí)，與視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律相結(jié)合，保證系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)，能可靠有效地跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)跟蹤；ARM微控制器；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；CMOS圖像傳感器

0 引言
    隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)保節(jié)能已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。目前，再生能源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注。太陽(yáng)能由于其普遍、無(wú)害、無(wú)限、長(zhǎng)久等特點(diǎn)，成為最綠色、最理想、最可靠的替代能源。但太陽(yáng)能同時(shí)存在分散，不穩(wěn)定，效率低等特點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)為解決這一問(wèn)題提供了條件。
    就目前的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)而言，如何最大限度提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換率，仍是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。有研究表明，和始終朝南的固定表面相比，與太陽(yáng)輻射方向始終保持垂直的表面對(duì)太陽(yáng)能的利用率提高約33％。太陽(yáng)跟蹤裝置可以保證太陽(yáng)輻射方向始終垂直于太陽(yáng)能電池板平面，使接收到的太陽(yáng)輻射大大增加，提高了太陽(yáng)能的接受率與利用率，因而得到廣泛的應(yīng)用。
    太陽(yáng)跟蹤裝置的分類方法有很多，按照跟蹤方法，主要可分為視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤，視日運(yùn)動(dòng)跟蹤又可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤。光電跟蹤裝置有較高靈敏度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能通過(guò)反饋消除累積誤差，具有較大優(yōu)勢(shì)，但受環(huán)境影響很大。其關(guān)鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安裝位置不連續(xù)和環(huán)境光散射等因素的影響，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽(yáng)，精度有限。視日運(yùn)動(dòng)跟蹤能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但跟蹤誤差大；雙軸跟蹤裝置算法復(fù)雜，跟蹤難度較大，但跟蹤精度較高。
    本文用基于32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來(lái)構(gòu)建太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，采用CMOS圖像傳感器來(lái)感知太陽(yáng)方位，并通過(guò)微控制器計(jì)算獲取太陽(yáng)跟蹤誤差，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的高精度跟蹤。加入視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在跟蹤目標(biāo)丟失時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新定位。同時(shí)，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，功耗低，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，能應(yīng)用于各種太陽(yáng)能設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)以ARM微控制器作為主控制器，采用CMOS圖像傳感器采集圖像，并利用雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)支撐太陽(yáng)能電池板。其中雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制部分，通過(guò)串口與主控制器進(jìn)行通信。

    如圖1所示是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。在圖1中，CMOS圖像傳感器與太陽(yáng)能電池板處在同一平面，并固連在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)上；ARM處理器與雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用串口通信方式；系統(tǒng)的供電均由蓄電池支持(包括ARM控制板和轉(zhuǎn)臺(tái))，因而形成了一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本工作原理是：根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律或CMOS圖像傳感器采集的天空?qǐng)D像，利用ARM處理器求取系統(tǒng)跟蹤控制參數(shù)，并通過(guò)串口來(lái)控制雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
1．2 硬件介紹
    (1)ARM微控制器。從實(shí)用角度考慮，太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要，ARM微處理器在保證高性能的前提下能夠盡量降低功耗。相對(duì)于PC機(jī)，ARM微處理器占用空間較小，質(zhì)量輕，可靠性強(qiáng)，硬件資源豐富，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)為系統(tǒng)功能擴(kuò)展提供了可能。系統(tǒng)選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來(lái)構(gòu)建控制平臺(tái)。運(yùn)用ARM微控制器構(gòu)建的嵌入式圖像處理平臺(tái)大大提高了圖像的處理速度，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)成本。圖像處理系統(tǒng)還具有拆裝方便，配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，安全性得到大大提高。

    (2)雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)。系統(tǒng)采用集成式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作電壓為24 V，可利用蓄電池供電。在圖2中，x向?yàn)樗椒较?，y向?yàn)榇怪狈较?。x向轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)太陽(yáng)方位角，y向轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)太陽(yáng)高度角。該雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)x向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-157°～+157°，y向轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～90°，集成了電機(jī)控制模塊，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信來(lái)控制并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在x向和y向上的轉(zhuǎn)動(dòng)。
    (3)CMOS圖像傳感器。圖像傳感器產(chǎn)品主要有CCD，CMOS，CIS三種。其中CMOS圖像傳感器集成度高，價(jià)格低廉，而且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)也具有較高的抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用的圖像傳感器為OmniVision公司的OV 9650型COMS攝像頭，其功耗為30μW，陣列大小為1 300×1 028 pixels，焦距為4．85 mm，像素大小為3．18μm×3．18μm，支持軟件可編程控制，輸出圖像格式包括YUV，RGB等。
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2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 跟蹤控制策略
    圖3所示是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)工作過(guò)程流程圖，系統(tǒng)采用的跟蹤控制策略如下：

    (1)系統(tǒng)可設(shè)置2種工作模式，早晨6：00喚醒跟蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)跟蹤控制，進(jìn)入跟蹤模式；下午18：00休眠系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)閉跟蹤控制，進(jìn)入待機(jī)模式。同時(shí)系統(tǒng)采用粗跟蹤和精跟蹤2種方式，粗跟蹤采用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法，精跟蹤采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法。粗跟蹤為精跟蹤提供初始工作條件，精跟蹤保證系統(tǒng)的跟蹤精度。
    (2)喚醒跟蹤控制系統(tǒng)時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)開(kāi)環(huán)計(jì)算方法進(jìn)行粗跟蹤。粗跟蹤的基本過(guò)程是：根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行的天文規(guī)律計(jì)算，利用系統(tǒng)時(shí)間和給定的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)并控制步進(jìn)電機(jī)，從而調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角位置。粗跟蹤的目的是為了讓太陽(yáng)進(jìn)入圖像傳感器的視野范圍，主要用于首次定位和目標(biāo)丟失后的重新定位。
    (3)系統(tǒng)工作在跟蹤模式時(shí)，周期性采集圖像，采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的閉環(huán)校正方法進(jìn)行精跟蹤。精跟蹤的基本過(guò)程是：通過(guò)對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，獲取太陽(yáng)角度偏差量。由太陽(yáng)角度偏差量可得到轉(zhuǎn)臺(tái)應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度，從而使太陽(yáng)能電池板能正對(duì)太陽(yáng)。精跟蹤的目的是為了保證系統(tǒng)跟蹤精度。
    (4)系統(tǒng)工作在跟蹤模式時(shí)，由于陰天、雨天或其他原因，太陽(yáng)光線很弱或基本看不見(jiàn)，導(dǎo)致CMOS圖像傳感器無(wú)法捕捉到太陽(yáng)。此時(shí)，太陽(yáng)能電池板的工作效率很低，為了減小跟蹤系統(tǒng)能耗，不進(jìn)行電機(jī)動(dòng)作并保持當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)設(shè)置累計(jì)標(biāo)志S，它表示圖像傳感器在連續(xù)S個(gè)采樣周期內(nèi)沒(méi)有捕捉到太陽(yáng)。當(dāng)S累計(jì)到設(shè)定值N時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)開(kāi)環(huán)計(jì)算方法重新粗定位，并重置累計(jì)標(biāo)志S。這樣在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)可以提高系統(tǒng)可靠性。
2．2 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法
    基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法，其基本過(guò)程如下：通過(guò)對(duì)采集圖像進(jìn)行處理，得到太陽(yáng)位置偏差量。如果偏差在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，則保持當(dāng)前狀態(tài)；如果偏差超出預(yù)設(shè)閾值F1的范圍，則根據(jù)偏差的方向和大小調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)，使得通過(guò)圖像處理得到的偏差在預(yù)設(shè)閾值F2的范圍內(nèi)。其中閾值F1的范圍比閾值F2的范圍大，這樣可以減小電機(jī)動(dòng)作次數(shù)，降低能耗。
    (1)圖像處理方法。圖像傳感器得到圖像后，首先進(jìn)行圖像的灰度化。使用屏蔽字和移位操作來(lái)得到R，G，B分量，再進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換，得到灰度圖像。設(shè)置閾值，將圖像二值化，得到的圖像中的光斑即為太陽(yáng)。找到太陽(yáng)位置，計(jì)算光斑中心與圖像中心的偏差值，將該偏差值換算為太陽(yáng)方位角和高度角的實(shí)際偏差值。
    (2)偏差角計(jì)算與轉(zhuǎn)臺(tái)控制。記CMOS圖像傳感器的焦距為f，像素大小為kx×ky。假設(shè)采集圖像上太陽(yáng)位置偏離圖像中心的偏差為px× py，則可以計(jì)算太陽(yáng)偏差角如下：
    太陽(yáng)方位偏差角：△α=arctan(px×kx／f)；
    太陽(yáng)高度偏差角：△β=arctan(py×ky／f)。
    根據(jù)太陽(yáng)方位偏差角和高度偏差角，通過(guò)串口控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)能電池板正對(duì)太陽(yáng)。其中轉(zhuǎn)臺(tái)x軸應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為太陽(yáng)方位偏差角，轉(zhuǎn)臺(tái)y軸應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為太陽(yáng)高度偏差角。
2．3 嵌入式處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)采用S3C2440作為主控制器。利用Linux內(nèi)核代碼，針對(duì)本處理器和本系統(tǒng)特點(diǎn)，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的配置和裁剪，編譯生成嵌入式內(nèi)核，并選用yaffs作為根文件系統(tǒng)，將內(nèi)核映像文件和根文件系統(tǒng)燒寫到微控制器中，并編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序。
    程序在主機(jī)上設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行交叉編譯，然后下載到處理器運(yùn)行。
    首先在主機(jī)Linux系統(tǒng)下搭建交叉編譯環(huán)境，這里采用arm-linux-gcc-4．3．2 with EABI版本的交叉編譯器，并配置主機(jī)和目標(biāo)板的NFS和FTP網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)到目標(biāo)板的文件下載和主機(jī)對(duì)微控制器的控制。程序編寫完成后，進(jìn)行交叉編譯，生成可執(zhí)行文件，下載到處理器運(yùn)行即可。
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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3．1 基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法的跟蹤實(shí)驗(yàn)
    如圖4所示是某次精跟蹤過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中(a)為CMOS圖像傳感器捕捉到的原始圖像；(b)為經(jīng)過(guò)灰度化、二值化后的結(jié)果，可以看出圖像中的太陽(yáng)已經(jīng)被提取出來(lái)；(c)為精跟蹤一段時(shí)間后圖像傳感器得到的圖像，可以看出太陽(yáng)處在圖像中心位置，此時(shí)太陽(yáng)光線垂直照射太陽(yáng)能電池板。

3．2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
    對(duì)本文提出的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試，通過(guò)分析測(cè)試結(jié)果，該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文中設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法和基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法相結(jié)合的方式，一方面采用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法進(jìn)行初始粗定位和系統(tǒng)丟失目標(biāo)時(shí)的重新粗定位；另一方面采用基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法進(jìn)行精確跟蹤。基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的跟蹤方法采用CMOS圖像傳感器采集太陽(yáng)光斑，利用ARM微控制器處理采集到的圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以連續(xù)跟蹤太陽(yáng)的角度變化，能夠達(dá)到較高的跟蹤精度；當(dāng)跟蹤目標(biāo)丟失時(shí)，能夠利用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法對(duì)系統(tǒng)重新定位，具有較好的環(huán)境適應(yīng)能力。該系統(tǒng)具有較低的日均功耗、較高的跟蹤精度和可靠性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，可應(yīng)用于各種太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。