基于A(yíng)RM嵌入式圖像處理平臺的太陽(yáng)跟蹤系統

摘要：基于計算機視覺(jué)原理，以ARM微控制器為核心構建嵌入式圖像處理平臺，實(shí)現了對太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。系統采用CMOS圖像傳感器采集太陽(yáng)圖像，通過(guò)微控制器計算太陽(yáng)角度，通過(guò)串口控制轉臺，實(shí)現對太陽(yáng)的高精度跟蹤。同時(shí)，與視日運動(dòng)規律相結合，保證系統的可靠性。試驗表明，該系統在降低系統能耗的同時(shí)，能可靠有效地跟蹤太陽(yáng)運動(dòng)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)跟蹤；ARM微控制器；計算機視覺(jué)；CMOS圖像傳感器

0 引言
隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和進(jìn)步，環(huán)保節能已經(jīng)成為人類(lèi)可持續發(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(cháng)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，不穩定，效率低等特點(diǎn)，太陽(yáng)能光伏系統為解決這一問(wèn)題提供了條件。
就目前的太陽(yáng)能光伏系統而言，如何最大限度提高太陽(yáng)能的轉換率，仍是國內外的研究熱點(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，因而得到廣泛的應用。
太陽(yáng)跟蹤裝置的分類(lèi)方法有很多，按照跟蹤方法，主要可分為視日運動(dòng)跟蹤和光電跟蹤，視日運動(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，結構簡(jiǎn)單，能通過(guò)反饋消除累積誤差，具有較大優(yōu)勢，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和環(huán)境光散射等因素的影響，系統不能連續跟蹤太陽(yáng)，精度有限。視日運動(dòng)跟蹤能夠全天候實(shí)時(shí)跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結構簡(jiǎn)單，但跟蹤誤差大；雙軸跟蹤裝置算法復雜，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)構建太陽(yáng)跟蹤系統，采用CMOS圖像傳感器來(lái)感知太陽(yáng)方位，并通過(guò)微控制器計算獲取太陽(yáng)跟蹤誤差，實(shí)現對太陽(yáng)的高精度跟蹤。加入視日運動(dòng)規律，在跟蹤目標丟失時(shí)，對系統進(jìn)行重新定位。同時(shí)，該系統的結構簡(jiǎn)單輕便，功耗低，環(huán)境適應能力強，能應用于各種太陽(yáng)能設備。

1 硬件設計
1．1 系統硬件結構
系統以ARM微控制器作為主控制器，采用CMOS圖像傳感器采集圖像，并利用雙軸轉臺來(lái)支撐太陽(yáng)能電池板。其中雙軸轉臺集成了電機驅動(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)跟蹤系統的硬件結構圖。在圖1中，CMOS圖像傳感器與太陽(yáng)能電池板處在同一平面，并固連在雙軸轉臺上；ARM處理器與雙軸轉臺的電機驅動(dòng)部分采用串口通信方式；系統的供電均由蓄電池支持(包括ARM控制板和轉臺)，因而形成了一個(gè)獨立系統。系統的基本工作原理是：根據視日運動(dòng)規律或CMOS圖像傳感器采集的天空圖像，利用ARM處理器求取系統跟蹤控制參數，并通過(guò)串口來(lái)控制雙軸轉臺的轉動(dòng)。
1．2 硬件介紹
(1)ARM微控制器。從實(shí)用角度考慮，太陽(yáng)跟蹤系統的低功耗設計顯得尤為重要，ARM微處理器在保證高性能的前提下能夠盡量降低功耗。相對于PC機，ARM微處理器占用空間較小，質(zhì)量輕，可靠性強，硬件資源豐富，在簡(jiǎn)化系統結構的同時(shí)為系統功能擴展提供了可能。系統選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來(lái)構建控制平臺。運用ARM微控制器構建的嵌入式圖像處理平臺大大提高了圖像的處理速度，同時(shí)有效降低了系統成本。圖像處理系統還具有拆裝方便，配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，安全性得到大大提高。

(2)雙軸轉臺。系統采用集成式雙軸轉臺，其結構如圖2所示，工作電壓為24 V，可利用蓄電池供電。在圖2中，x向為水平方向，y向為垂直方向。x向轉角對應太陽(yáng)方位角，y向轉角對應太陽(yáng)高度角。該雙軸轉臺x向轉動(dòng)范圍為-157°～+157°，y向轉動(dòng)范圍為0°～90°，集成了電機控制模塊，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信來(lái)控制并驅動(dòng)轉臺在x向和y向上的轉動(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)現數字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統設計的靈活性，同時(shí)也具有較高的抗干擾性和穩定性。系統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。