基于COMS圖像傳感器的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器設計與實(shí)現

　　2.2 圖像傳感器的自動(dòng)跟蹤原理

　　VC++設置為每隔5 min自動(dòng)調用傳感器拍一次照，傳回的圖像經(jīng)Matlab處理，計算出太陽(yáng)質(zhì)心坐標與圖像中心坐標的偏差，并轉化為水平和俯仰電機需調整的步數，再次送給單片機驅動(dòng)步進(jìn)電機，進(jìn)而細微調整平面鏡跟蹤裝置，實(shí)現對太陽(yáng)連續自動(dòng)跟蹤。

　　FYP定義為俯仰步進(jìn)電機應運行步數，FWP表示方位步進(jìn)電機應運行步數。方位步進(jìn)電機每動(dòng)作一步實(shí)際為(1.8/100)°，俯仰步進(jìn)電機每動(dòng)作一步實(shí)際為(1.8/52)°。當系統實(shí)際運行時(shí)，光斑在圖像中心時(shí)設定坐標為(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程序執行結果為光斑圖像坐標(115，117)，光斑個(gè)數為1，對應FYP為1，FWP為 -46。

　　圖像處理過(guò)程中運用了最大類(lèi)間方差法Otsu，是根據最小二乘原理推導出來(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)明構成圖像的兩部分差別越大，當部分目標錯分為背景，或部分背景錯分為目標都會(huì )導致兩部分差別變小，所以使類(lèi)間方差最大的分割意味著(zhù)錯分概率最小。Otsu算法具有簡(jiǎn)單、分割速度快等優(yōu)點(diǎn)，對噪音和目標大小十分敏感，對于信噪比較高的圖像具有很好的分割效果，被認為閾值自動(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，對比圖4(a)和圖4(b)可發(fā)現用Otsu法分割處理后，能有效消除圖像中細微干擾。圖4(c)由Otsu法處理后得到圖4(d)，光斑圖像坐標(160，120)，光斑個(gè)數為2，對應FYP和FWP為O。由此判斷拍攝的圖像存在明顯干擾，程序將FYP和FWP置為O，確保系統的可靠性。

　　一般情況下使用圖像傳感器跟蹤，但當陰天或出現厚云層時(shí)，太陽(yáng)光斑無(wú)法出現在傳感器視角內，VC++立即調用時(shí)鐘算法，根據太陽(yáng)在天空中每分鐘運動(dòng)的角度，計算出跟蹤控制器5 min應轉動(dòng)的角度，從而確定出步進(jìn)電機的轉速，使得裝置根據太陽(yáng)位置而相應變動(dòng)。

　　2.3 系統軟件設計

　　軟件的主要部分為PC機部分，PC機環(huán)境為Windows XP，使用軟件Microsoft Visual C++6.0和Matlab 7.0。啟動(dòng)時(shí)VC++負責調用一次sun函數，返回當前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角和方位角，并轉化為FYP和FWP運行步數。通過(guò)調用Windows API函數，實(shí)現上位機與單片機間數據的傳遞。通過(guò)MCC實(shí)現VC++與Matlab的聯(lián)合編程，控制攝像頭采集太陽(yáng)光斑圖像，根據太陽(yáng)光斑質(zhì)心坐標與圖像中心坐標的偏差轉化為FYP和FWP校正步數。

　　上位機可執行程序控制界面如圖5所示，上位機控制平臺具有實(shí)現復位，太陽(yáng)位置的跟蹤、手動(dòng)校準。其中“設置”按鈕，可進(jìn)行波特率、調整時(shí)間間隔等的設置。

　　3 實(shí)驗數據分析

　　實(shí)驗在蘇州大學(xué)現代光學(xué)所內進(jìn)行，數據觀(guān)察時(shí)間為12月下旬至1月上旬。因數據量大，表1只列出2010年1月7日記錄的部分數據。具體測試方法如下：

　　(1)參數設置。包括設置當前時(shí)間、波特率、通信端口、圖像傳感器運行時(shí)間間隔等。

　　(2)運行VC++程序。上位機中VC++程序首先調用sun函數，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)電機所需的步數。只記錄下由Matlab生成txt文件中的需要校正的步數。

　　(3)系統自動(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，以及光斑質(zhì)心坐標與圖像中心坐標的偏差。此時(shí)記錄。

　　(4)每隔5 min重復(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(xiàn)。由曲線(xiàn)看出，采用基于圖像傳感器的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器后絕對誤差較小且保持相對穩定。通過(guò)對實(shí)測數據的分析表明：在該系統中，高度角跟蹤絕對誤差小于0.12°，方位角跟蹤絕對誤差小于0.08°，采用圖像傳感器對太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤后，得到了很高的精度，且可靠性提高。

　　4 結語(yǔ)

　　該跟蹤控制器可以連續跟蹤太陽(yáng)的角度變化，更準確實(shí)現對太陽(yáng)運動(dòng)的跟蹤。當出現陰天或多云情況下，系統調用時(shí)鐘算法，使得裝置連續跟蹤。經(jīng)過(guò)實(shí)驗測試，各項指標均達到了設計要求。

　　控制器采用低速處理器實(shí)現了對太陽(yáng)光斑的采集及定位，可應用于各種太陽(yáng)能設備，提高太陽(yáng)能的利用率。如果使用步進(jìn)電動(dòng)機的微步距控制技術(shù)，即用細分技術(shù)實(shí)現將步進(jìn)電動(dòng)機一個(gè)整步均分為若干個(gè)更細的微步，可以使整個(gè)控制系統更加精準，可用來(lái)實(shí)現對各種點(diǎn)光源的檢測。