專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤定位裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤定位裝置。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為一種綠色環(huán)保的能源，越來(lái)越受到人們的重視。太陽(yáng)能發(fā)電能為人類(lèi) 提供可持續(xù)能源，并保護(hù)賴(lài)以生存的環(huán)境，但其發(fā)電效率低，發(fā)電成本相對(duì)較高，這制約了 其大規(guī)模應(yīng)用。太陽(yáng)能發(fā)電板所獲得光照度E = E0Cos θ，其中，θ為入射光線(xiàn)與被照表面的法線(xiàn) 之間的夾角，Etl表示θ為0度時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電板所獲得的光照度。光照度越大，光電板產(chǎn)生 的光電流越大。由此可見(jiàn)，在沒(méi)有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研究具有實(shí)用價(jià)值的太陽(yáng)能自 動(dòng)跟蹤裝置，使太陽(yáng)光直射在太陽(yáng)能電池板上，即θ =0°，以此提高太陽(yáng)能電池板的使用 效率，則是促進(jìn)太陽(yáng)能廣泛應(yīng)用的主要途徑之一。目前，太陽(yáng)光方位跟蹤控制器主要以電控為主，早先純機(jī)械跟蹤方式由于精度低、 機(jī)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差等因素基本已經(jīng)停止應(yīng)用。采用電控方式的太陽(yáng)光方位跟蹤控制器，有 時(shí)鐘跟蹤和傳感器跟蹤兩種。采用時(shí)鐘跟蹤方式多為極軸方式線(xiàn)性跟蹤，但是會(huì)存在累積 偏差，需要人工修正；當(dāng)使用在其他跟蹤機(jī)構(gòu)上時(shí)，由于為非線(xiàn)性跟蹤，控制器多為工控機(jī)， 算法復(fù)雜，成本高，可移植性不強(qiáng)。采用傳感器跟蹤，現(xiàn)有的研究中多半采用光敏電阻、光敏 三極管等光敏元件，這些設(shè)備雖然成本低，但是定位精度不夠高，所用的電子器件容易發(fā)生 老化現(xiàn)象，有關(guān)溫度及光強(qiáng)變化對(duì)跟蹤精度的影響也未見(jiàn)報(bào)道，存在陰天或者多云的天氣 失靈的現(xiàn)象，性能不夠穩(wěn)定?，F(xiàn)有的傳感器跟蹤方法無(wú)法滿(mǎn)足那些跟蹤精度要求較高，設(shè)備 性能要求較穩(wěn)定的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤 定位裝置。本實(shí)用新型的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤 定位裝置，它包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、舵機(jī)、攝像頭和視頻解碼器。其中，數(shù)字信號(hào)處理芯 片與舵機(jī)相連，兩個(gè)相同的齒輪分別固定在舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和攝像頭的支撐軸上，兩齒輪嚙 合在一起。攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與視頻解碼器相連，視頻解碼器與DSP相連。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)方位圖像信息并得到太陽(yáng)的 精確方位，系統(tǒng)精確度高，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適合于那些跟蹤精度要求較高，設(shè)備性 能要求較穩(wěn)定的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)使用。
圖1是本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實(shí)用新型具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是本實(shí)用新型的攝像頭旋轉(zhuǎn)平面圖；圖4是本實(shí)用新型的整體程序流程圖；圖5是本實(shí)用新型的小孔成像模型&世界坐標(biāo)與攝像頭坐標(biāo)圖；圖6是本實(shí)用新型的CXD圖像平面坐標(biāo)圖與像素平面坐標(biāo)圖；圖7是本實(shí)用新型的圖像處理計(jì)算程序流程圖。
具體實(shí)施方式
下面根據(jù)附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的目的和效果將變得更加明顯。如圖1所示，本實(shí)用新型基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤定位裝置，包括數(shù)字信號(hào)處理 芯片(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱(chēng)DSP)、舵機(jī)、攝像頭和視頻解碼器。其中，DSP與 舵機(jī)相連，兩個(gè)相同的齒輪分別固定在舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和攝像頭的支撐軸上，兩齒輪嚙合在 一起，舵機(jī)通過(guò)齒輪的嚙合帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)。攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與視頻解碼器相連，視頻解 碼器與DSP相連。其工作過(guò)程如下DSP通過(guò)高低電平的周期性變化，生成一個(gè)占空比可調(diào)的周期 為20ms的PWM波，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度。攝像頭采 集圖像，通過(guò)視頻解碼器連接DSPJ^a DSP內(nèi)部圖像處理分析，確定太陽(yáng)方位。如圖2所示，在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，DSP可以采用TI公司的TMS320DM642芯 片，該芯片工作主頻720MHz，處理性能可達(dá)5760MIPS，32-位定點(diǎn)DSP，方便各種復(fù)雜的圖 像處理與控制算法；此芯片支持BT. 656格式的視頻數(shù)據(jù)流的輸入格式，能與多種視頻解碼 器的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行無(wú)縫連接。片上存儲(chǔ)器包括16KX8-位的LlP Cache、LlD Cache和 256KX8-位的L2RAM/Cache，方便進(jìn)行采集圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；片上外設(shè)3通路32位定時(shí)器、 數(shù)字I/O 口 8通路輸出，8通路輸入，選擇DO通路來(lái)輸出PWM波，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；在本實(shí)用新 型的實(shí)施實(shí)例中，視頻解碼器可以采用TI公司的TVP5150PBS芯片。它是一款高性能視頻解 碼器，可將NTSC、PAL視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字色差信號(hào)(YUV4:2:2),支持兩個(gè)復(fù)合視頻或一個(gè) S端子輸入。輸出格式為ITU-RBT.656。TMS320DM642支持BT. 656格式的視頻數(shù)據(jù)流的輸 入格式，能與TVP5150的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行無(wú)縫連接。本系統(tǒng)選擇VPO的A通道與第1通路 的TVP5150 (U20)相連接，TVP5150的GPCL引腳用來(lái)作為VP 口的CAPEN，來(lái)控制視頻數(shù)據(jù)流 的采集。當(dāng)GPCL為“1”時(shí)，允許VP 口對(duì)輸入的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采集；GPCL為“0”時(shí)，則禁 止VP 口對(duì)輸入的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行采集。GPCL狀態(tài)可以通過(guò)對(duì)TVP5150的Miscellaneous Control Register寄存器(地址為0x3)中的GPCL位進(jìn)行設(shè)置；在本實(shí)用新型的實(shí)例中， 舵機(jī)可以采用SANWA SRM102型號(hào)。它有三條線(xiàn)黑線(xiàn)連接地線(xiàn)，紅線(xiàn)為電源線(xiàn)接電源，藍(lán) 線(xiàn)為控制信號(hào)線(xiàn)，與TMS32DM642的DOO 口相連；在本實(shí)用新型的實(shí)例中，攝像頭可以采用 普通的CCD攝像頭。市面上銷(xiāo)售的攝像頭自帶一個(gè)三角支架，在三角支架頂端與攝像頭連 接處有一個(gè)支撐軸，支撐軸自身可以360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)與地面夾角也可以調(diào)整，調(diào)整范圍為 (-60° -60° )。本實(shí)用新型在支撐軸上安裝一個(gè)齒輪，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)相同型號(hào) 的齒輪，與攝像頭支撐軸所安裝的齒輪相扣。由此舵機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)控制攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及為攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如圖4所示，整個(gè)工作過(guò)程主要包括三部分1、舵機(jī)控制攝像頭定位；2、圖像信息 采集；3、圖像信息處理，獲取太陽(yáng)方位。系統(tǒng)初始化后，每次判斷定時(shí)器時(shí)間是否已經(jīng)3小 時(shí)，如果到了 3個(gè)小時(shí)則通過(guò)改變DO 口的PWM波占空比改變一次攝像頭角度，如上述舵機(jī) 控制部分所述。圖像采集實(shí)時(shí)進(jìn)行，通過(guò)設(shè)置GPCL狀態(tài)來(lái)進(jìn)行控制。本實(shí)用新型的關(guān)鍵計(jì) 算在于，將攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度β分為4種狀態(tài)0°、45°、90°和135°，每一種狀態(tài)對(duì)應(yīng) 一個(gè)已知的坐標(biāo)系。判斷出狀態(tài)后，根據(jù)該狀態(tài)下的坐標(biāo)系，結(jié)合采集到的圖像信息，由圖 像處理算法即可推算出太陽(yáng)在這個(gè)坐標(biāo)系下的角度，進(jìn)而得到太陽(yáng)的確切方位。下面再具 體介紹各個(gè)步驟的實(shí)施。1、舵機(jī)控制攝像頭定位攝像頭旋轉(zhuǎn)平面設(shè)置如圖3所示首先調(diào)整攝像頭支架，使得攝像頭旋轉(zhuǎn)平面α 與地面的夾角Y為固定值60°。在旋轉(zhuǎn)平面α內(nèi)，定義二維坐標(biāo)系，在正東方向攝像頭角 度為0°，在正西方向攝像頭角度為180°。在夜間時(shí)，系統(tǒng)處于關(guān)機(jī)或者休眠狀態(tài)，攝像頭 在旋轉(zhuǎn)平面的角度β為0° ；太陽(yáng)升起后，攝像頭開(kāi)始采集陽(yáng)光，DSP進(jìn)行計(jì)算處理，定時(shí)器 每隔3個(gè)小時(shí)改變一次輸出的PWM波的占空比，使舵機(jī)在順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45度，從而帶動(dòng)攝像 頭在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)45度，改變?chǔ)陆嵌?，以此保證太陽(yáng)所處位置在攝像頭可視角度內(nèi)。在 攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)4次以后(即傍晚太陽(yáng)快落山時(shí))，如果太陽(yáng)已經(jīng)落山，攝像頭采集不到任何圖 像，則DSP輸出初始PWM波，使舵機(jī)復(fù)位，攝像頭回到0度。系統(tǒng)停止運(yùn)行。攝像頭的每一 個(gè)轉(zhuǎn)角狀態(tài)都對(duì)應(yīng)著一個(gè)攝像頭坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)角β將會(huì)作為臨時(shí)參數(shù)在第三步中的圖像處 理部分得到應(yīng)用。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以通過(guò)改變PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)。TMS320DM642片上有三個(gè)32-位 定時(shí)器。DOO 口設(shè)為輸出口，通過(guò)定時(shí)器定時(shí)，開(kāi)始輸出高電平持續(xù)0.5ms，然后輸出低電 平19. 5ms，如此反復(fù)，這樣控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到最左端(定義為0° )；如果輸出高電平持續(xù)為 lms，低電平19ms，則舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，此時(shí)舵機(jī)角度為45° ；如果輸出高電平持續(xù)為 1.5ms，低電平18. 5ms，則舵機(jī)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，此時(shí)舵機(jī)角度為90° ；如果輸出高電 平持續(xù)為2ms，低電平18ms，則舵機(jī)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，此時(shí)舵機(jī)角度為135° ；如果輸出 高電平持續(xù)為2. 5ms，低電平17. 5ms，則舵機(jī)繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，此時(shí)舵機(jī)角度為180°。 如此可以方便控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。2、圖像信息采集攝像頭面對(duì)天空采集圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)傳輸?shù)较到y(tǒng)板上的TVP5150視頻解碼器。 TVP5150輸出BT. 656格式的視頻數(shù)據(jù)流，與TMS320DM642進(jìn)行連接。TMS320DM642上集成了 三個(gè)Video Port (簡(jiǎn)稱(chēng)VP) 口，每個(gè)視頻口由20位數(shù)據(jù)線(xiàn)、2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)VPxCLKO (輸入) 和VPxCLKI (輸入/輸出)、3個(gè)控制信號(hào)VPxCTLO、VPxCTLI和VPxCTL2組成。時(shí)鐘信號(hào)作 為視頻源的時(shí)鐘信號(hào)輸入/輸出，控制信號(hào)作為視頻源的同步信號(hào)輸入/輸出(行同步、幀 同步、場(chǎng)標(biāo)志，視頻采集使能等)。每個(gè)視頻口被分為上(B)、下(A) 2個(gè)通道，VPO的A通道 與McBSPO復(fù)用，VPl的A通道與McBSPl復(fù)用，VPO和VPl的B通道與McASP復(fù)用，VP2則為 單功能引腳。本實(shí)用新型將VPl配置為單通道視頻輸入口+McASP 口，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的輸入， 此時(shí)VPxCLKO作為視頻源的輸入時(shí)鐘，VPxCLK 1未用。而VPxCTLO、VPxCTL 1和VPxCTL2則 分別作為視頻源的CAPEN/AVID/HSYNC、VBLNK/VSYNC、FID輸入同步信號(hào)。BT. 656視頻數(shù)據(jù)
5流采集的起始、水平同步、垂直同步等，受輸入信號(hào)CAPEN和視頻通道控制寄存器VCxCTL (χ =A、B)中的VCEN、EXC、HRST, VRST, FLDD等控制位組合控制。一副圖像信息在DSP中以一個(gè)矩陣的形式存儲(chǔ)，其存儲(chǔ)與計(jì)算的具體方式將在下 一節(jié)圖像信息處理中具體介紹。3、圖像信息處理圖像信息處理部分主要包括兩部分目標(biāo)特征點(diǎn)的提取以及單攝像頭的空間坐標(biāo) 系轉(zhuǎn)換方法。我們將太陽(yáng)作為目標(biāo)特征點(diǎn)，首先進(jìn)行目標(biāo)特征點(diǎn)的提取從攝像頭采集進(jìn)來(lái)的 圖像信號(hào)通過(guò)基于圓擬合的光斑中心檢測(cè)算法得到目標(biāo)在屏幕上的位置坐標(biāo)。檢測(cè)算法的精度和速度，直接影響了測(cè)量的精度和速度。傳統(tǒng)的檢測(cè)算法如重心 法，Hough變換法在檢測(cè)速度或精度上存在不足?；趫A擬合的光斑中心檢測(cè)算法是根據(jù) 最小二乘原理用圓來(lái)逼近光斑輪廓，該算法可達(dá)到亞像素級(jí)的定位精度，具有很快的計(jì)算 速度，可適用于實(shí)施的光學(xué)測(cè)量。設(shè)圓的方程為(x-a)2+(y-b)2 = r2(1)邊界上任一點(diǎn)殘差值ε j = (Xi-a)2+(yi-b)2-r2 (2)式中，i e E，E表示所有邊界的集合，(xi; Yi)為該點(diǎn)邊界點(diǎn)坐標(biāo)。殘差平方和函數(shù)
權(quán)利要求一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤定位裝置，其特征在于，它包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、舵機(jī)、攝像頭和視頻解碼器；其中，數(shù)字信號(hào)處理芯片與舵機(jī)相連，兩個(gè)相同的齒輪分別固定在舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和攝像頭的支撐軸上，兩齒輪嚙合在一起；攝像頭通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與視頻解碼器相連，視頻解碼器與DSP相連。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于單攝像頭的太陽(yáng)跟蹤定位裝置，該裝置包括數(shù)字信號(hào)處理芯片、舵機(jī)、攝像頭和視頻解碼器。本實(shí)用新型實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)方位圖像信息并得到太陽(yáng)的精確方位，系統(tǒng)精確度高，穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適合于那些跟蹤精度要求較高，設(shè)備性能要求較穩(wěn)定的太陽(yáng)能聚光發(fā)電系統(tǒng)使用。
文檔編號(hào)H04N7/26GK201698230SQ20102019482
公開(kāi)日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者周博, 孟濬, 王允波, 王康 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)