[发明专利]基于单摄像头的太阳跟踪定位装置与方法

权利要求书

1.一种基于单摄像头的太阳跟踪定位装置，其特征在于，它包括：数字信号处理芯片、舵机、摄像头和视频解码器。其中，数字信号处理芯片与舵机相连，两个相同的齿轮分别固定在舵机的旋转轴和摄像头的支撑轴上，两齿轮啮合在一起。摄像头通过数据线与视频解码器相连，视频解码器与DSP相连。

2.一种应用权利要求1所述基于单摄像头的太阳跟踪定位装置的太阳跟踪定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)舵机控制摄像头定位。

(2)图像信息采集。

(3)图像信息处理。

3.根据权利要求2所述太阳跟踪定位方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：调整摄像头支架，使得摄像头旋转平面α与地面的夹角γ为固定值60°。在旋转平面α内，定义二维坐标系，在正东方向摄像头角度为0°，在正西方向摄像头角度为180°。在夜间时，系统处于关机或者休眠状态，摄像头在旋转平面的角度β为0°；太阳升起后，摄像头开始采集阳光，DSP进行计算处理，定时器每隔3个小时改变一次输出的PWM波的占空比，使舵机在顺时针转动45度，从而带动摄像头在旋转平面内转动45度，改变β角度，以此保证太阳所处位置在摄像头可视角度内。在摄像头转动4次以后，如果太阳已经落山，摄像头采集不到任何图像，则DSP输出初始PWM波，使舵机复位，摄像头回到0度。系统停止运行。

4.根据权利要求2所述太阳跟踪定位方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：摄像头面对天空采集图像，通过数据线传输到视频解码器，视频解码器输出视频数据流至数字信号处理芯片。

5.根据权利要求2所述太阳跟踪定位方法，其特征在于，所述步骤(3)包括目标特征点的提取和单摄像头的空间坐标系转换两部分：从摄像头采集进来的图像信号通过基于圆拟合的光斑中心检测算法，得到目标在屏幕上的位置坐标；在确定了目标特征点后，通过图像矩阵中提取的目标点的坐标值与相机的位置结合，确定太阳在实际空间中的位置。

6.根据权利要求5所述太阳跟踪定位方法，其特征在于，所述通过图像矩阵中提取的目标点的坐标值与相机的位置结合，确定太阳在实际空间中的位置具体为：本方法采用光学小孔成像模型，该模型中包含着四个坐标系：

(1)世界坐标系：世界坐标系是物体在自然环境中的，根据自然环境所选定的坐标系，其坐标用(ρ_wcosα_w，ρ_wsinα_w，ρ_wsinγ_w)表示。

(2)相机坐标系：以相机的光心为坐标原点，X轴、Y轴分别平行于CCD平面坐标系的x轴和y轴，相机的光轴为z轴，坐标用(ρ_ccosα_c，ρ_csinα_c，ρ_csinγ_c)表示。

(3)像素图像平面坐标系：在图像上定义直角坐标系uv，每一个像素的坐标(u，v)分别是该像素在矩阵中的列数和行数，所以，(u，v)是以像素为单位的图像坐标系的坐标；由于(u，v)只表示像素位于矩阵中的列数和行数，并没有用物理单位表示出该像素在图像中的位置，因而需要建立以物理单位表示的CCD图像坐标系。

(4)CCD平面图像坐标系：该坐标系以图像内中点o1为原点，x轴、y轴分别平行于像素平面坐标系的u轴和v轴。坐标用(ρ₁cosα₁，ρ₁sinα₁)来表示。假设提取的太阳特征定位点为S(ρ_scosα_s，ρ_ssinα_s)点，图像像素坐标区域内，最大半径为ρ_max。已知的摄像头最大采光角度为γ_max，则可以得出在相机坐标系中的γ_c角度：

γc=ρ1ρmaxγmax]]>

同时，在相机坐标系中的α_c角度满足：

α_c＝α₁

则S点在相机坐标系中的坐标表示为：S

由空间坐标(ρ_wcosα_w，ρ_wsinα_w，ρ_wsinγ_w)到相机坐标(ρ_ccosα_c，ρ_csinα_c，ρ_csinγ_c)的投影矩阵可以表示为：

ρwcosαwρwsinαwρwsinγw=sinαwcosαw0cosαwsinαw-coscosαwsinαwtanγwγwρccosαcρcsinαcρcsinγc]]>

由以上3式可以得到，相机坐标系中的点S在世界坐标系中的坐标为：S(ρsin(α_w+α₁)，ρ[cos(α_w-α₁)-sinγ₁cosγ_w]，ρ[cos(α_w-α₁)+sinγ₁tanγ_w])，由此可以求出太阳在世界坐标系中，在XY平面上的投影与x轴的夹角α₀和太阳射线的仰角γ₀：

α0=arccos(sin(αw+α1))γ0=arctan(cos(αw-α1)+tanγwsinγ1)]]>

其中，α₁为图6中图像像素坐标系的目标点与中心连线与x轴夹角，可以通过图像矩阵求出，将CCD平面图像坐标系上的两个角度用像素平面坐标系来表示。则：

α1=arctan(v1-v0u1-u0)γ1=(u1-u0)2+(v1-v0)2(um-u0)2+(vm-v0)2γmax]]>

其中，γ_max为摄像头的最大视角，是相机的内部参数已知。(u1，v1)为太阳目标特征点在像素坐标系中的位置，(u₀，v₀)为像素坐标系原点，(u_m，v_m)为原点与目标特征点连线上对应的最大的边界坐标。均可以从图像中得到。α_w和γ_w为相机位置在世界坐标系中的坐标，均为已知；由此，便可以求出太阳在世界坐标系中的两个方位即在平面上投影与x轴的夹角α_w，和射线与地面的仰角γ_w；如此，便得到了太阳的方位。