[发明专利]基于单摄像头的太阳跟踪定位装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于单摄像头的太阳跟踪定位装置与方法。

背景技术

太阳能作为一种绿色环保的能源，越来越受到人们的重视。太阳能发电能为人类提供可持续能源，并保护赖以生存的环境，但其发电效率低，发电成本相对较高，这制约了其大规模应用。

太阳能发电板所获得光照度E＝E₀cosθ，其中，θ为入射光线与被照表面的法线之间的夹角，E0表示θ为0度时，太阳能发电板所获得的光照度。光照度越大，光电板产生的光电流越大。

由此可见，在没有出现高效的光伏电池材料之前，研究具有实用价值的太阳能自动跟踪装置，使太阳光直射在太阳能电池板上，即θ＝0°，以此提高太阳能电池板的使用效率，则是促进太阳能广泛应用的主要途径之一。

目前，太阳光方位跟踪控制器主要以电控为主，早先纯机械跟踪方式由于精度低、机构复杂、灵活性差等因素基本已经停止应用。采用电控方式的太阳光方位跟踪控制器，有时钟跟踪和传感器跟踪两种。采用时钟跟踪方式多为极轴方式线性跟踪，但是会存在累积偏差，需要人工修正；当使用在其他跟踪机构上时，由于为非线性跟踪，控制器多为工控机，算法复杂，成本高，可移植性不强。采用传感器跟踪，现有的研究中多半采用光敏电阻、光敏三极管等光敏元件，这些设备虽然成本低，但是定位精度不够高，所用的电子器件容易发生老化现象，有关温度及光强变化对跟踪精度的影响也未见报道，存在阴天或者多云的天气失灵的现象，性能不够稳定。现有的传感器跟踪方法无法满足那些跟踪精度要求较高，设备性能要求较稳定的太阳能聚光发电系统的要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于单摄像头的太阳跟踪定位装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于单摄像头的太阳跟踪定位装置，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。

一种应用上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，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。

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。

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。

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。

本发明的有益效果是：本发明实时采集太阳方位图像信息并得到太阳的精确方位，系统精确度高，稳定可靠，抗干扰能力强，适合于那些跟踪精度要求较高，设备性能要求较稳定的太阳能聚光发电系统使用。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明具体实施例的结构框图；

图3是本发明的摄像头旋转平面图；

图4是本发明的整体程序流程图；

图5是本发明的小孔成像模型&世界坐标与摄像头坐标图；

图6是本发明的CCD图像平面坐标图与像素平面坐标图；

图7是本发明的图像处理计算程序流程图。

具体实施方式

下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。