[发明专利]一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳定位方法。

背景技术

传统的太阳定位装置是专用的太阳敏感器，包括基于太阳电池的编码、模拟太阳敏感器，近几年又出现了基于掩模孔的APS太阳敏感器，以上装置的特点是利用小光阑(狭缝、掩模孔)减弱太阳能力，根据光电进行探测。

光电效应的太阳跟踪定位技术按照识别太阳位置的方法分为：狭缝成像、质心求解以及四象限偏差。狭缝成像的方法主要应用于太阳敏感器中，通过太阳光线射过狭缝的夹角求出太阳方位。质心求解的方法主要是通过辨识出太阳光斑范围的质心来获取太阳的方位。四象限偏差的方法是利用太阳光斑在四个象限产生的不同光电流信号差驱动光敏面与太阳对准，但该方法得不出太阳的方位。这三种方法都是以整个太阳光斑为辨识单位，辨识精度低，加之太阳影像为非标准圆且受杂光影响很大，以上三种方法仅仅将太阳建模为一个近似圆形亮斑，计算误差会很大。

另外，太阳跟踪定位技术广泛应用太阳能电池板发电、大气监测等地面民用领域，主要方式为天文计算，即严格按照相关天文计算公式编写，在研究太阳能利用所涉及到的日地距离、积日、太阳赤纬角、太阳时角、时差、年度订正、经度订正、时刻订正等概念和计算方法后，得出复杂的计算程序。此方法完全摆脱感知太阳，单纯依靠经验公式，计算复杂精度低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，利用CMOS光电探测器自身的强光成像效应太阳图像的中心为黑点的方法，辨识出太阳中心黑暗部分，解决了现有方法定位过程中太阳亮斑易受大气、杂光和太阳活动干扰影响定位精度低的问题，提高太阳定位的精度。

本发明的技术解决方案是：一种基于CMOS导航相机的太阳定位方法，步骤如下：

(1)采用CMOS导航相机获取一幅包括太阳在内的图像；

(2)对步骤(1)获得的图像进行二值化处理，将图像中太阳所在范围内所有像素点的最低灰度值作为阈值，并将图像中灰度值小于阈值的像素点的像素值设为0，将图像中灰度值不小于阈值的像素点的像素值设为1；

(3)在二值图像上，设置太阳半径所包括的像素个数R；

(4)在二值图像上，设置黑太阳直径所包括的像素个数d，以d为步长从二值图像首行起始位置开始逐行查找黑太阳像素点，查找条件为：像素值为0且从该像素点所在位置沿其所在行向左或者向右移动步长d后对应的像素点的像素值为1，设满足查找条件的黑太阳像素点位于第i行第j+d列，每次找到一个黑太阳像素点后即停止查找进入下一步；如果遍历完二值图像后仍未查找到满足条件的黑太阳像素点，则返回步骤(3)改变R值后重新执行本步骤；

(5)对于查找到的黑太阳像素点，计算其上下左右各d个像素点共4d个像素点中像素值为0的像素点的个数，如果计算结果位于阈值区间(d，2d-1)，则进入下一步；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；

(6)将黑太阳像素点及其周围像素值为0的区域视为一个圆形，求出其圆心，以圆心为中心，分别构建边长为d和的两个正方形，计算边长为d的正方形中包含的像素值为0的像素点个数H1以及边长为的正方形中包含的像素值为1的像素点个数H2，如果且则圆心即为太阳的中心；否则返回步骤(4)从上一次的查找结束位置继续查找；其中Δ和ε为误差调整系数。

所述步骤(6)中求取圆心的方法为：从像素点(i，j+d)所在位置开始，向上下左右四个方向开始查找像素值为1的四个点，上、下两个点的纵坐标均值以及左、右两个点的横坐标均值分别作为圆心的横坐标和纵坐标。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)普通跟踪和定位方法是以整个太阳为辨识目标，由于目标视场范围较大，导致定位时的精度较低，且定位速度较慢；而本发明方法通过CMOS的特殊成像功能将太阳中心的可能范围缩小在一个很小的“黑太阳”区域内，相当于缩小了视线夹角，因此方法简单，定位精度高；

2)由于大气散射，云层反射等会导致太阳非圆形化，造成极大的识别困难。在此情况下，通过调整曝光时间获得的不同太阳影像中，如果继续采用现有方法则太阳中心位置变化明显，太阳定位的误差明显较大；采用本发明方法，由于选取太阳中心的黑太阳作为识别对应，而黑太阳不受外界环境干扰，因此其中心位置几乎不变，据此进行太阳定位可以克服干扰，获得更高的定位精度；