本發(fā)明屬于太陽(yáng)跟蹤與圖像處理領(lǐng)域，具體涉及一種基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圖像采集的太陽(yáng)跟蹤校正方法及裝置。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能作為一種清潔能源，具有可再生、綠色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建綠色環(huán)保社會(huì)的理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。并且我國(guó)“十二五”發(fā)展規(guī)劃綱要已明確提出“重點(diǎn)發(fā)展太陽(yáng)能熱利用”，表明太陽(yáng)能熱利用對(duì)節(jié)能減排工作的重要意義。因此，實(shí)時(shí)對(duì)太陽(yáng)軌跡進(jìn)行跟蹤，有效增加太陽(yáng)能設(shè)備的轉(zhuǎn)換率和利用率，這一技術(shù)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能裝置基本是固定在某一平面上，當(dāng)太陽(yáng)隨著時(shí)間，地點(diǎn)位置發(fā)生改變時(shí)，由于傾角的關(guān)系，使得太陽(yáng)光無(wú)法直射設(shè)備的接觸面，導(dǎo)致太陽(yáng)能利用率降低。為了提高太陽(yáng)能設(shè)備的利用效率，就需要盡可能地增長(zhǎng)太陽(yáng)直射太陽(yáng)能裝置的時(shí)間，因此需要跟蹤太陽(yáng)的軌跡，保持太陽(yáng)光與太陽(yáng)能裝置相對(duì)垂直的關(guān)系。

在對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤過(guò)程中，能夠準(zhǔn)確定位太陽(yáng)位置并且將太陽(yáng)能裝置與太陽(yáng)光保持垂直是十分重要的。然而，由于實(shí)際地理環(huán)境條件和機(jī)械裝置所造成的誤差，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，往往不能夠很好地將太陽(yáng)能裝置與太陽(yáng)光垂直，需要人工進(jìn)行校正。因此，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定跟蹤太陽(yáng)軌跡并且減小地理環(huán)境造成的實(shí)際誤差和機(jī)械誤差成為了該領(lǐng)域的技術(shù)性難題。

申請(qǐng)?zhí)枮?01310381564.X的中國(guó)發(fā)明專利文獻(xiàn)“太陽(yáng)跟蹤裝置及跟蹤方法”公開(kāi)了一種通過(guò)光電探測(cè)模塊、GPS定位模塊、控制模塊、傳動(dòng)組件和電機(jī)模塊的太陽(yáng)跟蹤裝置，并利用GPS定位模塊和光電探測(cè)模塊聯(lián)合判斷控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

但是現(xiàn)有的太陽(yáng)跟蹤裝置中，由于存在機(jī)械誤差等因素，對(duì)太陽(yáng)的跟蹤精度較低，導(dǎo)致對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電裝置的校正準(zhǔn)確度較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷及不足，本發(fā)明提供了一種基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圖像采集的太陽(yáng)跟蹤校正方法及裝置，本發(fā)明通過(guò)實(shí)時(shí)校正鏡頭相對(duì)太陽(yáng)的位置，實(shí)現(xiàn)了能夠長(zhǎng)時(shí)間高效、準(zhǔn)確地對(duì)太陽(yáng)軌跡的跟蹤，減小了機(jī)械裝置帶來(lái)的誤差影響，利用本發(fā)明的跟蹤結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能裝置方向的調(diào)整，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能設(shè)備對(duì)太陽(yáng)光的利用率。

一種基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圖像采集的太陽(yáng)跟蹤校正方法，包括如下步驟：

(1)獲取當(dāng)?shù)氐乩砦恢玫慕?jīng)緯度信息；

(2)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻該地的赤緯角δ和當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的日角β；

(3)計(jì)算出當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)t₁；

(4)根據(jù)當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)計(jì)算出此刻太陽(yáng)的時(shí)角ω；

(5)計(jì)算出當(dāng)?shù)禺?dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的高度角α及方位角γ；

(6)根據(jù)太陽(yáng)的高度角α及方位角γ判斷出太陽(yáng)位置，并控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)到太陽(yáng)位置；該云臺(tái)上安裝有用于采集太陽(yáng)圖像的攝像機(jī)；

(7)云臺(tái)到達(dá)指定位置后，攝像機(jī)開(kāi)始采集太陽(yáng)圖像；

(8)對(duì)采集太陽(yáng)圖像進(jìn)行預(yù)處理：灰度化、二值化、連通域提取；

(9)識(shí)別出太陽(yáng)圖像中太陽(yáng)圓心位置；

(10)計(jì)算太陽(yáng)圖像中太陽(yáng)圓心位置與太陽(yáng)遮擋板圓心(采集圖像的中心)的偏差σ；

(11)將偏差σ反饋給云臺(tái)，控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置微調(diào)，重復(fù)步驟(7)-(10)直至偏差小于設(shè)定值(比如σ＝0)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)圖像校正；

重復(fù)步驟(2)-(11)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤及校正。

作為優(yōu)選，步驟(8)中，所述預(yù)處理包括：

(8-1)對(duì)太陽(yáng)圖像進(jìn)行灰度化；

(8-2)對(duì)太陽(yáng)圖像進(jìn)行二值化；

(8-3)根據(jù)八方向鏈碼提取出灰度化、二值化后圖像中的連通域；

(8-4)在提取出的連通域中，篩選出太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域。

上述步驟(8-4)中，篩選出太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的方法是：計(jì)算每個(gè)連通域?qū)?yīng)的最小外接矩形的長(zhǎng)和寬，取最小外接矩形的長(zhǎng)和寬最大者，即為所述的太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域。

作為優(yōu)選，步驟(9)中，所述太陽(yáng)圓心為所述太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的質(zhì)心。

作為優(yōu)選，所述太陽(yáng)遮擋板固定在攝像機(jī)鏡頭正前方，且中心與攝像機(jī)鏡頭的中心同軸；步驟(10)中，所述太陽(yáng)遮擋板圓心為太陽(yáng)圖像的中心。

本發(fā)明還提供了一種基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與圖像采集的太陽(yáng)跟蹤校正方法裝置，包括：

云臺(tái)控制模塊，包括云臺(tái)和支撐底座，用于在水平和豎直方向上的云臺(tái)二維方向控制和圖像校正；

太陽(yáng)遮擋模塊，包括黑色太陽(yáng)遮擋板、透明支撐桿，用于遮擋太陽(yáng)強(qiáng)光，輔助攝像機(jī)圖像的采集；利用所述透明支撐桿將所述太陽(yáng)遮擋板固定在攝像機(jī)鏡頭正前方，且中心與攝像機(jī)鏡頭的中心同軸；

圖像采集模塊，包括數(shù)碼攝像機(jī)、魚(yú)眼鏡頭，用于實(shí)時(shí)采集太陽(yáng)圖像；

圖像處理及計(jì)算模塊，用于對(duì)所述的太陽(yáng)圖像進(jìn)行處理，并計(jì)算出偏差σ；

所述的圖像處理及計(jì)算模塊對(duì)所述的太陽(yáng)圖像進(jìn)行處理，并計(jì)算出偏差σ的具體方法為：

(i)對(duì)圖像采集模塊采集的太陽(yáng)圖像進(jìn)行圖像灰度化、二值化、連通域的分析提取，得到太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域；

(ii)針對(duì)提取出的太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域，計(jì)算出連通域質(zhì)心(即為太陽(yáng)中心位置)；

(iii)計(jì)算連通域質(zhì)心與采集圖像中心(即為太陽(yáng)遮擋板的中心位置)的偏差σ；

所述的圖像處理及計(jì)算模塊為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)圖像處理算法和軟件編程計(jì)算出太陽(yáng)圓心位置與太陽(yáng)遮擋板圓心(采集圖像的中心)的偏差σ，實(shí)現(xiàn)云臺(tái)相對(duì)太陽(yáng)位置的微調(diào)，保證太陽(yáng)跟蹤的精確性。并設(shè)計(jì)了太陽(yáng)遮擋板，能在實(shí)時(shí)采集天空全景圖像的同時(shí)對(duì)太陽(yáng)區(qū)域進(jìn)行遮擋，以保護(hù)相機(jī)。同時(shí)，為便于觀察太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的軌跡，所述圖像處理模塊內(nèi)還可以包括人機(jī)界面軟件，用于實(shí)時(shí)顯示所述的圖像，并接收用戶的操作指令對(duì)攝像機(jī)和云臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。

針對(duì)現(xiàn)有太陽(yáng)跟蹤裝置及方法的缺陷及不足，充分考慮了機(jī)械裝置產(chǎn)生的誤差等因素，本發(fā)明通過(guò)云臺(tái)控制模塊、太陽(yáng)遮擋模塊、圖像采集模塊、圖像處理及計(jì)算模塊，利用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律判斷出太陽(yáng)位置，同時(shí)根據(jù)攝像機(jī)采集的圖像計(jì)算偏差，實(shí)現(xiàn)相對(duì)太陽(yáng)位置的微調(diào)，能夠?qū)崟r(shí)高效對(duì)太陽(yáng)軌跡進(jìn)行跟蹤，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高的優(yōu)點(diǎn)，利用本發(fā)明的跟蹤結(jié)果可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能裝置方向的調(diào)整，保證太陽(yáng)光始終與太陽(yáng)能設(shè)備接觸面垂直，進(jìn)而提高太陽(yáng)能設(shè)備的利用率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的步驟流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，一種基于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律與相機(jī)實(shí)時(shí)采集的太陽(yáng)跟蹤校正方法，包括如下步驟：

(1)獲取當(dāng)?shù)氐乩砦恢玫慕?jīng)度λ和緯度信息；

(2)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻該地的赤緯角δ和當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)的日角β：

其中n為檢測(cè)當(dāng)天對(duì)應(yīng)的一年中累積的天數(shù)，比如以公歷為例，1月1日為天數(shù)n＝1；1月2日為天數(shù)n＝2,...,12月31日為天數(shù)n＝365；

(3)利用日角β計(jì)算出時(shí)差e，并計(jì)算出當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)的時(shí)間t₁：

e＝0.0172+0.4281cosβ-7.3175sinβ-3.3495cos(2β)-9.3619sin(2β) (3)

t₁＝t₀+e (5)

其中t為北京時(shí)間轉(zhuǎn)為單位為分鐘的時(shí)間，t₀為當(dāng)?shù)仄教?yáng)時(shí)轉(zhuǎn)為單位為分鐘的時(shí)間，t₁為當(dāng)?shù)卣嫣?yáng)時(shí)轉(zhuǎn)為單位為分鐘的時(shí)間；

(4)計(jì)算太陽(yáng)時(shí)角ω：

(5)計(jì)算出當(dāng)?shù)卮丝痰奶?yáng)高度角α及方位角γ：

(6)根據(jù)步驟(5)中計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)高度角α及方位角γ確定出太陽(yáng)當(dāng)前的位置，并通過(guò)控制單元控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽(yáng)當(dāng)前位置；

(7)到達(dá)指定位置后，利用攝像機(jī)采集太陽(yáng)圖像；

(8)將采集得到的太陽(yáng)圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理：灰度化、二值化：

圖像灰度化：

f(i,j)＝0.3R(i,j)+0.59G(i,j)+0.11B(i,j) (9)

圖像二值化：

其中f(i,j)和g(i,j)分別表示太陽(yáng)圖像對(duì)應(yīng)的灰度圖和二值圖，R(i,j),G(i,j),B(i,j)表示太陽(yáng)圖像RGB通道分離后的三種圖像，i,j為太陽(yáng)圖像上像素點(diǎn)的坐標(biāo)；

(9)圖像經(jīng)過(guò)灰度化、二值化后，根據(jù)八方向鏈碼提取出所有連通域，根據(jù)連通域的最小外接矩形的長(zhǎng)和寬篩選(選擇最小外接矩形的長(zhǎng)和寬最大的那個(gè)為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域)出太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域：

Height＝max[dis(C_m,C_n)] (11)

Width＝max[dis(C_m,C_n)] (12)

其中C_m和C_n是在連通域上同一列或行的兩個(gè)像素點(diǎn)，Height為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的高度值(或長(zhǎng)度值)，Width為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的寬度值，max[]為取最大值函數(shù)，dis(C_m,C_n)為求取像素點(diǎn)C_m與像素點(diǎn)C_n之間距離的函數(shù)；

(10)確定太陽(yáng)的圓心O，太陽(yáng)的圓心就是太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的質(zhì)心，質(zhì)心公式如下：

其中a₀和a分別為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的起始行和結(jié)束行，b₀和b分別為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域的起始列和結(jié)束列，m為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，x₀和y₀分別為太陽(yáng)的圓心O的坐標(biāo)；x_i,y_i分別為太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域內(nèi)像素點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；

(11)計(jì)算太陽(yáng)圓心與太陽(yáng)遮擋板的中心偏差σ，由于太陽(yáng)遮擋板是通過(guò)透明支撐桿固定懸掛在魚(yú)眼鏡頭前方，即在采集的太陽(yáng)圖像的中心，因此偏差σ就是太陽(yáng)圓心與采集的太陽(yáng)圖像的中心的偏差：

其中和為采集的太陽(yáng)圖像的中心點(diǎn)；

(12)將計(jì)算出來(lái)的偏差σ反饋給云臺(tái)的控制單元，若偏差σ＝0，則表明太陽(yáng)已經(jīng)被遮擋板完全覆蓋，實(shí)現(xiàn)了圖像太陽(yáng)校正，否則控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)步驟(7)～(12)直至σ＝0；當(dāng)然此處的0也可以是認(rèn)為設(shè)定的任一非零的閾值，可根據(jù)具體控制精度不同進(jìn)行選擇；

重復(fù)步驟(2)～(12)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤及校正。

本太陽(yáng)跟蹤裝置包括云臺(tái)控制模塊、太陽(yáng)遮擋模塊、圖像采集模塊和圖像處理及計(jì)算模塊。

云臺(tái)控制模塊，包括云臺(tái)及支撐底座，用于控制云臺(tái)的二維轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)軌跡跟蹤及圖像校正。云臺(tái)為全方位云臺(tái)，能夠水平左右方向和垂直上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其中水平轉(zhuǎn)速為9°/s，垂直轉(zhuǎn)速為1°/s。云臺(tái)可通過(guò)串口由外界的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，這里所述計(jì)算機(jī)構(gòu)成上述的控制單元；支撐底座內(nèi)一般裝有電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)方向調(diào)整的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

太陽(yáng)遮擋模塊，包括黑色太陽(yáng)遮擋板和透明支撐桿，用于遮擋太陽(yáng)強(qiáng)光，輔助攝像機(jī)圖像的采集。為了防止攝像機(jī)采集圖像時(shí)被太陽(yáng)強(qiáng)光所影響，需要在攝像機(jī)鏡頭前(采集圖像中心)加上一塊黑色太陽(yáng)遮擋板，黑色太陽(yáng)遮擋板通過(guò)透明支撐桿固定懸掛在鏡頭前(即采集圖像的中心)，支撐桿固定在相機(jī)旁，支撐桿、相機(jī)都安裝在云臺(tái)上，跟隨云臺(tái)一起實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖像采集模塊，包括相機(jī)和鏡頭，用于太陽(yáng)圖像的采集。攝像機(jī)(或相機(jī))為數(shù)碼攝像機(jī)，鏡頭為魚(yú)眼鏡頭。

圖像處理及計(jì)算模塊，用于對(duì)所述的太陽(yáng)圖像進(jìn)行處理，并計(jì)算出太陽(yáng)圓心與采集圖像中心的偏差σ；圖像處理及計(jì)算模塊硬件可采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，核心部分為編寫(xiě)的計(jì)算機(jī)軟件。具體工作方式為：

(i)對(duì)圖像采集模塊采集的太陽(yáng)圖像進(jìn)行圖像灰度化、二值化、連通域的分析提取；

(ii)針對(duì)提取出的太陽(yáng)對(duì)應(yīng)的連通域，計(jì)算出該連通域質(zhì)心；

(iii)計(jì)算連通域質(zhì)心與采集圖像中心的偏差σ。

所述的圖像處理及計(jì)算模塊為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，通過(guò)圖像處理算法和軟件編程計(jì)算出太陽(yáng)圓心位置與太陽(yáng)遮擋板圓心(采集圖像的中心)的偏差σ，實(shí)現(xiàn)相對(duì)太陽(yáng)位置的微調(diào)。同時(shí)，為便于觀察太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的軌跡，所述圖像處理模塊內(nèi)還可以包括人機(jī)界面軟件，用于實(shí)時(shí)顯示所述的圖像，并接收用戶的操作指令對(duì)攝像機(jī)和云臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。本發(fā)明中，可以利用同一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)控制模塊的控制和圖像的處理與計(jì)算。