係統總體設計

該係統主要由平麵鏡跟蹤裝置
、控製和驅動電路
、方位限位電路
、CMOS圖像傳感器(附巴德膜濾波片)等部分組成。係統總體設計框圖如圖1所示。跟蹤裝置實物圖如圖2所示，圖像傳感器固定在平麵鏡中心。圖像傳感器產品主要分為CCD，CMOS以及CIS傳感器三種。目前CMOS型不僅價格低廉，而且已經實現數字化輸出，軟件可編程控製
，大大降低係統設計的難度，提高係統設計的靈活性、抗幹擾性和穩定性。

 
圖1：係統總體框圖

 
圖2：太陽自動跟蹤裝置實物圖

CMOS圖像傳感器滿足係統設計要求。跟蹤控製器采用羅技公司的QuickCam係列網絡攝像頭
，具有功耗小

、成本低、單一電源驅動、易(yi)於(yu)實(shi)現(xian)片(pian)上(shang)係(xi)統(tong)集(ji)成(cheng)等(deng)特(te)點(dian)。其(qi)開(kai)窗(chuang)特(te)征(zheng)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)實(shi)際(ji)需(xu)要(yao)設(she)置(zhi)有(you)效(xiao)圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)窗(chuang)口(kou)的(de)大(da)小(xiao)，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)了(le)對(dui)無(wu)效(xiao)數(shu)據(ju)的(de)采(cai)集(ji)，減(jian)小(xiao)存(cun)儲(chu)空(kong)間(jian)。

由於太陽光十分強烈
，因此在圖像采集時，需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。實驗表明加兩層濾波片後，所得到的圖像效果較佳。

係統工作過程為：啟動時，上位機VC++調用視日運動規律中的sun函數
，獲取太陽的高度角與方位角，並轉化為俯仰和水平步進電機的運行步數，通過RS 485總線與單片機通信，驅動跟蹤裝置運轉，確保太陽光斑裝入CMOS圖像傳感器視角內。

通過MCC實現VC++與Matlab聯合編程，實時控製圖像傳感器采集太陽光斑圖像。VC++程序設置為每隔5 min自動調用傳感器拍一次照，傳回的圖像經Matlab處理，計算出太陽光斑質心坐標與圖像中心坐標的偏差，轉化為水平和俯仰電機需調整的步數，返回給VC++，再次送給單片機，驅動步進電機動作
，進而細微調整平麵鏡跟蹤裝置，使太陽光斑始終在圖像中心位置。

當厚雲層擋住太陽時，或者由於其他原因太陽光斑無法出現在傳感器視角內，則VC++調用時鍾跟蹤算法，繼續跟蹤，直到雲層過去後，再重新使用圖像傳感器跟蹤。

圖像傳感器實時跟蹤太陽的設計

圖像傳感器的自動跟蹤原理

VC++設置為每隔5 min自動調用傳感器拍一次照，傳回的圖像經Matlabchuli

，jisuanchutaiyangzhixinzuobiaoyutuxiangzhongxinzuobiaodepiancha
，bingzhuanhuaweishuipinghefuyangdianjixutiaozhengdebushu
，zaicisonggeidanpianjiqudongbujindianji
，jinerxiweitiaozhengpingmianjinggenzongzhuangzhi
，shixianduitaiyanglianxuzidonggenzong。

FYP定義為俯仰步進電機應運行步數，FWP表示方位步進電機應運行步數。方位步進電機每動作一步實際為(1．8／100)°，俯仰步進電機每動作一步實際為(1．8／52)°。當係統實際運行時
，光斑在圖像中心時設定坐標為(160，120)
，向下移動出圖像FYP為50；向右移動出圖像FWP為160。若太陽光斑不在中心點時，如圖3所示，經Matlab程序執行結果為光斑圖像坐標(115


，117)，光斑個數為1，對應FYP為1，FWP為-46。

 
圖3：太陽光斑不在中心點的圖像

圖像處理過程中運用了最大類間方差法Otsu，shigenjuzuixiaoerchengyuanlituidaochulaide，tajiyuzhifangtulaixuanquyuzhi，qijibensilushijiangzhifangtuzaimouyiyuzhichufengechengliangzu
，dangbeifenchengdeliangzudefangchaweizuidashi


，dedaoyuzhi。fangchashihuidufenbujunyunxingyizhongliangdu
，fangchazhiyuedashuominggouchengtuxiangdeliangbufenchabieyueda，dangbufenmubiaocuofenweibeijing
，huobufenbeijingcuofenweimubiaodouhuidaozhiliangbufenchabiebianxiao
，suoyishileijianfangchazuidadefengeyiweizhecuofengailvzuixiao。Otsu算法具有簡單、分割速度快等優點，對噪音和目標大小十分敏感，對於信噪比較高的圖像具有很好的分割效果，被認為閾值自動選取的最優方法之一。

圖4為拍攝到太陽光斑存在幹擾時的圖像，對比圖4(a)和圖4(b)可發現用Otsu法分割處理後，能有效消除圖像中細微幹擾。圖4(c)由Otsu法處理後得到圖4(d)
，光斑圖像坐標(160

，120)
，光斑個數為2，對應FYP和FWP為O。由此判斷拍攝的圖像存在明顯幹擾
，程序將FYP和FWP置為O
，確保係統的可靠性。

 
圖4：跟蹤過程中存在幹擾時的太陽光斑圖像

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一般情況下使用圖像傳感器跟蹤，但當陰天或出現厚雲層時，太陽光斑無法出現在傳感器視角內
，VC++立即調用時鍾算法，根據太陽在天空中每分鍾運動的角度，計算出跟蹤控製器5 min應轉動的角度
，從而確定出步進電機的轉速，使得裝置根據太陽位置而相應變動。

係統軟件設計

軟件的主要部分為PC機部分，PC機環境為Windows XP，使用軟件Microsoft Visual C++6．0和Matlab 7．0。啟動時VC++負責調用一次sun函數，返回當前時刻太陽的高度角和方位角，並轉化為FYP和FWP運行步數。通過調用Windows API函數，實現上位機與單片機間數據的傳遞。通過MCC實現VC++與Matlab的聯合編程，控製攝像頭采集太陽光斑圖像

，根據太陽光斑質心坐標與圖像中心坐標的偏差轉化為FYP和FWP校正步數。

上位機可執行程序控製界麵如圖5所示，上位機控製平台具有實現複位，太陽位置的跟蹤

、手動校準。其中“設置”按鈕，可進行波特率
、調整時間間隔等的設置。

 
圖5：上位機主控界麵

實驗數據分析

實驗在蘇州大學現代光學所內進行
，數據觀察時間為12月下旬至1月上旬。因數據量大，表1隻列出2010年1月7日記錄的部分數據。具體測試方法如下：

(1)參數設置。包括設置當前時間、波特率
、通信端口
、圖像傳感器運行時間間隔等。

(2)運行VC++程序。上位機中VC++程序首先調用sun函數，返回此時的太陽高度角和方位角

，換算成俯仰和方位步進電機所需的步數。隻記錄下由Matlab生成txt文件中的需要校正的步數。

(3)係統自動校正完成後
，Matlab再次寫txt文件，保存校正後太陽光斑的圖像坐標
，以及光斑質心坐標與圖像中心坐標的偏差。此時記錄。

(4)每隔5 min重複(2)，(3)步驟。

圖6和圖7geichuletaiyanggaodujiaohefangweijiaodewuchaquxian。youquxiankanchu，caiyongjiyutuxiangchuanganqidetaiyangzidonggenzongkongzhiqihoujueduiwuchajiaoxiaoqiebaochixiangduiwending。tongguoduishiceshujudefenxibiaoming：在該係統中，高度角跟蹤絕對誤差小於0．12°

，方位角跟蹤絕對誤差小於0．08°，采用圖像傳感器對太陽進行跟蹤後，得到了很高的精度，且可靠性提高。

 
圖6：俯仰實際絕對誤差值曲線

 
圖7：方位誤差跟蹤曲線

結語

該gai跟gen蹤zong控kong製zhi器qi可ke以yi連lian續xu跟gen蹤zong太tai陽yang的de角jiao度du變bian化hua
，更geng準zhun確que實shi現xian對dui太tai陽yang運yun動dong的de跟gen蹤zong。當dang出chu現xian陰yin天tian或huo多duo雲yun情qing況kuang下xia，係xi統tong調tiao用yong時shi鍾zhong算suan法fa，使shi得de裝zhuang置zhi連lian續xu跟gen蹤zong。經jing過guo實shi驗yan測ce試shi，各ge項xiang指zhi標biao均jun達da到dao了le設she計ji要yao求qiu。

kongzhiqicaiyongdisuchuliqishixianleduitaiyangguangbandecaijijidingwei，keyingyongyugezhongtaiyangnengshebei，tigaotaiyangnengdeliyonglv。ruguoshiyongbujindiandongjideweibujukongzhijishu
，jiyongxifenjishushixianjiangbujindiandongjiyigezhengbujunfenweiruogangegengxideweibu
，keyishizhenggekongzhixitonggengjiajingzhun
，keyonglaishixianduigezhongdianguangyuandejiance。