基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統

摘要：基于計算機視覺原理，以ARM微控制器為核心構建嵌入式圖像處理平臺，實現了對太陽的實時跟蹤。系統采用CMOS圖像傳感器采集太陽圖像，通過微控制器計算太陽角度，通過串口控制轉臺，實現對太陽的高精度跟蹤。同時，與視日運動規律相結合，保證系統的可靠性。試驗表明，該系統在降低系統能耗的同時，能可靠有效地跟蹤太陽運動。

關鍵詞：太陽跟蹤； ARM微控制器； 計算機視覺； CMOS圖像傳感器

中圖分類號：TN91934； TP36文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2012)04007104

Sun-tracking system based on ARM embedded image processing platform

CHEN Lijuan， ZHOU Xin

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

Abstract： Based on computer vision principle， the realtime tracking of sun was realized by taking ARM microcontroller as the core to construct the embedded image processing platform. The system collects images of sun through CMOS imaging sensor， and computes the sun angles relative to the tracking platform by a microcontroller. With the computed sun angles information， the system controls the turntable through a serial port to make the solar panel perpendicular to the sun radiations. Meanwhile， another tracking mode based on sun trajectory is integrated in the tracking strategy to insure the system reliability. The teat result indicates that the system can reduce the system energy consumption and effectively track sun.

Keywords： suntracking; ARM microcontroller; computer vision; CMOS image sensor

收稿日期：20110813

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61102138）；南京航空航天大學基本科研業務費專項科研資助項目（V1090031）0引言

隨著社會的發展和進步，環保節能已經成為人類可持續發展的必要條件。目前，再生能源的開發和利用越來越受到人們的關注。太陽能由于其普遍、無害、無限、長久等特點，成為最綠色、最理想、最可靠的替代能源［1］。但太陽能同時存在分散，不穩定，效率低等特點，太陽能光伏系統為解決這一問題提供了條件［23］。

就目前的太陽能光伏系統而言，如何最大限度提高太陽能的轉換率，仍是國內外的研究熱點。有研究表明，和始終朝南的固定表面相比，與太陽輻射方向始終保持垂直的表面對太陽能的利用率提高約33%［4］。太陽跟蹤裝置可以保證太陽輻射方向始終垂直于太陽能電池板平面，使接收到的太陽輻射大大增加，提高了太陽能的接受率與利用率，因而得到廣泛的應用。

太陽跟蹤裝置的分類方法有很多，按照跟蹤方法，主要可分為視日運動跟蹤和光電跟蹤，視日運動跟蹤又可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤［5］。光電跟蹤裝置有較高靈敏度，結構簡單，能通過反饋消除累積誤差，具有較大優勢，但受環境影響很大。其關鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安裝位置不連續和環境光散射等因素的影響，系統不能連續跟蹤太陽，精度有限［6］。視日運動跟蹤能夠全天候實時跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結構簡單，但跟蹤誤差大；雙軸跟蹤裝置算法復雜，跟蹤難度較大，但跟蹤精度較高［78］。

本文用基于32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來構建太陽跟蹤系統，采用CMOS圖像傳感器來感知太陽方位，并通過微控制器計算獲取太陽跟蹤誤差，實現對太陽的高精度跟蹤。加入視日運動規律，在跟蹤目標丟失時，對系統進行重新定位。同時，該系統的結構簡單輕便，功耗低，環境適應能力強，能應用于各種太陽能設備。

1硬件設計

1.1系統硬件結構

系統以ARM微控制器作為主控制器，采用CMOS圖像傳感器采集圖像，并利用雙軸轉臺來支撐太陽能電池板。其中雙軸轉臺集成了電機驅動與控制部分，通過串口與主控制器進行通信。

如圖1所示是太陽跟蹤系統的硬件結構圖。在圖1中，CMOS圖像傳感器與太陽能電池板處在同一平面，并固連在雙軸轉臺上；ARM處理器與雙軸轉臺的電機驅動部分采用串口通信方式；系統的供電均由蓄電池支持（包括ARM控制板和轉臺），因而形成了一個獨立系統。系統的基本工作原理是：根據視日運動規律或CMOS圖像傳感器采集的天空圖像，利用ARM處理器求取系統跟蹤控制參數，并通過串口來控制雙軸轉臺的轉動。

圖1太陽跟蹤系統的硬件結構圖1.2硬件介紹

（1） ARM微控制器。從實用角度考慮，太陽跟蹤系統的低功耗設計顯得尤為重要，ARM微處理器在保證高性能的前提下能夠盡量降低功耗［9］。相對于PC機，ARM微處理器占用空間較小，質量輕，可靠性強，硬件資源豐富，在簡化系統結構的同時為系統功能擴展提供了可能。系統選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來構建控制平臺。運用ARM微控制器構建的嵌入式圖像處理平臺大大提高了圖像的處理速度，同時有效降低了系統成本。圖像處理系統還具有拆裝方便，配置靈活等優點，安全性得到大大提高［10］。

（2） 雙軸轉臺。系統采用集成式雙軸轉臺，其結構如圖2所示，工作電壓為24 V，可利用蓄電池供電。在圖2中，x向為水平方向，y向為垂直方向。x向轉角對應太陽方位角，y向轉角對應太陽高度角。該雙軸轉臺x向轉動范圍為-157°~+157°，y向轉動范圍為0°~90°，集成了電機控制模塊，并提供串行接口，控制器可以利用串口通信來控制并驅動轉臺在x向和y向上的轉動。

（3） CMOS圖像傳感器。圖像傳感器產品主要有CCD，CMOS，CIS三種。其中CMOS圖像傳感器集成度高，價格低廉，而且可以實現數字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統設計的靈活性，同時也具有較高的抗干擾性和穩定性［11］。系統采用的圖像傳感器為OmniVision公司的OV 9650型COMS攝像頭，其功耗為30 μW，陣列大小為1 300×1 028 pixels，焦距為4.85 mm，像素大小為3.18 μm×3.18 μm，支持軟件可編程控制，輸出圖像格式包括YUV，RGB等。

圖2雙軸轉臺的結構圖2軟件設計

2.1跟蹤控制策略

圖3所示是太陽跟蹤系統工作過程流程圖，系統采用的跟蹤控制策略如下：

（1） 系統可設置2種工作模式，早晨6：00喚醒跟蹤控制系統，系統啟動跟蹤控制，進入跟蹤模式；下午18：00休眠系統，系統關閉跟蹤控制，進入待機模式。同時系統采用粗跟蹤和精跟蹤2種方式，粗跟蹤采用視日運動跟蹤方法，精跟蹤采用基于計算機視覺的跟蹤方法。粗跟蹤為精跟蹤提供初始工作條件，精跟蹤保證系統的跟蹤精度。

圖3太陽跟蹤系統工作過程流程圖（2） 喚醒跟蹤控制系統時，采用視日運動開環計算方法進行粗跟蹤。粗跟蹤的基本過程是：根據太陽運行的天文規律計算，利用系統時間和給定的當地經緯度計算太陽高度角和太陽方位角，并根據計算結果來驅動并控制步進電機，從而調整太陽能電池板的角位置。粗跟蹤的目的是為了讓太陽進入圖像傳感器的視野范圍，主要用于首次定位和目標丟失后的重新定位。

（3） 系統工作在跟蹤模式時，周期性采集圖像，采用基于計算機視覺的閉環校正方法進行精跟蹤。精跟蹤的基本過程是：通過對采集圖像進行處理，獲取太陽角度偏差量。由太陽角度偏差量可得到轉臺應轉過的角度，從而使太陽能電池板能正對太陽。精跟蹤的目的是為了保證系統跟蹤精度。

（4） 系統工作在跟蹤模式時，由于陰天、雨天或其他原因，太陽光線很弱或基本看不見，導致CMOS圖像傳感器無法捕捉到太陽。此時，太陽能電池板的工作效率很低，為了減小跟蹤系統能耗，不進行電機動作并保持當前狀態。同時設置累計標志S，它表示圖像傳感器在連續S個采樣周期內沒有捕捉到太陽。當S累計到設定值N時，采用視日運動開環計算方法重新粗定位，并重置累計標志S。這樣在降低系統能耗的同時可以提高系統可靠性。

2.2基于計算機視覺的跟蹤方法

基于計算機視覺的跟蹤方法，其基本過程如下：通過對采集圖像進行處理，得到太陽位置偏差量。如果偏差在預設閾值范圍內，則保持當前狀態；如果偏差超出預設閾值F1的范圍，則根據偏差的方向和大小調整轉臺，使得通過圖像處理得到的偏差在預設閾值F2的范圍內。其中閾值F1的范圍比閾值F2的范圍大，這樣可以減小電機動作次數，降低能耗。

（1） 圖像處理方法。圖像傳感器得到圖像后，首先進行圖像的灰度化。使用屏蔽字和移位操作來得到R，G，B分量，再進行比例轉換，得到灰度圖像。設置閾值，將圖像二值化，得到的圖像中的光斑即為太陽。找到太陽位置，計算光斑中心與圖像中心的偏差值，將該偏差值換算為太陽方位角和高度角的實際偏差值。

（2） 偏差角計算與轉臺控制。記CMOS圖像傳感器的焦距為f，像素大小為kx×ky。假設采集圖像上太陽位置偏離圖像中心的偏差為px×py，則可以計算太陽偏差角如下：

太陽方位偏差角：Δα=arctan(px×kx/f) ；

太陽高度偏差角：Δβ=arctan(py×ky/f) 。

根據太陽方位偏差角和高度偏差角，通過串口控制轉臺轉動，使太陽能電池板正對太陽。其中轉臺x軸應轉過的角度為太陽方位偏差角，轉臺y軸應轉過的角度為太陽高度偏差角。

2.3嵌入式處理平臺的實現

系統采用S3C2440作為主控制器。利用Linux內核代碼，針對本處理器和本系統特點，對內核進行相應的配置和裁剪，編譯生成嵌入式內核，并選用yaffs作為根文件系統，將內核映像文件和根文件系統燒寫到微控制器中，并編寫相應驅動程序。

程序在主機上設計完成后，需進行交叉編譯，然后下載到處理器運行。

首先在主機Linux系統下搭建交叉編譯環境，這里采用armlinuxgcc4.3.2 with EABI版本的交叉編譯器，并配置主機和目標板的NFS和FTP網絡，以實現主機到目標板的文件下載和主機對微控制器的控制。程序編寫完成后，進行交叉編譯，生成可執行文件，下載到處理器運行即可。

3實驗結果

3.1基于計算機視覺方法的跟蹤實驗

如圖4所示是某次精跟蹤過程的實驗結果，其中(a)為CMOS圖像傳感器捕捉到的原始圖像；(b)為經過灰度化、二值化后的結果，可以看出圖像中的太陽已經被提取出來；(c)為精跟蹤一段時間后圖像傳感器得到的圖像，可以看出太陽處在圖像中心位置，此時太陽光線垂直照射太陽能電池板。

圖4視覺跟蹤試驗結果3.2系統技術指標

對本文提出的太陽跟蹤系統進行了性能測試，通過分析測試結果，該系統的技術指標如表1所示。

表1太陽跟蹤系統的技術指標

方位角范圍-157°~+157°高度角范圍0°~90°跟蹤精度0.05°系統自重 /kg11工作溫度范圍 /℃-10~60噪音范圍 /dB≤70系統平均耗電量 /W≤5

4結語

本文中設計的太陽跟蹤系統采用視日運動跟蹤方法和基于計算機視覺的跟蹤方法相結合的方式，一方面采用視日運動跟蹤方法進行初始粗定位和系統丟失目標時的重新粗定位；另一方面采用基于計算機視覺的跟蹤方法進行精確跟蹤。基于計算機視覺的跟蹤方法采用CMOS圖像傳感器采集太陽光斑，利用ARM微控制器處理采集到的圖像，實現對太陽的實時跟蹤。實驗結果表明，該系統可以連續跟蹤太陽的角度變化，能夠達到較高的跟蹤精度；當跟蹤目標丟失時，能夠利用視日運動跟蹤方法對系統重新定位，具有較好的環境適應能力。該系統具有較低的日均功耗、較高的跟蹤精度和可靠性，結構簡單輕便，可應用于各種太陽能光伏系統。

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