基于COMS图像传感器的太阳自动跟踪控制器设计与实现

太阳跟踪的方法很多，主要可以分为两种方式，即光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪装置优点是灵敏度高，结构设计简单，能通过反馈消除累计误差，具有较大的优势。其关键部件是光电传感器，常用的是光敏电阻。由于光敏电阻安放位置的不连续和环境散射光的影响，系统不能连续跟踪太阳，精度有限。

　　因此需对光敏电阻的结构进行优化，而通过增加光敏电阻个数的方法则会造成装置结构复杂，成本提高。通过分析，采用图像传感器代替了光敏电阻检测太阳位置的变化，可以准确、快速地获得太阳位置信息，从而提高了跟踪精度。同时其结构简化，成本降低。

　　1 系统总体设计

　　该系统主要由平面镜跟踪装置、控制和驱动电路、方位限位电路、CMOS图像传感器(附巴德膜滤波片)等部分组成。系统总体设计框图如图1所示。跟踪装置实物图如图2所示，图像传感器固定在平面镜中心。图像传感器产品主要分为CCD，CMOS以及CIS传感器三种。目前CMOS型不仅价格低廉，而且已经实现数字化输出，软件可编程控制，大大降低系统设计的难度，提高系统设计的灵活性、抗干扰性和稳定性。

　　CMOS图像传感器满足系统设计要求。跟踪控制器采用罗技公司的QuickCam系列网络摄像头，具有功耗小、成本低、单一电源驱动、易于实现片上系统集成等特点。其开窗特征可以根据实际需要设置有效图像数据窗口的大小，从而避免了对无效数据的采集，减小存储空间。

　　由于太阳光十分强烈，因此在图像采集时，需要给摄像头加上巴德膜滤波片。实验表明加两层滤波片后，所得到的图像效果较佳。

　　系统工作过程为：启动时，上位机VC++调用视日运动规律中的sun函数，获取太阳的高度角与方位角，并转化为俯仰和水平步进电机的运行步数，通过RS 485总线与单片机通信，驱动跟踪装置运转，确保太阳光斑装入CMOS图像传感器视角内。

　　通过MCC实现VC++与Matlab联合编程，实时控制图像传感器采集太阳光斑图像。VC++程序设置为每隔5 min自动调用传感器拍一次照，传回的图像经Matlab处理，计算出太阳光斑质心坐标与图像中心坐标的偏差，转化为水平和俯仰电机需调整的步数，返回给 VC++，再次送给单片机，驱动步进电机动作，进而细微调整平面镜跟踪装置，使太阳光斑始终在图像中心位置。

　　当厚云层挡住太阳时，或者由于其他原因太阳光斑无法出现在传感器视角内，则VC++调用时钟跟踪算法，继续跟踪，直到云层过去后，再重新使用图像传感器跟踪。

　　2 图像传感器实时跟踪太阳的设计

　　2．1跟踪控制器的首次定位

　　启动时，上位机中VC++程序首先调用视日运动规律中的sun函数(此后跟踪过程中无需再调用)，返回此时的太阳高度角和方位角，换算成俯仰和方位步进电机所需的步数，数据送给单片机，驱动跟踪装置运转，确保太阳光斑装入图像传感器视角内。子程序得到所需要运行的步数，列出部分代码：

　　sun()函数中各个变量的含义：

　　而PC与单片机通信协议如下：

　　状态各位定义如下：

　　其中：6，5必须同时为1时，系统复位。

　　2．2 图像传感器的自动跟踪原理

　　VC++设置为每隔5 min自动调用传感器拍一次照，传回的图像经Matlab处理，计算出太阳质心坐标与图像中心坐标的偏差，并转化为水平和俯仰电机需调整的步数，再次送给单片机驱动步进电机，进而细微调整平面镜跟踪装置，实现对太阳连续自动跟踪。

　　FYP定义为俯仰步进电机应运行步数，FWP表示方位步进电机应运行步数。方位步进电机每动作一步实际为(1．8／100)°，俯仰步进电机每动作一步实际为(1．8／52)°。当系统实际运行时，光斑在图像中心时设定坐标为(160，120)，向下移动出图像FYP为50；向右移动出图像FWP为 160。若太阳光斑不在中心点时，如图3所示，经Matlab程序执行结果为光斑图像坐标(115，117)，光斑个数为1，对应FYP为1，FWP为 -46。

　　图像处理过程中运用了最大类间方差法Otsu，是根据最小二乘原理推导出来的，它基于直方图来选取阈值，其基本思路是将直方图在某一阈值处分割成两组，当被分成的两组的方差为最大时，得到阈值。方差是灰度分布均匀性一种量度，方差值越大说明构成图像的两部分差别越大，当部分目标错分为背景，或部分背景错分为目标都会导致两部分差别变小，所以使类间方差最大的分割意味着错分概率最小。Otsu算法具有简单、分割速度快等优点，对噪音和目标大小十分敏感，对于信噪比较高的图像具有很好的分割效果，被认为阈值自动选取的最优方法之一。

图4为拍摄到太阳光斑存在干扰时的图像，对比图4(a)和图4(b)可发现用Otsu法分割处理后，能有效消除图像中细微干扰。图4(c)由Otsu法