基于COMS圖像傳感器的太陽自動跟蹤控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　太陽跟蹤的方法很多，主要可以分為兩種方式，即光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動軌跡跟蹤。光電跟蹤裝置優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，能通過反饋消除累計(jì)誤差，具有較大的優(yōu)勢。其關(guān)鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安放位置的不連續(xù)和環(huán)境散射光的影響，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽，精度有限。

　　因此需對光敏電阻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，而通過增加光敏電阻個數(shù)的方法則會造成裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本提高。通過分析，采用圖像傳感器代替了光敏電阻檢測太陽位置的變化，可以準(zhǔn)確、快速地獲得太陽位置信息，從而提高了跟蹤精度。同時其結(jié)構(gòu)簡化，成本降低。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)主要由平面鏡跟蹤裝置、控制和驅(qū)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。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。跟蹤裝置實(shí)物圖如圖2所示，圖像傳感器固定在平面鏡中心。圖像傳感器產(chǎn)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(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出，軟件可編程控制，大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、抗干擾性和穩(wěn)定性。

　　CMOS圖像傳感器滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。跟蹤控制器采用羅技公司的QuickCam系列網(wǎng)絡(luò)攝像頭，具有功耗小、成本低、單一電源驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。其開窗特征可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置有效圖像數(shù)據(jù)窗口的大小，從而避免了對無效數(shù)據(jù)的采集，減小存儲空間。

　　由于太陽光十分強(qiáng)烈，因此在圖像采集時，需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。實(shí)驗(yàn)表明加兩層濾波片后，所得到的圖像效果較佳。

　　系統(tǒng)工作過程為：啟動時，上位機(jī)VC++調(diào)用視日運(yùn)動規(guī)律中的sun函數(shù)，獲取太陽的高度角與方位角，并轉(zhuǎn)化為俯仰和水平步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行步數(shù)，通過RS 485總線與單片機(jī)通信，驅(qū)動跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，確保太陽光斑裝入CMOS圖像傳感器視角內(nèi)。

　　通過MCC實(shí)現(xiàn)VC++與Matlab聯(lián)合編程，實(shí)時控制圖像傳感器采集太陽光斑圖像。VC++程序設(shè)置為每隔5 min自動調(diào)用傳感器拍一次照，傳回的圖像經(jīng)Matlab處理，計(jì)算出太陽光斑質(zhì)心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)的偏差，轉(zhuǎn)化為水平和俯仰電機(jī)需調(diào)整的步數(shù)，返回給 VC++，再次送給單片機(jī)，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作，進(jìn)而細(xì)微調(diào)整平面鏡跟蹤裝置，使太陽光斑始終在圖像中心位置。

　　當(dāng)厚云層擋住太陽時，或者由于其他原因太陽光斑無法出現(xiàn)在傳感器視角內(nèi)，則VC++調(diào)用時鐘跟蹤算法，繼續(xù)跟蹤，直到云層過去后，再重新使用圖像傳感器跟蹤。

　　2 圖像傳感器實(shí)時跟蹤太陽的設(shè)計(jì)

　　2.1跟蹤控制器的首次定位

　　啟動時，上位機(jī)中VC++程序首先調(diào)用視日運(yùn)動規(guī)律中的sun函數(shù)(此后跟蹤過程中無需再調(diào)用)，返回此時的太陽高度角和方位角，換算成俯仰和方位步進(jìn)電機(jī)所需的步數(shù)，數(shù)據(jù)送給單片機(jī)，驅(qū)動跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，確保太陽光斑裝入圖像傳感器視角內(nèi)。子程序得到所需要運(yùn)行的步數(shù)，列出部分代碼：

　　sun()函數(shù)中各個變量的含義：

　　而PC與單片機(jī)通信協(xié)議如下：

　　狀態(tài)各位定義如下：

　　其中：6，5必須同時為1時，系統(tǒng)復(fù)位。