基于COMS圖像傳感器的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
太陽(yáng)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(dòng)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(jiǎn)單,能通過(guò)反饋消除累計(jì)誤差,具有較大的優(yōu)勢(shì)。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(yáng),精度有限。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/268277.htm因此需對(duì)光敏電阻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,而通過(guò)增加光敏電阻個(gè)數(shù)的方法則會(huì)造成裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本提高。通過(guò)分析,采用圖像傳感器代替了光敏電阻檢測(cè)太陽(yáng)位置的變化,可以準(zhǔn)確、快速地獲得太陽(yáng)位置信息,從而提高了跟蹤精度。同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)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(jià)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(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。其開(kāi)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(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)的采集,減小存儲(chǔ)空間。
由于太陽(yáng)光十分強(qiáng)烈,因此在圖像采集時(shí),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(guò)程為:?jiǎn)?dòng)時(shí),上位機(jī)VC++調(diào)用視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的sun函數(shù),獲取太陽(yáng)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(guò)RS 485總線與單片機(jī)通信,驅(qū)動(dòng)跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn),確保太陽(yáng)光斑裝入CMOS圖像傳感器視角內(nèi)。
通過(guò)MCC實(shí)現(xiàn)VC++與Matlab聯(lián)合編程,實(shí)時(shí)控制圖像傳感器采集太陽(yáng)光斑圖像。VC++程序設(shè)置為每隔5 min自動(dòng)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(yáng)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作,進(jìn)而細(xì)微調(diào)整平面鏡跟蹤裝置,使太陽(yáng)光斑始終在圖像中心位置。
當(dāng)厚云層擋住太陽(yáng)時(shí),或者由于其他原因太陽(yáng)光斑無(wú)法出現(xiàn)在傳感器視角內(nèi),則VC++調(diào)用時(shí)鐘跟蹤算法,繼續(xù)跟蹤,直到云層過(guò)去后,再重新使用圖像傳感器跟蹤。
2 圖像傳感器實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的設(shè)計(jì)
2.1跟蹤控制器的首次定位
啟動(dòng)時(shí),上位機(jī)中VC++程序首先調(diào)用視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的sun函數(shù)(此后跟蹤過(guò)程中無(wú)需再調(diào)用),返回此時(shí)的太陽(yáng)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(dòng)跟蹤裝置運(yùn)轉(zhuǎn),確保太陽(yáng)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(gè)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(shí)為1時(shí),系統(tǒng)復(fù)位。
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