基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統(tǒng)

摘要：基于計算機視覺原理，以ARM微控制器為核心構(gòu)建嵌入式圖像處理平臺，實現(xiàn)了對太陽的實時跟蹤。系統(tǒng)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(zhuǎn)臺，實現(xiàn)對太陽的高精度跟蹤。同時，與視日運動規(guī)律相結(jié)合，保證系統(tǒng)的可靠性。試驗表明，該系統(tǒng)在降低系統(tǒng)能耗的同時，能可靠有效地跟蹤太陽運動。
關(guān)鍵詞：太陽跟蹤；ARM微控制器；計算機視覺；CMOS圖像傳感器

0 引言
    隨著社會的發(fā)展和進步，環(huán)保節(jié)能已經(jīng)成為人類可持續(xù)發(fā)展的必要條件。目前，再生能源的開發(fā)和利用越來越受到人們的關(guān)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。但太陽能同時存在分散，不穩(wěn)定，效率低等特點，太陽能光伏系統(tǒng)為解決這一問題提供了條件。
    就目前的太陽能光伏系統(tǒng)而言，如何最大限度提高太陽能的轉(zhuǎn)換率，仍是國內(nèi)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％。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。光電跟蹤裝置有較高靈敏度，結(jié)構(gòu)簡單，能通過反饋消除累積誤差，具有較大優(yōu)勢，但受環(huán)境影響很大。其關(guān)鍵部件是光電傳感器，常用的是光敏電阻。由于光敏電阻安裝位置不連續(xù)和環(huán)境光散射等因素的影響，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽，精度有限。視日運動跟蹤能夠全天候?qū)崟r跟蹤，但是存在累積誤差。其中，單軸跟蹤裝置結(jié)構(gòu)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。
    本文用基于32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來構(gòu)建太陽跟蹤系統(tǒng)，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(xiàn)對太陽的高精度跟蹤。加入視日運動規(guī)律，在跟蹤目標丟失時，對系統(tǒng)進行重新定位。同時，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單輕便，功耗低，環(huán)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(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)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(zhuǎn)臺來支撐太陽能電池板。其中雙軸轉(zhuǎn)臺集成了電機驅(qū)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(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)臺上；ARM處理器與雙軸轉(zhuǎn)臺的電機驅(qū)動部分采用串口通信方式；系統(tǒng)的供電均由蓄電池支持(包括ARM控制板和轉(zhuǎn)臺)，因而形成了一個獨立系統(tǒng)。系統(tǒng)的基本工作原理是：根據(jù)視日運動規(guī)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(tǒng)跟蹤控制參數(shù)，并通過串口來控制雙軸轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動。
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(tǒng)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。相對于PC機，ARM微處理器占用空間較小，質(zhì)量輕，可靠性強，硬件資源豐富，在簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時為系統(tǒng)功能擴展提供了可能。系統(tǒng)選用32位ARM嵌入式微控制器S3C2440來構(gòu)建控制平臺。運用ARM微控制器構(gòu)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(tǒng)成本。圖像處理系統(tǒng)還具有拆裝方便，配置靈活等優(yōu)點，安全性得到大大提高。

    (2)雙軸轉(zhuǎn)臺。系統(tǒng)采用集成式雙軸轉(zhuǎn)臺，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角對應太陽方位角，y向轉(zhuǎn)角對應太陽高度角。該雙軸轉(zhuǎn)臺x向轉(zhuǎn)動范圍為-157°～+157°，y向轉(zhuǎn)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(qū)動轉(zhuǎn)臺在x向和y向上的轉(zhuǎn)動。
    (3)CMOS圖像傳感器。圖像傳感器產(chǎn)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(xiàn)數(shù)字化輸出，軟件可編程控制，提高了系統(tǒng)設計的靈活性，同時也具有較高的抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用的圖像傳感器為OmniVision公司的OV 9650型COMS攝像頭，其功耗為30μW，陣列大小為1 300×1 028 pixels，焦距為4．85 mm，像素大小為3．18μm×3．18μm，支持軟件可編程控制，輸出圖像格式包括YUV，RGB等。
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2 軟件設計
2．1 跟蹤控制策略
    圖3所示是太陽跟蹤系統(tǒng)工作過程流程圖，系統(tǒng)采用的跟蹤控制策略如下：

    (1)系統(tǒng)可設置2種工作模式，早晨6：00喚醒跟蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動跟蹤控制，進入跟蹤模式；下午18：00休眠系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)閉跟蹤控制，進入待機模式。同時系統(tǒng)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(tǒng)的跟蹤精度。
    (2)喚醒跟蹤控制系統(tǒng)時，采用視日運動開環(huán)計算方法進行粗跟蹤。粗跟蹤的基本過程是：根據(jù)太陽運行的天文規(guī)律計算，利用系統(tǒng)時間和給定的當?shù)亟?jīng)緯度計算太陽高度角和太陽方位角，并根據(jù)計算結(jié)果來驅(qū)動并控制步進電機，從而調(diào)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(tǒng)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(huán)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(zhuǎn)臺應轉(zhuǎn)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(tǒng)跟蹤精度。
    (4)系統(tǒng)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(tǒng)能耗，不進行電機動作并保持當前狀態(tài)。同時設置累計標志S，它表示圖像傳感器在連續(xù)S個采樣周期內(nèi)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(huán)計算方法重新粗定位，并重置累計標志S。這樣在降低系統(tǒng)能耗的同時可以提高系統(tǒng)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(nèi)，則保持當前狀態(tài)；如果偏差超出預設閾值F1的范圍，則根據(jù)偏差的方向和大小調(diào)整轉(zhuǎn)臺，使得通過圖像處理得到的偏差在預設閾值F2的范圍內(nèi)。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(shù)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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：△α=arctan(px×kx／f)；
    太陽高度偏差角：△β=arctan(py×ky／f)。
    根據(jù)太陽方位偏差角和高度偏差角，通過串口控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板正對太陽。其中轉(zhuǎn)臺x軸應轉(zhuǎn)過的角度為太陽方位偏差角，轉(zhuǎn)臺y軸應轉(zhuǎn)過的角度為太陽高度偏差角。
2．3 嵌入式處理平臺的實現(xiàn)
    系統(tǒng)采用S3C2440作為主控制器。利用Linux內(nèi)核代碼，針對本處理器和本系統(tǒng)特點，對內(nèi)核進行相應的配置和裁剪，編譯生成嵌入式內(nèi)核，并選用yaffs作為根文件系統(tǒng)，將內(nèi)核映像文件和根文件系統(tǒng)燒寫到微控制器中，并編寫相應驅(qū)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(tǒng)下搭建交叉編譯環(huán)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(wǎng)絡，以實現(xiàn)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(zhí)行文件，下載到處理器運行即可。
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3 實驗結(jié)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(jié)果，其中(a)為CMOS圖像傳感器捕捉到的原始圖像；(b)為經(jīng)過灰度化、二值化后的結(jié)果，可以看出圖像中的太陽已經(jīng)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。

3．2 系統(tǒng)技術(shù)指標
    對本文提出的太陽跟蹤系統(tǒng)進行了性能測試，通過分析測試結(jié)果，該系統(tǒng)的技術(shù)指標如表1所示。

4 結(jié)語
    本文中設計的太陽跟蹤系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)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?；谟嬎銠C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(xiàn)對太陽的實時跟蹤。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以連續(xù)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(tǒng)重新定位，具有較好的環(huán)境適應能力。該系統(tǒng)具有較低的日均功耗、較高的跟蹤精度和可靠性，結(jié)構(gòu)簡單輕便，可應用于各種太陽能光伏系統(tǒng)。