[發明專利]基于單攝像頭的太陽跟蹤定位裝置與方法

有效

• 申請號: 201010176198.0
• 申請日: 2010-05-18
• 公開（公告）號: CN101872197A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 孟濬;王允波;王康;周博
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05D3/00
• 分類號: G05D3/00;H04N5/225;H04N7/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

1.一種基于單攝像頭的太陽跟蹤定位裝置，其特征在于，它包括：數字信號處理芯片、舵機、攝像頭和視頻解碼器。其中，數字信號處理芯片與舵機相連，兩個相同的齒輪分別固定在舵機的旋轉軸和攝像頭的支撐軸上，兩齒輪嚙合在一起。攝像頭通過數據線與視頻解碼器相連，視頻解碼器與DSP相連。

2.一種應用權利要求1所述基于單攝像頭的太陽跟蹤定位裝置的太陽跟蹤定位方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

(1)舵機控制攝像頭定位。

(2)圖像信息采集。

(3)圖像信息處理。

3.根據權利要求2所述太陽跟蹤定位方法，其特征在于，所述步驟(1)具體為：調整攝像頭支架，使得攝像頭旋轉平面α與地面的夾角γ為固定值60°。在旋轉平面α內，定義二維坐標系，在正東方向攝像頭角度為0°，在正西方向攝像頭角度為180°。在夜間時，系統處于關機或者休眠狀態，攝像頭在旋轉平面的角度β為0°；太陽升起后，攝像頭開始采集陽光，DSP進行計算處理，定時器每隔3個小時改變一次輸出的PWM波的占空比，使舵機在順時針轉動45度，從而帶動攝像頭在旋轉平面內轉動45度，改變β角度，以此保證太陽所處位置在攝像頭可視角度內。在攝像頭轉動4次以后，如果太陽已經落山，攝像頭采集不到任何圖像，則DSP輸出初始PWM波，使舵機復位，攝像頭回到0度。系統停止運行。

4.根據權利要求2所述太陽跟蹤定位方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為：攝像頭面對天空采集圖像，通過數據線傳輸到視頻解碼器，視頻解碼器輸出視頻數據流至數字信號處理芯片。

5.根據權利要求2所述太陽跟蹤定位方法，其特征在于，所述步驟(3)包括目標特征點的提取和單攝像頭的空間坐標系轉換兩部分：從攝像頭采集進來的圖像信號通過基于圓擬合的光斑中心檢測算法，得到目標在屏幕上的位置坐標；在確定了目標特征點后，通過圖像矩陣中提取的目標點的坐標值與相機的位置結合，確定太陽在實際空間中的位置。

6.根據權利要求5所述太陽跟蹤定位方法，其特征在于，所述通過圖像矩陣中提取的目標點的坐標值與相機的位置結合，確定太陽在實際空間中的位置具體為：本方法采用光學小孔成像模型，該模型中包含著四個坐標系：

(1)世界坐標系：世界坐標系是物體在自然環境中的，根據自然環境所選定的坐標系，其坐標用(ρ_wcosα_w，ρ_wsinα_w，ρ_wsinγ_w)表示。

(2)相機坐標系：以相機的光心為坐標原點，X軸、Y軸分別平行于CCD平面坐標系的x軸和y軸，相機的光軸為z軸，坐標用(ρ_ccosα_c，ρ_csinα_c，ρ_csinγ_c)表示。

(3)像素圖像平面坐標系：在圖像上定義直角坐標系uv，每一個像素的坐標(u，v)分別是該像素在矩陣中的列數和行數，所以，(u，v)是以像素為單位的圖像坐標系的坐標；由于(u，v)只表示像素位于矩陣中的列數和行數，并沒有用物理單位表示出該像素在圖像中的位置，因而需要建立以物理單位表示的CCD圖像坐標系。

(4)CCD平面圖像坐標系：該坐標系以圖像內中點o1為原點，x軸、y軸分別平行于像素平面坐標系的u軸和v軸。坐標用(ρ₁cosα₁，ρ₁sinα₁)來表示。假設提取的太陽特征定位點為S(ρ_scosα_s，ρ_ssinα_s)點，圖像像素坐標區域內，最大半徑為ρ_max。已知的攝像頭最大采光角度為γ_max，則可以得出在相機坐標系中的γ_c角度：

γc=ρ1ρmaxγmax]]>

同時，在相機坐標系中的α_c角度滿足：

α_c＝α₁

則S點在相機坐標系中的坐標表示為：S

由空間坐標(ρ_wcosα_w，ρ_wsinα_w，ρ_wsinγ_w)到相機坐標(ρ_ccosα_c，ρ_csinα_c，ρ_csinγ_c)的投影矩陣可以表示為：

ρwcosαwρwsinαwρwsinγw=sinαwcosαw0cosαwsinαw-coscosαwsinαwtanγwγwρccosαcρcsinαcρcsinγc]]>

由以上3式可以得到，相機坐標系中的點S在世界坐標系中的坐標為：S(ρsin(α_w+α₁)，ρ[cos(α_w-α₁)-sinγ₁cosγ_w]，ρ[cos(α_w-α₁)+sinγ₁tanγ_w])，由此可以求出太陽在世界坐標系中，在XY平面上的投影與x軸的夾角α₀和太陽射線的仰角γ₀：

α0=arccos(sin(αw+α1))γ0=arctan(cos(αw-α1)+tanγwsinγ1)]]>

其中，α₁為圖6中圖像像素坐標系的目標點與中心連線與x軸夾角，可以通過圖像矩陣求出，將CCD平面圖像坐標系上的兩個角度用像素平面坐標系來表示。則：

α1=arctan(v1-v0u1-u0)γ1=(u1-u0)2+(v1-v0)2(um-u0)2+(vm-v0)2γmax]]>

其中，γ_max為攝像頭的最大視角，是相機的內部參數已知。(u1，v1)為太陽目標特征點在像素坐標系中的位置，(u₀，v₀)為像素坐標系原點，(u_m，v_m)為原點與目標特征點連線上對應的最大的邊界坐標。均可以從圖像中得到。α_w和γ_w為相機位置在世界坐標系中的坐標，均為已知；由此，便可以求出太陽在世界坐標系中的兩個方位即在平面上投影與x軸的夾角α_w，和射線與地面的仰角γ_w；如此，便得到了太陽的方位。