一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)和方法，系統(tǒng)包括攝像頭、存儲(chǔ)模塊、嵌入式處理器、電平轉(zhuǎn)換芯片、PC機(jī)和伺服電機(jī)，攝像頭經(jīng)存儲(chǔ)模塊與嵌入式處理器相連，PC機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換芯片與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的控制端與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的輸出軸與攝像頭相接觸；攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊，嵌入式處理器從存儲(chǔ)模塊調(diào)取圖像數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)上傳的圖像數(shù)據(jù)估計(jì)太陽的實(shí)時(shí)質(zhì)心坐標(biāo)，生成電機(jī)控制信號(hào)并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)攝像頭跟蹤太陽質(zhì)心。本發(fā)明提高了太陽跟蹤的實(shí)時(shí)性和精度。
【專利說明】
一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于圖像處理與應(yīng)用技術(shù)，特別涉及了一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽跟蹤裝置是散射輻射測量中的一個(gè)基本部件，其精確度直接影響散射輻射測量的精度與準(zhǔn)確性。光電式太陽跟蹤方法因其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)具有較高的跟蹤精度而被廣泛的應(yīng)用于太陽輻射測量以及太陽能應(yīng)用等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)的光電式跟蹤方法雖然瞬時(shí)跟蹤精度較高，但多數(shù)采用直接基于嵌入式平臺(tái)的跟蹤方法，受限于嵌入式處理器等主控芯片的計(jì)算速度與開發(fā)難度，往往不能實(shí)時(shí)精確的定位太陽質(zhì)心，易出現(xiàn)累積誤差，影響太陽跟蹤的穩(wěn)定性與連續(xù)性。
[0003]現(xiàn)代圖像采集處理技術(shù)發(fā)展迅速，各種采集方法已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前市場上的大部分圖像采集系統(tǒng)可以分為兩種，一種是基于嵌入式系統(tǒng)的，一種是基于PC的采集系統(tǒng)。受限于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)難度或運(yùn)算速度，基于嵌入式的圖像采集系統(tǒng)在一些需要復(fù)雜圖像處理的應(yīng)用中無法得到廣泛應(yīng)用?；赑C的采集系統(tǒng)中支持的開發(fā)平臺(tái)有限，且需要設(shè)計(jì)人員有較深的編程基礎(chǔ)，難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)和方法，將PC機(jī)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，并通過在圖像采集過程中使用中斷函數(shù)，從而能夠快速處理米集的每幀圖像，提尚跟蹤的實(shí)時(shí)性和精度。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，包括攝像頭、存儲(chǔ)模塊、嵌入式處理器、電平轉(zhuǎn)換芯片、PC機(jī)和伺服電機(jī)，所述圖像采集器經(jīng)存儲(chǔ)模塊與嵌入式處理器相連，PC機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換芯片與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的控制端與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的輸出軸與攝像頭相接觸;攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊中，嵌入式處理器從存儲(chǔ)模塊調(diào)取圖像數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)上傳的圖像數(shù)據(jù)估計(jì)太陽的實(shí)時(shí)質(zhì)心坐標(biāo)，再根據(jù)質(zhì)心坐標(biāo)生成電機(jī)控制信號(hào)并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭跟蹤太陽質(zhì)心。
[0006]基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述攝像頭的型號(hào)為0V7725。
[0007]基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述電平轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)為CP2102。
[0008]基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述存儲(chǔ)模塊為FIFO存儲(chǔ)器。
[0009]基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述嵌入式處理器采用STM32型單片機(jī)。
[0010]本發(fā)明還提出了基于上述太陽跟蹤系統(tǒng)的太陽跟蹤方法，包括以下步驟:
(1)PC機(jī)初始化參數(shù)，打開串口，準(zhǔn)備進(jìn)行通信；
(2)PC機(jī)向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)，嵌入式處理器接收到握手信號(hào)后，從存儲(chǔ)模塊中調(diào)取一幀圖像數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)；
(3)當(dāng)PC機(jī)接收到該幀圖像數(shù)據(jù)的終止符時(shí)，表示PC機(jī)已成功接收到一幀圖像，此時(shí)PC機(jī)觸發(fā)中斷函數(shù)，中止PC機(jī)與嵌入式處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并在中斷函數(shù)中進(jìn)行如下圖像處理:
(a)將接收到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并去除圖像的高斯噪聲和椒鹽噪聲；
(b)采用最大類間方差法計(jì)算圖像二值化的閾值，再利用該閾值進(jìn)行圖像二值化；
(c)預(yù)先設(shè)定面積閾值，對(duì)二值化圖像進(jìn)行連通域標(biāo)記，找出其中面積最大且面積大于面積閾值的連通域，該區(qū)域即為包含太陽邊緣信息的提取目標(biāo)；
(d)對(duì)提取目標(biāo)的邊緣進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上相距最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)a和b，以ab的中點(diǎn)c再進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上距離點(diǎn)c最遠(yuǎn)的點(diǎn)d，以點(diǎn)d為中心，沿邊緣分別向點(diǎn)a、b出發(fā)，對(duì)區(qū)域邊緣上這兩段曲線分別進(jìn)行采樣；
(e)運(yùn)用最小二乘法對(duì)兩段曲線取得的采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到擬合圓，該圓的圓心即為太陽的質(zhì)心；
(4)PC機(jī)根據(jù)估計(jì)出的太陽質(zhì)心坐標(biāo)生成相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)，并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)時(shí)跟蹤太陽；
(5)返回步驟(2)，PC機(jī)重新向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)。
[0011 ]進(jìn)一步地，在步驟(a)之前，需要將PC機(jī)接收到的圖像數(shù)據(jù)從ASCII格式轉(zhuǎn)換成M*N的矩陣，其中M*N為預(yù)先設(shè)定的像素?cái)?shù)。
[0012]進(jìn)一步地，在步驟(a)中，采用維納自適應(yīng)濾波器去除圖像的高斯噪聲和椒鹽噪聲。
[0013]采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果:
(1)本發(fā)明提出了PC機(jī)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的上下位機(jī)系統(tǒng)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的單一依賴PC機(jī)或嵌入式系統(tǒng)帶來的缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，提升跟蹤系統(tǒng)的精度；
(2)本發(fā)明在圖像采集過程中使用中斷函數(shù)，在中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)圖像處理以及太陽質(zhì)心坐標(biāo)的估計(jì)，從而能夠快速處理米集的每幀圖像，提尚跟蹤的實(shí)時(shí)性和精度。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)組成框圖。
[0015]圖2是本發(fā)明方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0017]如圖1所示，一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，包括攝像頭、存儲(chǔ)模塊、嵌入式處理器、電平轉(zhuǎn)換芯片、PC機(jī)和伺服電機(jī)，所述攝像頭經(jīng)存儲(chǔ)模塊與嵌入式處理器相連，PC機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換芯片與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的控制端與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的輸出軸與攝像頭相接觸;攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊中，嵌入式處理器從存儲(chǔ)模塊調(diào)取圖像數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)上傳的圖像數(shù)據(jù)估計(jì)太陽的實(shí)時(shí)質(zhì)心坐標(biāo)，再根據(jù)質(zhì)心坐標(biāo)生成電機(jī)控制信號(hào)并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭跟蹤太陽質(zhì)心。
[0018]在本發(fā)明中，PC機(jī)作為系統(tǒng)的上位機(jī)，而嵌入式處理器作為下位機(jī)的核心。嵌入式處理器一般輸出TTL電平信號(hào)，而PC機(jī)的串口標(biāo)準(zhǔn)一般為RS232，因此兩者進(jìn)行通信時(shí)，需要在兩者之間接入電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換，在本實(shí)施例中，電平轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)選用CP2102。
[0019]在本實(shí)施例中，攝像頭的型號(hào)選用0V7725。存儲(chǔ)模塊選用FIFO存儲(chǔ)器。
[0020]嵌入式處理器選用STM32型單片機(jī)。
[0021]本發(fā)明還提出了基于上述系統(tǒng)的太陽跟蹤方法，如圖2所示，包括以下步驟:
步驟1:PC機(jī)初始化參數(shù)，打開串口，準(zhǔn)備進(jìn)行通信。
[0022]步驟2:PC機(jī)向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)，嵌入式處理器接收到握手信號(hào)后，從存儲(chǔ)模塊中調(diào)取一幀圖像數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)。
[0023]步驟3:當(dāng)PC機(jī)接收到該幀圖像數(shù)據(jù)的終止符時(shí)，表示PC機(jī)已成功接收到一幀圖像，此時(shí)PC機(jī)觸發(fā)中斷函數(shù)，中止PC機(jī)與嵌入式處理器之間數(shù)據(jù)傳輸，將采集到的圖像數(shù)據(jù)從ASCII格式轉(zhuǎn)換成M*N的矩陣，其中M*N為預(yù)先設(shè)定的像素?cái)?shù)，然后在中斷函數(shù)中進(jìn)行如下圖像處理:
(a)將接收到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并去除圖像的高斯噪聲和椒鹽噪聲；
(b)采用最大類間方差法計(jì)算圖像二值化的閾值，再利用該閾值進(jìn)行圖像二值化；
(c)預(yù)先設(shè)定面積閾值，對(duì)二值化圖像進(jìn)行連通域標(biāo)記，找出其中面積最大且面積大于面積閾值的連通域，該區(qū)域即為包含太陽邊緣信息的提取目標(biāo)；
(d)對(duì)提取目標(biāo)的邊緣進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上相距最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)a和b，以ab的中點(diǎn)c再進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上距離點(diǎn)c最遠(yuǎn)的點(diǎn)d，以點(diǎn)d為中心，沿邊緣分別向點(diǎn)a、b出發(fā)，對(duì)區(qū)域邊緣上這兩段曲線分別進(jìn)行采樣；
(e)運(yùn)用最小二乘法對(duì)兩段曲線取得的采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到擬合圓，該圓的圓心即為太陽的質(zhì)心。
[0024]步驟4:PC機(jī)根據(jù)估計(jì)出的太陽質(zhì)心坐標(biāo)生成相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)，并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)時(shí)跟蹤太陽。
[0025]返回步驟2，PC機(jī)重新向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)，開始新一輪的圖像傳輸、處理和發(fā)出電機(jī)控制信號(hào)。
[0026]以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:包括攝像頭、存儲(chǔ)模塊、嵌入式處理器、電平轉(zhuǎn)換芯片、PC機(jī)和伺服電機(jī)，所述攝像頭經(jīng)存儲(chǔ)模塊與嵌入式處理器相連，PC機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換芯片與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的控制端與嵌入式處理器相連，伺服電機(jī)的輸出軸與攝像頭相接觸;攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊中，嵌入式處理器從存儲(chǔ)模塊調(diào)取圖像數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)，PC機(jī)根據(jù)上傳的圖像數(shù)據(jù)估計(jì)太陽的實(shí)時(shí)質(zhì)心坐標(biāo)，再根據(jù)質(zhì)心坐標(biāo)生成電機(jī)控制信號(hào)并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭跟蹤太陽質(zhì)心。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:所述攝像頭的型號(hào)為0V7725。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:所述電平轉(zhuǎn)換芯片的型號(hào)為CP2102。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:所述存儲(chǔ)模塊為FIFO存儲(chǔ)器。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于圖像采集和處理的太陽跟蹤系統(tǒng)，其特征在于:所述嵌入式處理器采用STM32型單片機(jī)。6.基于權(quán)利要求1所述太陽跟蹤系統(tǒng)的太陽跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)PC機(jī)初始化參數(shù)，打開串口，準(zhǔn)備進(jìn)行通信； (2)PC機(jī)向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)，嵌入式處理器接收到握手信號(hào)后，從存儲(chǔ)模塊中調(diào)取一幀圖像數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)； (3)當(dāng)PC機(jī)接收到該幀圖像數(shù)據(jù)的終止符時(shí)，表示PC機(jī)已成功接收到一幀圖像，此時(shí)PC機(jī)觸發(fā)中斷函數(shù)，中止PC機(jī)與嵌入式處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，并在中斷函數(shù)中進(jìn)行如下圖像處理: (a)將接收到的圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，并去除圖像的高斯噪聲和椒鹽噪聲； (b)采用最大類間方差法計(jì)算圖像二值化的閾值，再利用該閾值進(jìn)行圖像二值化； (C)預(yù)先設(shè)定面積閾值，對(duì)二值化圖像進(jìn)行連通域標(biāo)記，找出其中面積最大且面積大于面積閾值的連通域，該區(qū)域即為包含太陽邊緣信息的提取目標(biāo)； (d)對(duì)提取目標(biāo)的邊緣進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上相距最遠(yuǎn)的兩點(diǎn)a和b，以ab的中點(diǎn)c再進(jìn)行遍歷迭代運(yùn)算，得到邊緣上距離點(diǎn)c最遠(yuǎn)的點(diǎn)d，以點(diǎn)d為中心，沿邊緣分別向點(diǎn)a、b出發(fā)，對(duì)區(qū)域邊緣上這兩段曲線分別進(jìn)行采樣； (e)運(yùn)用最小二乘法對(duì)兩段曲線取得的采樣點(diǎn)進(jìn)行擬合，得到擬合圓，該圓的圓心即為太陽的質(zhì)心； (4)PC機(jī)根據(jù)估計(jì)出的太陽質(zhì)心坐標(biāo)生成相應(yīng)的電機(jī)控制信號(hào)，并傳送給嵌入式處理器，嵌入式處理器根據(jù)電機(jī)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)攝像頭實(shí)時(shí)跟蹤太陽； (5 )返回步驟(2 )，PC機(jī)重新向嵌入式處理器發(fā)送握手信號(hào)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述太陽跟蹤方法，其特征在于:在步驟(a)之前，需要將PC機(jī)接收到的圖像數(shù)據(jù)從ASCII格式轉(zhuǎn)換成M*N的矩陣，其中M*N為預(yù)先設(shè)定的像素?cái)?shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述太陽跟蹤方法，其特征在于:在步驟(a)中，采用維納自適應(yīng)濾波器去除圖像的高斯噪聲和椒鹽噪聲。
【文檔編號(hào)】G06K9/46GK105898242SQ201610413856
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】劉卿卿, 俞強(qiáng), 趙毛毛, 王競雄, 馬子涵, 陸啟迪
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)