一种双轴太阳能视频追日系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种双轴太阳能视频追日系统及方法，该系统包括电源管理模块、核心控制模块、图像传感器模块、舵机模块，所述的核心控制模块包括单片机和计算机，所述的图像传感器模块包括USB摄像头，所述的舵机模块包括上方向舵机和下方向舵机，所述的电源管理模块为系统供电。该系统可以实现双轴追踪，有利于提高追踪范围。同时，在恶劣工作环境下保持稳定性和精确性，且可大幅度提高其实时响应速度。
【专利说明】
一种双轴太阳能视频追日系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种太阳能追日系统，尤其涉及一种双轴太阳能视频追日系统及方法，该系统可实现电池板双轴自动对日追踪，有利于太阳能发电效率的提高。
【背景技术】
[0002]现阶段国内外对太阳的跟踪方法主要分为两种，分别是太阳轨迹计算追踪模式、光电传感器追踪模式。
[0003]太阳运动轨迹计算追踪模式是一种基于对太阳高度角和太阳方位角的计算而进行追踪的控制模式。在这种追踪模式下，系统从内部时钟读取时间，由GPS获取当前安装位置的经玮度。利用时间和经玮度来计算当时的太阳高度角和太阳方位角，每隔一段时间读取一次，计算一次太阳角度值，根据太阳的检测位置来控制电机的转动角度。显然，太阳轨迹计算追踪模式属于主动追踪，不存在闭环控制。其优点是无需额外增加传感器等硬件设备，并且能够克服乌云遮日或者阴雨天气，出现定位失败或误判的情况。但由于太阳轨迹计算需要使用天文学和数学方面知识，计算复杂，对软件算法要求很高;并且由于太阳位置计算公式本身存在原理误差，加上机械结构的精度误差和整个跟踪过程中的累计误差，最终控制精度并不好，需要额外进行修正。
[0004]光电追踪模式主要利用光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或者光电池等感光元件在光照时阻值或电压信号发生变化的原理。以光敏电阻为例，可以用多个光敏电阻放置在电池板的不同位置(如放在四个角处)，当太阳光垂直照射太阳能电池板上式，四个光敏电阻接收到的光照强度相同，此时控制电机保持原位置不动。当电池板与太阳光垂直入射方向有夹角时，光电传感器就会产生信号差，从而驱动电机进行调节直到电池板与太阳入射光垂直。这种方案的优点是传感器的电路容易实现，使用差分放大电路就可以对多个光敏元件进行检测。并且模拟控制元件具有响应速度快，灵敏度高的特点。其缺点是受外界环境影响大，温度或者气象条件对系统工作产生很大影响，对传感器的精度要求很高，控制策略不易实现。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双轴太阳能视频追日系统及方法，该系统在恶劣工作环境下保持稳定性和精确性，且可大幅度提高其实时响应速度。
[0006]解决上述技术问题所采用的技术方案为:
[0007]—种双轴太阳能视频追日系统，该系统包括电源管理模块、核心控制模块、图像传感器模块、舵机模块，所述的核心控制模块包括单片机和计算机，所述的图像传感器模块包括USB摄像头，所述的舵机模块包括上方向舵机和下方向舵机，下方向舵机的轴垂直于地平面用于带动太阳能电池板绕水平轴转动，上方向舵机的轴平行于地平面用于带动太阳能电池板绕俯仰轴转动，所述的电源管理模块为系统供电，USB摄像头固定于太阳能电池板中央，二者法向量相同，usb摄像头将拍摄图像传输至计算机，经计算获得图像上的实时太阳质心位置，计算机与单片机串口相连，将该实时太阳质心位置传输至单片机，单片机根据实时太阳质心位置控制上、下方向舵机转动。
[0008]上述技术方案中，所述的USB摄像头镜头前还可以设置有偏振片或衰减片，以去除干扰，通过对外界光源的衰减，可以有效区分“太阳光”和其他干扰光源。所述的单片机可以采用Freescale MK60DN512ZVLL10。
[0009]应用上述的双轴太阳能视频追日系统的方法，具体包括如下步骤:当太阳质心与摄像头中心、太阳能电池板中心呈三点一线时，太阳直射太阳能电池板，检测到的太阳质心位置位于拍摄图片的正中央，该位置定为标准太阳质心位置，USB摄像机将实时获取的图像传输至计算机，获取实时太阳质心位置传输至单片机，单片机将该实时太阳质心位置坐标与标准太阳质心位置坐标比较求出偏差量，分别对纵轴和横轴两个方向的偏差量进行PID运算得到上方向舵机及下方向舵机的PWM波脉宽输出增量，从而控制上、下方向舵机分别转动。
[0010]上述技术方案中，所述的对拍摄图像进行计算获得实时太阳质心位置的方法，具体如下:
[0011]对图像进行二值化后，滤波去除噪点，采用面积判别法结合形状识别处理云彩或晚霞的干扰;所述的面积判别法为:采集无云彩时太阳的图像，对其进行二值化及滤波处理，计算出白区的像素点数目，作为标准太阳区域面积;再计算二值化及滤波后的实时图像中各白区的像素点数目，与标准太阳区域面积比较，保留较接近的白区，计算该白区的质心，获得实时太阳质心位置。
[0012]本发明的有益效果在于:
[0013]本发明的系统可以实现双轴追踪，有利于提高追踪范围。同时，该系统利用图像传感器获取外界更多信息，提高了系统的稳定性和控制精确度。
【附图说明】
[0014]图1是本发明系统的结构示意图；
[0015]图2是本发明中太阳能电池板的放置图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0017]参照图1、2，本发明的双轴太阳能视频追日系统，该系统包括电源管理模块、核心控制模块、图像传感器模块、舵机模块，所述的核心控制模块包括单片机和计算机，所述的图像传感器模块包括USB摄像头，所述的舵机模块包括上方向舵机和下方向舵机，下方向舵机的轴垂直于地平面用于带动太阳能电池板绕水平轴转动，上方向舵机的轴平行于地平面用于带动太阳能电池板绕俯仰轴转动，所述的电源管理模块为系统供电，USB摄像头固定于太阳能电池板中央，二者法向量相同，usb摄像头将拍摄图像传输至计算机，经计算获得图像上的实时太阳质心位置，具体如下:
[0018]在自然条件下，光照图片并不都是理想的，有时晚霞、云彩等会对图片的处理带来一定的难度。对图像进行二值化后，滤波去除噪点，采用面积判别法结合形状识别处理云彩或晚霞的干扰;所述的面积判别法为:采集无云彩时太阳的图像，对其进行二值化及滤波处理，计算出白区的像素点数目，作为标准太阳区域面积;再计算二值化及滤波后的实时图像中各白区的像素点数目，与标准太阳区域面积比较，保留较接近的白区，计算该白区的质心，获得实时太阳质心位置。计算机与单片机串口相连，将该实时太阳质心位置传输至单片机，单片机根据实时太阳质心位置控制上、下方向舵机转动。具体可采用MATLAB处理实现。
[0019]上述技术方案中，所述的USB摄像头镜头前还可以设置有偏振片或衰减片，以去除干扰，通过对外界光源的衰减，可以有效区分太阳光和其他干扰光源。所述的单片机可以采用Freescale MK60DN512ZVLL10。
[0020]应用上述的双轴太阳能视频追日系统的方法，具体包括如下步骤:当太阳质心与摄像头中心、太阳能电池板中心呈三点一线时，太阳直射太阳能电池板，检测到的太阳质心位置位于拍摄图片的正中央，该位置定为标准太阳质心位置，USB摄像头将实时获取的图像传输至计算机，获取实时太阳质心位置传输至单片机，单片机将该实时太阳质心位置坐标与标准太阳质心位置坐标比较求出偏差量，分别对纵轴和横轴两个方向的偏差量进行PID运算得到上方向舵机及下方向舵机的PWM波脉宽输出增量，从而控制上、下方向舵机分别转动至指定位置。
【主权项】
1.一种双轴太阳能视频追日系统，其特征在于，该系统包括电源管理模块、核心控制模块、图像传感器模块、舵机模块，所述的核心控制模块包括单片机和计算机，所述的图像传感器模块包括USB摄像头，所述的舵机模块包括上方向舵机和下方向舵机，下方向舵机的轴垂直于地平面用于带动太阳能电池板绕水平轴转动，上方向舵机的轴平行于地平面用于带动太阳能电池板绕俯仰轴转动，所述的电源管理模块为系统供电，USB摄像头固定于太阳能电池板中央，二者法向量相同，usb摄像头将拍摄图像传输至计算机，经计算获得图像上的实时太阳质心位置，计算机与单片机串口相连，将该实时太阳质心位置传输至单片机，单片机根据实时太阳质心位置控制上、下方向舵机转动。2.如权利要求1所述的双轴太阳能视频追日系统，其特征在于，所述的USB摄像头镜头前还设置有偏振片或衰减片。3.如权利要求1所述的双轴太阳能视频追日系统，其特征在于，所述的单片机采用Freescale MK60DN512ZVLL10。4.一种应用如权利要求1-3任一项所述的双轴太阳能视频追日系统的方法，其特征在于，具体包括如下步骤:当太阳质心与摄像头中心、太阳能电池板中心呈三点一线时，检测到的太阳质心位置位于拍摄图片的正中央，该位置定为标准太阳质心位置，USB摄像头将实时获取的图像传输至计算机，获取实时太阳质心位置传输至单片机，单片机将该实时太阳质心位置坐标与标准太阳质心位置坐标比较求出偏差量，分别对纵轴和横轴两个方向的偏差量进行PID运算得到上方向舵机及下方向舵机的PWM波脉宽输出增量，从而控制上、下方向舵机分别转动。5.根据权利要求4所述的应用双轴太阳能视频追日系统的方法，其特征在于，所述的对拍摄图像进行处理获得实时太阳质心位置的方法，具体如下: 对图像进行二值化后，滤波去除噪点，采用面积判别法结合形状识别处理云彩或晚霞的干扰;所述的面积判别法为:采集无云彩时太阳的图像，对其进行二值化及滤波处理，计算出白区的像素点数目，作为标准太阳区域面积;再计算二值化及滤波后的实时图像中各白区的像素点数目，与标准太阳区域面积比较，保留较接近的白区，计算该白区的质心，获得实时太阳质心位置。
【文档编号】G05D3/12GK105955316SQ201610435980
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】郑壮, 孙盾
【申请人】浙江大学