基于MATLAB图像识别的双轴寻光系统的制作方法

本发明涉及新能源与图像处理与识别技术领域，具体涉及一种基于MATLAB图像处理的双轴寻光系统。

背景技术：

随着现在新能源技术的发展，如何高效地开发和利用好太阳能成为人们在新能源领域探索的焦点之一。光伏发电主要是利用太阳光照射在如硅等半导体界面上的基于光生伏特效应将光能转换的技术，太阳能发电具有可持续、不受地域限制、直接开发利用等特点。在此背景之下，许多地方相继建立和发展太阳能发电站，主要依靠规模庞大的光伏阵列按照固定的方位角排列来采集光能，但是由于光的分散性和从早到晚太阳的位置变化，都会对太阳能电池板的有效采光面积和强度产生影响，使得光电转换效率较低。为此，需要研究能够自动寻光找到太阳直射位置的装置，目的是能够感知太阳的位置变化来调节电池板的方位角以提高发电效率。

目前在自动寻光方面的研究有很多，但是许多都是借助于传感器技术例如光敏、光电传感器和方位角传感器等来感知太阳光的强度和位置以达到确定太阳方位的目的。但是现有传感器的普遍精度不高，周围的太阳光非常分散以及其他各种光源的影响，传感器通过感受光的强度来辨别太阳方位造成较大误差。在这样的背景下，寻找一种方法来代替传统的传感器来进行太阳的位置定位具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有传感器技术所存在的缺陷，本发明提供了一种基于MATLAB图像处理的双轴寻光系统，使用摄像头代替原来的传感器通过实时实地采集图像来确定太阳的方位，通过驱动电机旋转带动光伏电池板朝向正对太阳位置，以达到接收太阳光的最佳方位，提高光能的利用率。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括沿竖直轴的水平圆盘转动单元以及连接安装在水平圆盘转动单元上的沿水平轴的光伏电池板转动单元；所述的水平圆盘转动单元包括12伏锂电池电源、第一步进电机及其驱动模块L298N、法兰式联轴器与水平转盘；其中第一步进电机的输出轴通过法兰式联轴器与水平转盘底部中心固定连接，使得水平转盘随第一步进电机的输出轴转动，第一步进电机的驱动模块与12伏锂电池电源连接；所述的光伏电池板转动单元包括12伏锂电池、第二步进电机及其驱动模块和光伏电池板，第二步进电机固定在水平圆盘转动单元的水平转盘的一侧，水平转盘的另一侧固定有平衡重物，第二步进电机的输出轴与光伏电池板侧面中间连接，使得光伏电池板随第二步进电机的输出轴转动，第二步进电机的驱动模块与12伏锂电池连接。

所述的第一步进电机和第二步进电机的驱动模块型号均为L298N。

所述的水平转盘采用亚克力材料制成。

还包括采集模块、图像处理模块、系统控制模块和测量反馈模块，图像采集模块安装在光伏电池板中心，图像采集模块经图像处理模块和系统控制模块连接，光伏电池板、第一步进电机和第二步进电机经测量反馈模块和系统控制模块连接；

图像采集模块，用于采集包含太阳位置的图像信息并将其通过串口通讯实时传送给图像处理模块；

图像处理模块，用于处理由图像采集模块发送过来的图像信息再实时传送给系统控制模块；

系统控制模块，用于接收来自图像处理模块处理后的图像信息并输出数字信号给电机驱动模块来控制两个步进电机的旋转方向与角度，同时接收来自测量反馈模块获得的角度测量信息并输出数字信号给电机驱动模块来修正两个步进电机的旋转角度；

测量反馈模块，用于实时测量光伏电池板的输出电量以及两个步进电机各自的旋转角度，通过与太阳位置的比对检验准确性与太阳位置对发电量的影响，将比对结果发送到系统控制模块。

图像采集模块、图像处理模块用于图像传输与处理，系统控制模块通过处理后的图像信息去控制电机转速与转向，测量反馈模块检测系统的性能形成反馈。

所述的系统控制模块主要由Arduino单片机与计算机通过串口通讯组成。

所述的图像采集模块包括摄像头和减光片模块：

摄像头，固定置于在光伏电池板上表面的中央，摄像头通过引线与系统控制模块相连传送图像数据；

减光片模块，主要由镀金属膜的深棕色减光片组成，装在摄像头的镜头前方，用于削弱太阳周围的可见光来排出周围强光源对追踪太阳位置的影响，以达到在采集得到的图像上更加凸显太阳位置的效果。

所述的摄像头采用Eieye开源摄像头。

所述的减光片模块采用滤光片或者圆筒。

所述的图像处理模块通过MATLAB图像处理的方式将图像进行灰度化与二值化处理后确定太阳在图像上的具体位置，将处理后的信息通过串口传输到系统控制模块的计算机上，再由计算机发送电机控制信号到单片机上以驱动电机运动。

本发明的双轴寻光系统根据图像处理模块的数据判断太阳所在的方位，并且与当前光伏电池板所朝向的方位对比，计算出使得光伏电池板转动到太阳方位所需要的水平旋转角度、竖直旋转角度，经由单片机传递给步进电机驱动模块，驱动两个步进电机沿双轴旋转。

本发明使用摄像头加减光片的装置将太阳的位置信息以图像的方式传递给微处理器与电脑，通过电脑上面的MATLAB软件图像处理返回的信息驱动步进电机在双轴方向上旋转一定角度以使得光伏电池板朝向正对太阳的位置。

本发明的有益效果是：

本发明优化了以往用传感器感受光照强度来确定太阳方位的精度不高的问题，同时为了避免太阳光的分散与过强以及周围其他强光源的影响，特地设计了减光模块，通过减弱太阳发散与反射的光线以及其他干扰光线的强度，采集的图像较完整地保留了太阳本身的赤红形状，使得之后的图像处理部分可以很好的获取太阳的位置，提高了系统的精准度。

本发明系统能够精确地实现光伏电池板正对太阳直射的位置，提高采光的能力和效率。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图。

图2为图像处理模块经过滤波得到的图像点图。

图3为图像处理模块经过二值化得到的太阳位置确定图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案以及MATLAB图像处理算法进行详细说明。

如图1所示，具体实施的系统包括沿竖直轴的水平圆盘转动单元以及连接安装在水平圆盘转动单元上的沿水平轴的光伏电池板转动单元，采集模块、图像处理模块、系统控制模块和测量反馈模块。水平圆盘转动单元包括12伏锂电池电源、第一步进电机1及其驱动模块L298N、法兰式联轴器与亚克力的水平转盘2；水平转盘2水平布置，其中第一步进电机1的输出轴通过法兰式联轴器与水平转盘2底部中心固定连接，使得水平转盘2随第一步进电机1的输出轴转动，即使得水平转盘2沿第一步进电机1竖直的输出轴在水平面作旋转运动，第一步进电机1的驱动模块与12伏锂电池电源连接；第一步进电机1的驱动模块连接系统控制模块，受到系统控制模块中的单片机Arduino四路数字信号控制能够驱动步进电机旋转，12伏锂电池为驱动模块供电。

光伏电池板转动单元包括12伏锂电池、第二步进电机3及其驱动模块和光伏电池板5，第二步进电机3固定在水平圆盘转动单元的水平转盘2的一侧，水平转盘2的另一侧固定有平衡重物4，第二步进电机3的输出轴与光伏电池板5侧面中间连接，使得光伏电池板5随第二步进电机3的输出轴转动，即使得光伏电池板5沿第二步进电机3水平的输出轴在竖直面作旋转运动，第二步进电机3的驱动模块与12伏锂电池连接，摄像头6固定安装在光伏电池板5上表面的中心。

图像采集模块，主要由Eieye开源摄像头和滤光片构成。摄像头6，固定置于在光伏电池板5上表面的中央，摄像头6通过引线与系统控制模块的Arduino单片机相连传送图像数据；摄像头6依次经图像采集模块、图像处理模块和系统控制模块连接，光伏电池板5、第一步进电机1和第二步进电机3经测量反馈模块和系统控制模块连接。减光片模块，主要由镀金属膜的深棕色减光片组成，装在摄像头6的镜头前方。

图像处理模块，将采集的图像信息数据传入MATLAB软件中，生成图像灰度矩阵，首先进行预处理步骤，包括去除噪声干扰、图像锐化、灰度变换处理，目的在于确定图像的信息有无，去除相对无用信息，增强有用的特征信息，最后能够加工成便于计算机进一步识别与定位太阳位置的图像。之后进一步深入滤波处理，主要包括图像矩阵傅里叶变换，得到图像频谱特性，图像矩阵为离散信号，经过二维快速傅里叶变换(2D-FFT)可以将低频信号转移到频谱中心，通过低通滤波将高频干扰信号过滤掉，从而可以获得图2所示的结果；通过傅里叶反变换回到图像离散矩阵，设定灰度阈值与二值化处理得到具有明显太阳位置信息的图像，最终获得图3所示的图像处理结果。

系统控制模块，主要由Arduino单片机与计算机通过串口通讯组成，用于接收来自图像处理模块处理后的图像信息，然后根据太阳在图像当中的位置坐标计算出太阳中心点与光伏电池板中心点的位置偏差，通过这一偏差再输出数字信号给电机驱动模块来控制两个步进电机的旋转方向与角度，使得太阳正对于光伏电池板中心。同时接收来自测量反馈模块获得的角度测量信息并输出数字信号给电机驱动模块来修正两个步进电机的旋转方向与角度。

测量反馈模块，用于实时测量光伏电池板的输出电量以及两个步进电机各自的旋转方向与角度，将连续测量的数据传输给电脑并制成曲线，通过与太阳位置的比对检验准确性与太阳位置对发电量的影响，将比对结果发送到系统控制模块。

上述的实施方法可以很好地判断采集到的图像当中有无太阳的位置信息与其精确的方位，之后将处理之后的判断与数据传送给单片机，单片机输出数字信号给电机驱动模块，最终使得光伏电池板能够定位于太阳光正对方向。