一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统和方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统和方法，系统包括摄像头、存储模块、嵌入式处理器、电平转换芯片、PC机和伺服电机，摄像头经存储模块与嵌入式处理器相连，PC机通过电平转换芯片与嵌入式处理器相连，伺服电机的控制端与嵌入式处理器相连，伺服电机的输出轴与摄像头相接触；摄像头采集图像数据并存储于存储模块，嵌入式处理器从存储模块调取图像数据并上传给PC机，PC机根据上传的图像数据估计太阳的实时质心坐标，生成电机控制信号并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，带动摄像头跟踪太阳质心。本发明提高了太阳跟踪的实时性和精度。
【专利说明】
一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统和方法
技术领域
[0001]本发明属于图像处理与应用技术，特别涉及了一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统和方法。
【背景技术】
[0002]太阳跟踪装置是散射辐射测量中的一个基本部件，其精确度直接影响散射辐射测量的精度与准确性。光电式太阳跟踪方法因其结构简单，易于实现，同时具有较高的跟踪精度而被广泛的应用于太阳辐射测量以及太阳能应用等领域。但传统的光电式跟踪方法虽然瞬时跟踪精度较高，但多数采用直接基于嵌入式平台的跟踪方法，受限于嵌入式处理器等主控芯片的计算速度与开发难度，往往不能实时精确的定位太阳质心，易出现累积误差，影响太阳跟踪的稳定性与连续性。
[0003]现代图像采集处理技术发展迅速，各种采集方法已经相当成熟。目前市场上的大部分图像采集系统可以分为两种，一种是基于嵌入式系统的，一种是基于PC的采集系统。受限于嵌入式系统的开发难度或运算速度，基于嵌入式的图像采集系统在一些需要复杂图像处理的应用中无法得到广泛应用。基于PC的采集系统中支持的开发平台有限，且需要设计人员有较深的编程基础，难度较大。
【发明内容】
[0004]为了解决上述【背景技术】提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统和方法，将PC机与嵌入式系统相结合，并通过在图像采集过程中使用中断函数，从而能够快速处理米集的每帧图像，提尚跟踪的实时性和精度。
[0005]为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为:
一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，包括摄像头、存储模块、嵌入式处理器、电平转换芯片、PC机和伺服电机，所述图像采集器经存储模块与嵌入式处理器相连，PC机通过电平转换芯片与嵌入式处理器相连，伺服电机的控制端与嵌入式处理器相连，伺服电机的输出轴与摄像头相接触;摄像头采集图像数据并存储于存储模块中，嵌入式处理器从存储模块调取图像数据并上传给PC机，PC机根据上传的图像数据估计太阳的实时质心坐标，再根据质心坐标生成电机控制信号并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头跟踪太阳质心。
[0006]基于上述技术方案的优选方案，所述摄像头的型号为0V7725。
[0007]基于上述技术方案的优选方案，所述电平转换芯片的型号为CP2102。
[0008]基于上述技术方案的优选方案，所述存储模块为FIFO存储器。
[0009]基于上述技术方案的优选方案，所述嵌入式处理器采用STM32型单片机。
[0010]本发明还提出了基于上述太阳跟踪系统的太阳跟踪方法，包括以下步骤:
(1)PC机初始化参数，打开串口，准备进行通信；
(2)PC机向嵌入式处理器发送握手信号，嵌入式处理器接收到握手信号后，从存储模块中调取一帧图像数据上传给PC机；
(3)当PC机接收到该帧图像数据的终止符时，表示PC机已成功接收到一帧图像，此时PC机触发中断函数，中止PC机与嵌入式处理器之间的数据传输，并在中断函数中进行如下图像处理:
(a)将接收到的图像转化为灰度图像，并去除图像的高斯噪声和椒盐噪声；
(b)采用最大类间方差法计算图像二值化的阈值，再利用该阈值进行图像二值化；
(c)预先设定面积阈值，对二值化图像进行连通域标记，找出其中面积最大且面积大于面积阈值的连通域，该区域即为包含太阳边缘信息的提取目标；
(d)对提取目标的边缘进行遍历迭代运算，得到边缘上相距最远的两点a和b，以ab的中点c再进行遍历迭代运算，得到边缘上距离点c最远的点d，以点d为中心，沿边缘分别向点a、b出发，对区域边缘上这两段曲线分别进行采样；
(e)运用最小二乘法对两段曲线取得的采样点进行拟合，得到拟合圆，该圆的圆心即为太阳的质心；
(4)PC机根据估计出的太阳质心坐标生成相应的电机控制信号，并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头实时跟踪太阳；
(5)返回步骤(2)，PC机重新向嵌入式处理器发送握手信号。
[0011 ]进一步地，在步骤(a)之前，需要将PC机接收到的图像数据从ASCII格式转换成M*N的矩阵，其中M*N为预先设定的像素数。
[0012]进一步地，在步骤(a)中，采用维纳自适应滤波器去除图像的高斯噪声和椒盐噪声。
[0013]采用上述技术方案带来的有益效果:
(1)本发明提出了PC机与嵌入式系统相结合的上下位机系统，弥补了现有的单一依赖PC机或嵌入式系统带来的缺陷，实现优势互补，提升跟踪系统的精度；
(2)本发明在图像采集过程中使用中断函数，在中断函数中实现图像处理以及太阳质心坐标的估计，从而能够快速处理米集的每帧图像，提尚跟踪的实时性和精度。
【附图说明】
[0014]图1是本发明系统组成框图。
[0015]图2是本发明方法流程图。
【具体实施方式】
[0016]以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0017]如图1所示，一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，包括摄像头、存储模块、嵌入式处理器、电平转换芯片、PC机和伺服电机，所述摄像头经存储模块与嵌入式处理器相连，PC机通过电平转换芯片与嵌入式处理器相连，伺服电机的控制端与嵌入式处理器相连，伺服电机的输出轴与摄像头相接触;摄像头采集图像数据并存储于存储模块中，嵌入式处理器从存储模块调取图像数据并上传给PC机，PC机根据上传的图像数据估计太阳的实时质心坐标，再根据质心坐标生成电机控制信号并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头跟踪太阳质心。
[0018]在本发明中，PC机作为系统的上位机，而嵌入式处理器作为下位机的核心。嵌入式处理器一般输出TTL电平信号，而PC机的串口标准一般为RS232，因此两者进行通信时，需要在两者之间接入电平转换芯片，实现TTL电平与RS232电平之间的转换，在本实施例中，电平转换芯片的型号选用CP2102。
[0019]在本实施例中，摄像头的型号选用0V7725。存储模块选用FIFO存储器。
[0020]嵌入式处理器选用STM32型单片机。
[0021]本发明还提出了基于上述系统的太阳跟踪方法，如图2所示，包括以下步骤:
步骤1:PC机初始化参数，打开串口，准备进行通信。
[0022]步骤2:PC机向嵌入式处理器发送握手信号，嵌入式处理器接收到握手信号后，从存储模块中调取一帧图像数据上传给PC机。
[0023]步骤3:当PC机接收到该帧图像数据的终止符时，表示PC机已成功接收到一帧图像，此时PC机触发中断函数，中止PC机与嵌入式处理器之间数据传输，将采集到的图像数据从ASCII格式转换成M*N的矩阵，其中M*N为预先设定的像素数，然后在中断函数中进行如下图像处理:
(a)将接收到的图像转化为灰度图像，并去除图像的高斯噪声和椒盐噪声；
(b)采用最大类间方差法计算图像二值化的阈值，再利用该阈值进行图像二值化；
(c)预先设定面积阈值，对二值化图像进行连通域标记，找出其中面积最大且面积大于面积阈值的连通域，该区域即为包含太阳边缘信息的提取目标；
(d)对提取目标的边缘进行遍历迭代运算，得到边缘上相距最远的两点a和b，以ab的中点c再进行遍历迭代运算，得到边缘上距离点c最远的点d，以点d为中心，沿边缘分别向点a、b出发，对区域边缘上这两段曲线分别进行采样；
(e)运用最小二乘法对两段曲线取得的采样点进行拟合，得到拟合圆，该圆的圆心即为太阳的质心。
[0024]步骤4:PC机根据估计出的太阳质心坐标生成相应的电机控制信号，并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头实时跟踪太阳。
[0025]返回步骤2，PC机重新向嵌入式处理器发送握手信号，开始新一轮的图像传输、处理和发出电机控制信号。
[0026]以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，其特征在于:包括摄像头、存储模块、嵌入式处理器、电平转换芯片、PC机和伺服电机，所述摄像头经存储模块与嵌入式处理器相连，PC机通过电平转换芯片与嵌入式处理器相连，伺服电机的控制端与嵌入式处理器相连，伺服电机的输出轴与摄像头相接触;摄像头采集图像数据并存储于存储模块中，嵌入式处理器从存储模块调取图像数据并上传给PC机，PC机根据上传的图像数据估计太阳的实时质心坐标，再根据质心坐标生成电机控制信号并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头跟踪太阳质心。2.根据权利要求1所述一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，其特征在于:所述摄像头的型号为0V7725。3.根据权利要求1所述一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，其特征在于:所述电平转换芯片的型号为CP2102。4.根据权利要求1所述一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，其特征在于:所述存储模块为FIFO存储器。5.根据权利要求1所述一种基于图像采集和处理的太阳跟踪系统，其特征在于:所述嵌入式处理器采用STM32型单片机。6.基于权利要求1所述太阳跟踪系统的太阳跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)PC机初始化参数，打开串口，准备进行通信； (2)PC机向嵌入式处理器发送握手信号，嵌入式处理器接收到握手信号后，从存储模块中调取一帧图像数据上传给PC机； (3)当PC机接收到该帧图像数据的终止符时，表示PC机已成功接收到一帧图像，此时PC机触发中断函数，中止PC机与嵌入式处理器之间的数据传输，并在中断函数中进行如下图像处理: (a)将接收到的图像转化为灰度图像，并去除图像的高斯噪声和椒盐噪声； (b)采用最大类间方差法计算图像二值化的阈值，再利用该阈值进行图像二值化； (C)预先设定面积阈值，对二值化图像进行连通域标记，找出其中面积最大且面积大于面积阈值的连通域，该区域即为包含太阳边缘信息的提取目标； (d)对提取目标的边缘进行遍历迭代运算，得到边缘上相距最远的两点a和b，以ab的中点c再进行遍历迭代运算，得到边缘上距离点c最远的点d，以点d为中心，沿边缘分别向点a、b出发，对区域边缘上这两段曲线分别进行采样； (e)运用最小二乘法对两段曲线取得的采样点进行拟合，得到拟合圆，该圆的圆心即为太阳的质心； (4)PC机根据估计出的太阳质心坐标生成相应的电机控制信号，并传送给嵌入式处理器，嵌入式处理器根据电机控制信号驱动伺服电机运转，从而带动摄像头实时跟踪太阳； (5 )返回步骤(2 )，PC机重新向嵌入式处理器发送握手信号。7.根据权利要求6所述太阳跟踪方法，其特征在于:在步骤(a)之前，需要将PC机接收到的图像数据从ASCII格式转换成M*N的矩阵，其中M*N为预先设定的像素数。8.根据权利要求6所述太阳跟踪方法，其特征在于:在步骤(a)中，采用维纳自适应滤波器去除图像的高斯噪声和椒盐噪声。
【文档编号】G06K9/46GK105898242SQ201610413856
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】刘卿卿, 俞强, 赵毛毛, 王竞雄, 马子涵, 陆启迪
【申请人】南京信息工程大学