一种基于图像处理的太阳位置跟踪装置的制作方法

本实用新型涉及太阳位置跟踪技术领域，尤其是涉及一种基于图像处理的太阳位置跟踪装置。

背景技术：

目前，太阳方位角是指太阳光线在地平面上的投影与当地经线的夹角(以正北方向为0度)，或看作竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正北方的夹角。太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，或者说是某地太阳光线与通过该地与地心相连的地表切面的夹角。

太阳方位角和高度角有重要的实际意义，例如分析太阳能辐射、用于太阳能应用等。这两者可以用公式计算出理论值，但是，在一些场合中，必须利用仪器测量出实际值。

现有的类似功能的产品或专利，大多使用了电机、编码器等。这种设计有明显的缺点：1、结构复杂、可活动部件很多，易发生故障，导致设备不能正常工作，其维护成本也较高，又考虑到这类设备需要在室外复杂恶劣的环境中工作，不可避免的要经历风吹日晒，此类机械故障的可能性大大增加；2、这些设备的耗电功率通常相对较高，并且需要外部持续供电；3、高度角和方位角的测量往往需要两套独立的单元来完成，增加了设备的复杂程度和制造成本。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服背景技术的不足，本实用新型公开了一种基于图像处理的太阳位置跟踪装置。

技术方案：本实用新型的基于图像处理的太阳位置跟踪装置，包括供能装置、日光投影装置、图像采集装置、图像处理运算装置、数据输出接口；其中，所述日光投影装置包括水平幕布以及垂直竖立在水平幕布中央的遮光杆，所述图像采集装置为设置在水平幕布下方的摄像头模块，在光照下，所述遮光杆在水平幕布上形成阴影，所述摄像头模块在水平幕布背面捕捉阴影和明亮形成的图像信息，所述图像处理运算装置通过图像信息计算得到太阳方位角和高度角。

进一步的，所述供能装置通过光伏发电装置、压电俘能装置以及外接电源为其供电。压电俘能装置可将微弱的空气流动等能量转化为电能，作为对光伏发电的补充，有效应对光照不足的情况。另外，外接dc电源，以应对其它不可预知的特殊情况。

进一步的，所述水平幕布的投影面为透明白色材料。以保证从水平幕布下方可清晰地看到上方的明亮部分和阴影区域，用于接收遮光杆的投影。

进一步的，所述图像处理运算装置通过遮光杆阴影的角度信息计算得方位角，通过遮光杆阴影的长度信息计算的高度角。

进一步的，所述数据输出接口连接lcd屏和usb接口，lcd屏可直观的显示计算结果；usb接口可将结果输出至计算机或其它设备。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点为：本装置借鉴日晷的设计方式，再添加摄像头模块，构成了主要测量部分，可精确测量太阳的高度角和方位角，结构简单可靠，同时，高度角和方位角的测量由同一装置完成，仅依靠两种不同算法，就可以得到两个数据。本装置耗电功率低，实际主要只有低功耗单片机在耗电，并且充分利用自然界的能量供电，正常情况下无需再接入电源。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的工作流程图；

图3是本实用新型的图像处理过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1所示的基于图像处理的太阳位置跟踪装置，包括供能装置、日光投影装置、图像采集装置、图像处理运算装置、数据输出接口。

供能装置通过光伏发电装置、压电俘能装置以及外接电源为其供电。供能装置为整个系统供电，其中，光伏发电装置在光照下为整个装置供电。压电俘能装置可将微弱的空气流动等能量转化为电能，作为对光伏发电的补充，有效应对光照不足的情况，此外，外接dc电源，以应对其它不可预知的特殊情况。

日光投影装置包括水平幕布1以及垂直竖立在水平幕布1中央的遮光杆2，所述水平幕布1的投影面为透明白色材料，所述图像采集装置为设置在水平幕布1下方的摄像头模块3，与水平幕布1之间有恰当距离，且中心光轴与水平幕布1平面垂直，从水平幕布1下方可清晰地看到上方的明亮部分和阴影区域，用于接收遮光杆的投影。在光照下，所述遮光杆2在水平幕布1上形成阴影，所述摄像头模块3在水平幕布1背面捕捉阴影和空白形成的图像信息，所述图像处理运算装置通过遮光杆2阴影的角度信息计算得方位角，通过遮光杆2阴影的长度信息计算的高度角。图像处理运算装置内设于单片机，通过单片机完成计算。

所述数据输出接口连接lcd屏和usb接口。

该装置的测量过程：

将装置放置于开阔无遮挡的水平面上，并确保水平幕布上的正北指示标志指向正北。程序计算时，将此方向视为0°方向。

获取图像。太阳光照射到装置上，遮光杆在水平幕布上投下阴影，幕布其余部分由于太阳直射而相对明亮。幕布下方的摄像头将幕布上的明暗图像采集，得到数字信号，输入单片机以便进行计算。

分析图像。单片机通过特定算法，由图像计算出太阳的方位角以及高度角。

输出数据。利用lcd屏、usb接口输出结果。lcd屏可直观的显示计算结果，便于立即读出数值，而usb接口可将结果输出之计算机或其它设备，使之能与外部设备联合工作。

如图2和图3所示，由图像信息获得位置信息的算法：

(1)图像导入。将摄像头模块获取的图像信息输入单片机。由于颜色信息在计算方位角和高度角时没有意义，所以只获取灰度信号。

(2)将图像二值化。运用最大类间方差法，针对图像求出合适的阈值，判断图像上每一个点的灰度值，将灰度值小于该阈值的像素点视为阴影，表示为0，灰度值大于该阈值的像素点视为明亮处，表示为1。这样，图像被明确地分为阴影和明亮两部分。

(3)找出阴影部分。即在图片原有的坐标系中，记录下所有值为0的点的坐标。这些坐标代表的位置就是阴影。

(4)求方位角。用这些点的坐标拟合出一条直线。阴影部分是长条形的，可以粗略地看作一条直线。拟合的过程就相当于找出这条直线的解析式。直线所指方向就是阴影的走向，也就是太阳的方向。由直线方程可得到斜率、倾斜角，进而得到方位角。

(5)求高度角。求出这些点中相距最远的两者之间的距离，即近似直线段的长度，再根据装置的具体尺寸，可得到投影的长度。由勾股定理和遮光杆的高度，可得到高度角。

(6)连续工作。间隔一定时间后，重复以上操作，即可获得连续的数据。