楊雅志

(1.成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)工程系，成都 610071;2.四川師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 610101)

太陽能電池板定位系統(tǒng)的研究

楊雅志1，2

(1.成都電子機(jī)械高等?？茖W(xué)校 計(jì)算機(jī)工程系，成都 610071;2.四川師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 610101)

在電力能源生產(chǎn)中，為了獲得更高的發(fā)電效率，需要太陽能接收器正對太陽以獲取最大的光通量，充分吸收光照。介紹了一種應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能電池板正確定位以獲取最大光照的方法。這種方法可以顯著提高現(xiàn)有系統(tǒng)的定位精度，獲得理論最大的光通量。

太陽能電池板;數(shù)字圖像處理;定位

在太陽能發(fā)電中，需要隨時(shí)調(diào)整太陽能電池板的位置使其正對太陽，從而獲取最大的光通量。在傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)中，通常采用GPS對太陽能發(fā)電站進(jìn)行定位，通過計(jì)算當(dāng)前位置相對太陽的角度來調(diào)整太陽能電池板。這種方式是調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對電池板位置進(jìn)行調(diào)整，但是在實(shí)際運(yùn)用中，光通量的變化會受到天氣、大氣折射等眾多因素的影響，故無法提供最大化的光照通量。本文提出了一種利用數(shù)字圖像處理來獲取更精確定位的方式，可以顯著提高定位精度，從而獲得最大的光通量。

1 太陽能電池板定位系統(tǒng)概述

太陽能電池板的定位系統(tǒng)主要由檢測控制系統(tǒng)以及機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)組成。檢測系統(tǒng)用于測量當(dāng)前太陽相對于電池板的位置，并通過計(jì)算得出控制信號;機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)接收控制信號并控制電機(jī)進(jìn)行電池板位置的調(diào)整。在位置信號處理的過程中需要對太陽進(jìn)行圖像采樣，計(jì)算其圖像重心位置，由此來判斷太陽和太陽能電池板位置的偏差，并進(jìn)行調(diào)整。在數(shù)字圖像處理的過程中可以利用虛擬儀器視覺與運(yùn)動模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 太陽能電池板定位系統(tǒng)硬件平臺搭建

該系統(tǒng)中，可以利用USB接口的攝像裝置完成對太陽位置圖像的采樣，為了避免強(qiáng)烈陽光對成像質(zhì)量的影響并方便后期進(jìn)行圖像的二值化處理，需要在鏡頭前加裝濾光片，降低太陽直射的光輻射通量。攝像頭將采集的圖像信息傳遞給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)通過對圖像進(jìn)行運(yùn)算后再將偏移的判定結(jié)果傳遞給機(jī)電驅(qū)動系統(tǒng)，以此來調(diào)節(jié)電池板的位置，在調(diào)整位置以后再次對當(dāng)前的太陽位置進(jìn)行采樣，采樣信息作為反饋信號輸入計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 太陽能電池板定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 太陽能電池板定位系統(tǒng)軟件概述

系統(tǒng)的圖像處理部分利用虛擬儀器中的視覺與運(yùn)動模塊完成［1］，該模塊包含了圖像采集控制、數(shù)字圖像的空域以及頻域處理等多種內(nèi)置的功能和函數(shù)，通過調(diào)用這些函數(shù)可以方便地識別出太陽的方位以及相對于太陽能電池板中心位置的偏移量。

1.3 太陽能電池板定位系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

此系統(tǒng)的定位精度與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中采用的光學(xué)攝像頭焦距為6.33～19.0 mm，在無限遠(yuǎn)物點(diǎn)時(shí)，取焦距為6.33 mm，CCD尺寸為1.016 cm，視場大小為77.3196°。CCD分辨率為3 072×2 304，故在成像后其太陽中心的定位精度在2'以內(nèi)，在光學(xué)系統(tǒng)中2'以內(nèi)的偏差對于光強(qiáng)度大小的影響可以忽略不計(jì)，因此，采用該系統(tǒng)可以使電池板獲得理論最大的光照強(qiáng)度。

2 太陽能電池板定位系統(tǒng)算法的具體實(shí)現(xiàn)

在該項(xiàng)目中，太陽相對于電池板中心線的定位算法［2］需要經(jīng)過圖像采樣、圖像轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、閾值分割、重心計(jì)算等步驟。其目的是得到太陽的位置(太陽在圖像中成像的中心點(diǎn))和電池板正對中心位置(圖像的正中心)的偏移量，并以此來控制電機(jī)系統(tǒng)。

圖2 灰度圖像及其強(qiáng)行轉(zhuǎn)換

攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)后，由于只關(guān)心太陽相對于電池板中心線方位的位置，即圖像中強(qiáng)度最大的為太陽的位置，故不需要考慮圖像的色彩信息，圖像由彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。通過讀取被采集圖像時(shí)，加入定義信息可以強(qiáng)行把彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，如圖2所示。

圖3 空域均值濾波

在采樣系統(tǒng)中不可避免地會引入噪聲，在噪聲的抑制中可以采用頻域或者空域?yàn)V波，由于在FFT變換濾波中會在圖像中產(chǎn)生一定的波紋，影響圖像中強(qiáng)度最大點(diǎn)的判斷，因此優(yōu)選空域平滑濾波，如圖3所示。

為了提取出太陽的位置需要對灰度圖像進(jìn)行閾值的分割［3］，由于太陽和背景部分的灰度級別差異較大，為明顯的兩類灰度，故可以采用閾值分割方法，這里取閾值為235。如圖4所示。

圖4 圖像的閾值分割

在提取了太陽圖像后，太陽位置的灰度級別被定義為最大，非太陽位置的圖像被定義為0灰度級別，此時(shí)圖像的重心位置坐標(biāo)為太陽的位置。此時(shí)太陽和電池板正對位置的坐標(biāo)差可以通過計(jì)算得出，得到其偏移量用于電機(jī)的控制，從而調(diào)節(jié)其到正對太陽的位置。其偏移量的計(jì)算如圖5所示。

圖5 偏移量的數(shù)組計(jì)算及其結(jié)果

3 結(jié)語

本文敘述了太陽能電池板定位算法的一種實(shí)現(xiàn)方式［4］，其核心部分主要由虛擬儀器的視覺與運(yùn)動模塊完成。從采集圖像到圖像的處理與關(guān)鍵參數(shù)的運(yùn)算，都可以由一臺帶有攝像頭的計(jì)算機(jī)完成，圖像數(shù)據(jù)計(jì)算量小，運(yùn)算處理快速，硬件要求低，是一種低成本的控制計(jì)算方法，并且可以通過函數(shù)的循環(huán)調(diào)用實(shí)現(xiàn)太陽位置的實(shí)時(shí)運(yùn)算與跟蹤［5］。

［1］李培江，李淑清，高華.基于LabVIEW的網(wǎng)絡(luò)機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(8):26-28.

［2］毛義梅.虛擬儀器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2002(S1):192-193.

［3］齊龍，馬旭，周海波.基于虛擬儀器技術(shù)的田間多光譜視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009(1):157-161.

［4］王鵬，趙彥玲，劉獻(xiàn)禮，等.基于LabVIEW的機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(05):84-87.

［5］徐樹英.基于虛擬儀器的機(jī)器視覺測量系統(tǒng)建模方法和圖像處理算法研究［D］.成都:四川大學(xué)，2005.

Research on Solar Panels Positioning System

YANG Yazhi1，2
(1.Computer Engineering Department，Chengdu Electromechanical College，Chengdu 610071，China;2.College of Computer Science，Sichuan Normal University，Chengdu 610101，China)

Solar energy as an environmental friendly non-polluting resource is widely used in power generation systems.In order to achieve higher power generation efficiency，solar receivers are required to achieve maximal solar flux and full absorption of light.This paper presents a method by digital image technology to obtain correct positions of solar panels to maximize illumination.By applying the presented approach，the positioning accuracy of the existing system can be significantly improved to obtain the theoretical maximum luminous flux.

Solar Panels;Digital Image Processing;Positioning

TP391.9

A

1008-5440(2011)03-0026-03

2011-06-08

楊雅志(1983-)，男(漢族)，四川崇州人，助教，在讀碩士研究生，研究領(lǐng)域:計(jì)算機(jī)軟件，教育技術(shù)學(xué)。