基于投影圖像識(shí)別的太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)

高高峰，宋高榮，肖高雄

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，江西 九江 332007）

基于投影圖像識(shí)別的太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)

高高峰1，宋高榮1，肖高雄2

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶工程學(xué)院，江西 九江 332007）

為保證太陽(yáng)光實(shí)時(shí)垂直照射太陽(yáng)能接收板，提高太陽(yáng)能利用率，提出基于投影圖像識(shí)別的太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)。通過(guò)物體投影圖像的輪廓識(shí)別，獲得投影圖形的幾何參數(shù)，并以此計(jì)算太陽(yáng)光的入射角度，采用當(dāng)前通用的雙軸跟蹤方式，以太陽(yáng)光為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤的目的。追光精度分析表明，該技術(shù)具有較高的跟蹤精度，可滿(mǎn)足實(shí)際需要。

太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)；圖像識(shí)別；雙軸跟蹤；新能源

0 引 言

為解決傳統(tǒng)能源有限的問(wèn)題，同時(shí)考慮到生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，世界各國(guó)正努力開(kāi)展對(duì)可持續(xù)清潔新能源如太陽(yáng)能發(fā)電等的開(kāi)發(fā)和利用。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能接收方法是把太陽(yáng)光收集器放在一個(gè)固定的支架上，朝向固定，因而無(wú)法保證太陽(yáng)光始終垂直照射太陽(yáng)光收集器，接收效率較低。相關(guān)研究表明，與太陽(yáng)光非跟蹤設(shè)備相比，太陽(yáng)光跟蹤設(shè)備能使太陽(yáng)能接受效率提高37.7%［1］?？梢?jiàn)，太陽(yáng)光的精確跟蹤對(duì)于提高光電轉(zhuǎn)換效率有很大幫助。

經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐，太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)獲得較大發(fā)展，其跟蹤效果不斷提高，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，現(xiàn)有太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)存在成本高、跟蹤精度不能保證等弊端［2］，不能充分滿(mǎn)足實(shí)際需要。探索太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)，并使其達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需要，對(duì)太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用工程具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前圖形識(shí)別技術(shù)趨于成熟，但在通過(guò)識(shí)別投影圖形跟蹤太陽(yáng)光方面未得到應(yīng)用，缺乏相關(guān)研究。本文根據(jù)投影原理，提出基于圖像識(shí)別的太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)，以期在太陽(yáng)光精確跟蹤方面取得較為理想的結(jié)果。

1 圖像識(shí)別追光方法

1.1 圖像識(shí)別追光原理

根據(jù)投影原理，太陽(yáng)光線以不同角度照射不可透光物體時(shí)，在投影面上可得到不同形狀的投影。若不可透光物體的形狀為圓形，此時(shí)在投影面上可得到直線、橢圓和圓形三種不同形狀的投影圖像，投影形狀與太陽(yáng)光線入射角度存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖1所示。根據(jù)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，以投影圖像識(shí)別的幾何參數(shù)為依據(jù)，計(jì)算太陽(yáng)光相對(duì)于物體的角度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的精確跟蹤。

圖1 不同角度入射光線所得投影形狀

1.2 太陽(yáng)光入射角度的計(jì)算

將投影面模擬太陽(yáng)能接收板，在投影面上固定放置不可透光的圓形板，圓形板與投影面保持垂直關(guān)系。當(dāng)太陽(yáng)光處于A點(diǎn)位置時(shí)，光線斜射圓形板，投影面上得到橢圓形投影，如圖2所示。

圖2 光線斜射物體的投影形狀

以圖2為例，建立空間坐標(biāo)系XYZ，原點(diǎn)O為圓形板與投影面的交點(diǎn)處。此時(shí)，太陽(yáng)光與物體的水平夾角為α，高度夾角為β［3］。

水平夾角α計(jì)算公式為：

其中，b為橢圓投影的短軸長(zhǎng)度，d為圓形板的直徑。

高度夾角β計(jì)算公式為：

其中a為橢圓投影的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度。

1.3 投影圖形的處理

（1）投影圖像的獲得。采集圖像使用微型相機(jī)設(shè)備，為800萬(wàn)像素。在采集圖像時(shí)，以白色A4紙作為背景，為后期提取投影圖像目標(biāo)提供方便。相機(jī)獲取的圖像為真彩圖（見(jiàn)圖3），每個(gè)像素由3個(gè)大小相同的二維數(shù)組表示，無(wú)法直接運(yùn)用圖像處理算法，需要對(duì)其進(jìn)行灰度處理［4］。

圖3 原始圖像

采用matlab內(nèi)置灰度處理函數(shù)進(jìn)行圖像的灰度處理?；叶忍幚砗?，圖像由一個(gè)二位數(shù)組表示圖形，每個(gè)像素在matlab中對(duì)應(yīng)一個(gè)像素值，但仍未能對(duì)圖像目標(biāo)進(jìn)行提取，需要對(duì)其進(jìn)行二值化處理［5］。圖像的二值化處理使整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，進(jìn)一步凸顯目標(biāo)的輪廓，減少圖像的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)處理速度，有利于圖像的進(jìn)一步處理。二值化處理后的圖像如圖4所示。

（2）幾何參數(shù)的識(shí)別。太陽(yáng)光入射角度的計(jì)算需要得知橢圓投影的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度兩個(gè)數(shù)據(jù)。采用外接最小矩形獲取以上兩個(gè)參數(shù)，其計(jì)算原理如下：將二值化處理后的圖像以每次1°的增量在90°范圍內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；每旋轉(zhuǎn)一次，得到橢圓邊緣x軸方向的最大值a1與最小值b1，y軸方向的最大值a2與最小值b2；坐標(biāo)點(diǎn)（a1，a2）為外接矩形的某個(gè)端點(diǎn)，對(duì)角端點(diǎn)為（b1，b2），以此計(jì)算外接矩形的面積；當(dāng)橢圓旋轉(zhuǎn)到某一角度時(shí)，橢圓對(duì)稱(chēng)軸與坐標(biāo)軸平行，此時(shí)外接矩形的面積為最??；最小外接矩形的長(zhǎng)邊為橢圓的長(zhǎng)軸，短邊為橢圓的短軸。幾何參數(shù)識(shí)別如圖5所示。

圖4 二值化處理后的圖像

圖5 幾何參數(shù)的識(shí)別

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幾何參數(shù)的識(shí)別為太陽(yáng)能接收板的朝向提供依據(jù)，采用當(dāng)前通用的雙軸跟蹤方式，設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的精確跟蹤［6-7］。太陽(yáng)光跟蹤裝置如圖6所示。

圖6 太陽(yáng)光跟蹤裝置

空間坐標(biāo)系的Z軸與電機(jī)1的輸出軸軸線重合，X軸與電機(jī)2的輸出軸軸線重合。電機(jī)1通過(guò)彈性聯(lián)軸器帶動(dòng)豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)通過(guò)平鍵與豎直軸聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，平臺(tái)上的零件隨著水平旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行水平轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°～360°。電機(jī)2與水平軸通過(guò)彈性聯(lián)軸器聯(lián)接，彈性固定塊通過(guò)螺紋夾緊在水平軸上，隨水平軸的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動(dòng)。相機(jī)箱體與彈性固定塊通過(guò)螺紋實(shí)現(xiàn)固定聯(lián)接，底部中心放置微型相機(jī)。微型相機(jī)采集圓形板的投影圖像，并通過(guò)無(wú)線傳輸給相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)識(shí)別投影圖形，得到太陽(yáng)光線的入射角度，指導(dǎo)電機(jī)1、電機(jī)2工作，從而保證太陽(yáng)光的實(shí)時(shí)跟蹤。防塵蓋上布置限位傳感器，限制箱體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，保證相機(jī)箱體在-85°～+85°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，避免相機(jī)箱體與其他零件發(fā)生碰撞。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

利用VB編程語(yǔ)言編制軟件界面，如圖7所示。系統(tǒng)控制由圖像采集、圖像識(shí)別、控制電機(jī)工作三大功能模塊組成，如圖8所示。圖像采集功能完成微型相機(jī)的圖像拍攝，并傳送給計(jì)算機(jī)。圖像識(shí)別功能獲取幾何參數(shù)的matlab程序（.M）編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（.DLL），VB在代碼中調(diào)用生成的.DLL中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)算法，從而脫離matlab環(huán)境使用。控制電機(jī)工作功能根據(jù)計(jì)算所得的投影幾何參數(shù)，控制電機(jī)1、電機(jī)2工作。

圖7 系統(tǒng)軟件界面

太陽(yáng)光以不同水平角度斜射圓形板，投影圖像在投影面上會(huì)處于不同位置，如圖9所示。根據(jù)投影位置的情況，計(jì)算機(jī)控制電機(jī)1、電機(jī)2旋轉(zhuǎn)不同的方向與角度（見(jiàn)表1）。

4 追光精度分析

給出太陽(yáng)光線實(shí)際高度角和水平角的標(biāo)準(zhǔn)值，與本文提出的太陽(yáng)光跟蹤技術(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，實(shí)際高度角、水平角與計(jì)算結(jié)果的高度角、水平角的誤差在5°以?xún)?nèi)（見(jiàn)表2）。相關(guān)文獻(xiàn)表明，當(dāng)太陽(yáng)光跟蹤設(shè)備的法線與太陽(yáng)光線的夾角在15°以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)太陽(yáng)光的利用效率變化不明顯［8］。因此，誤差5°以?xún)?nèi)可滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)需求，能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光實(shí)時(shí)跟蹤的目的。

圖8 系統(tǒng)控制流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于圖像識(shí)別技術(shù)，提取橢圓投影的輪廓數(shù)據(jù)，采用最小外接四邊形算法獲得投影圖形的幾何參數(shù)；以幾何參數(shù)為依據(jù)，計(jì)算太陽(yáng)光的入射角度；系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用雙軸跟蹤方式，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能接收板的任意朝向；系統(tǒng)控制軟件，以太陽(yáng)光為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與角度。追光精度分析表明，該技術(shù)具有較高的跟蹤精度，可滿(mǎn)足實(shí)際需要，有效提高太陽(yáng)能利用率。

圖9 不同象限的投影圖形

表1 電機(jī)旋轉(zhuǎn)不同的方向與角度

表2 追光精度比較結(jié)果 °

［1］王小鑫，胡紅利，王博.高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器［J］.電光與控制，2012，19（12）:80-83.

［2］GIBSON T L，KELLY N A.Solar Photovoltaic Charging of Lithium-ion Batteries［J］.Journal of Power Sources，20l0，195（12，S1）:3928-3932.

［3］饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽(yáng)跟蹤器控制系統(tǒng)的研制［J］.控制工程，2004，11（5）:542-545.

［4］鄒益民，汪渤.一種基于最小二乘的不完整橢圓擬合算法［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（7）:808-812.

［5］姜穎韜.智能探測(cè)小車(chē)圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)［J］.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，14（4）:49-51.

［6］陳麗娟，周鑫.基于ARM嵌入式圖像處理平臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（4）:71-74.

［7］史旺旺，劉超.用光電池旋轉(zhuǎn)方法測(cè)量太陽(yáng)光入射角的研究［J］.可再生能源，2013，31（1）:9-12.

［8］楊鵬，史旺旺，劉松，等.基于太陽(yáng)電池的大范圍太陽(yáng)光入射角測(cè)量方法研究［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2011，32（2）:216-219.

［責(zé)任編輯：?jiǎn)叹S德］

Sunlight Tracking Technique Based on Projected Image Identification

GAO Feng1， SONG Rong1， XIAO Xiong2（1.Mechanical Engineering Department， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou， 325035， China；2.School of Shipbuilding Engineering， Jiujiang Vocational and Technical College， Jiujiang， 332007， China）

Sunlight tracking technique based on projected image identification is suggested with the purpose of ensuring that sunlight can vertically beat down on dash receivers all the time so as to make a better use of solar energy.By means of contour identification of projected images， geometrical parameters of the projected images can be obtained by which we can figure out the incident angle of sunlight.With the sunlight data， the widely-used biaxial tracking mode is employed to achieve the final aim of tracking sunlight all the time.Analysis done on sunlight tracking accuracy demonstrates that this technique is superior in high tracking accuracy and can meet the practical demand.

Sunlight tracking technique； Image identification； Biaxial tracking； New energy

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.063

TK513.4

A

1671-4326（2016）03-0061-04

2016-07-03

高 峰（1989—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系助教，碩士；

宋 榮（1980—），男，浙江瑞安人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授，碩士；

肖 雄（1988—），男，湖北咸寧人，九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院船舶工程學(xué)院助教，碩士.