专利名称：一种太阳位置检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及太阳能热发电系统，更具体地说，涉及一种太阳位置检测装置及方法。
背景技术：
太阳位置检测装置用于跟踪太阳位置，用于太阳能热发电系统中，现有技术的太阳位置检测装置的结构如图1所示。装置包括第一底座15，第一底座15上设置光电四象限传感器，光电四象限传感器的外围设置第一外壳16,第一外壳16上设置第一上盖17,第一外壳16与第一上盖17、第一底座15密封连接,第一上盖17上垂直设置导光筒18,导光筒18顶端设置石英视镜19，传感器的光电四象限传感器的中心、导光筒18的中心、石英视镜19的中心位于同一条直线上。为了保证安装位置的准确性，第一上盖17上设置导光孔20，第一底座15上设置与导光孔对应的对正孔21，通过导光孔20和对正孔21的对正来保证安装位置的准确性。光电四象限传感器的原理是使用硅电池作为核心部件，将硅电池分割为1/4扇形，由四块扇形硅电池拼接为一个整圆，当光线照射到硅电池表面时，四块扇形硅电池由于光照不均匀则产生的光生电流大小也不同，其核心就是比较光生电流的大小来输出控制信号。通过计算相对位置的电流差值，来控制跟踪系统运行，当相对位置的电流差值为O时，则跟踪系统正对太阳。现有技术的太阳位置检测装置存在如下缺陷:(I)光电四象限传感器采用硅电池作为核心部件，硅电池对光源的要求很高，光电四象限传感器的检测角度很小，一般在20°左右，当检测角度过大时，会在光电四象限传感器的视场内同时存在聚光镜形成的光斑、太阳光斑等多个光源，此时传感器就不能对太阳位置做出准确判断，这样会造成光电四象限传感器的误差变大或者直接造成光电四象限传感器失效，因此，现有设计的太阳能传感器不能做到对太阳位置的大范围检测。(2)光电四象限传感器为模拟量传感器，比较容易受杂散光的影响，并且当天空中云层反射强烈时，会对传感器造成很大影响，影响跟踪系统的稳定性。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种太阳位置检测装置及方法。一种太阳位置检测装置，包括底座，其特征在于，还包括外壳、上盖，外壳、上盖与底座形成腔体，采集太阳图像的摄像头设置于腔体内的底座上，上盖包括位于四周的遮光部、位于中心的透光部。优选地，透光部包括石英玻璃层和位于石英玻璃层下方的巴德膜。优选地，装置还包括与摄像头连接的单片机，单片机包括图像采集单元、灰度处理单元、太阳图像中心获取单元、数模转换单元、电机单元，灰度处理单元与图像采集单元连接，灰度处理单元与太阳图像中心获取单元连接，数模转换单元与太阳图像中心获取单元连接，电机单元与数模转换单元连接。
优选地，电机单元包括仰俯电机和水平电机。优选地，摄像头采用CXD传感器或COMS传感器。优选地，摄像头的视场角为120°。优选地，外壳、上盖、底座密封连接。一种太阳位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤:A、单片机图像采集单元向太阳位置检测装置的摄像头发图像采集指令；B、摄像头执行采集指令，采集太阳图像后，将太阳图像传输至单片机的图像采集单元；C、灰度处理单元对来自图像采集单元的太阳图像进行灰度处理，获取0-255阶灰度图像；D、太阳图像中心获取单元根据灰度图像确定太阳图像的中心点，并将本次太阳图像的中心点与上次检测的太阳图像的中心点做比较处理，获取太阳图像中心的移动向量；E、数模转换单元将太阳图像中心的移动向量转换为相应的脉冲驱动电机单元运动。优选地，电机单元包括仰俯电机和水平电机。实施本发明的技术方案，具有以下有益效果:(1)采用数字摄像头，C⑶传感器或COMS传感器避免了硅电池对光源的高要求，因此检测角度(视场角)随之变大到所希望的大小，扩大对太阳的跟踪范围，提高跟踪效率。(2)CCD传感器或COMS传感器可以对所拍摄照片进行分区域识别，可以去除干扰图像，得到真实的太阳图像，使跟踪精度大大提高。(3)采用单片机对太阳图像进行处理，通过采集照片并对照片进行运算分析的方式来输出控制信号，是一种数字化采集过程，克服了模拟量采集的大误差问题。
图1是现有技术的太阳位置检测装置的结构示意图；图2是本发明的太阳位置检测装置的一实施例结构示意图；图3是本发明的太阳位置检测装置的图2沿A方向的剖视图；图4是本发明的太阳位置检测装置的另一实施例结构示意图。图中:1、外壳；2、摄像头；3、石英玻璃支架；4、巴德膜；5、石英玻璃；6、上盖；7、摄像头安装螺钉；8、紧固螺钉；9、窗口密封垫；10、壳体密封垫；11、安装孔；12、航空插头安装座；13、单片机；1301、摄像头驱动单元；1302、图像采集单元；1303、灰度处理单元；1304、太阳图像中心获取单元；1305、数模转换单元；14、电机；1401、仰俯电机；1402、水平电机；15、第一底座；16、第一外壳；17、第一上盖；18、导光筒；19、石英视镜；20、导光孔；21、对正孔。
具体实施例方式本发明提供一种太阳位置检测装置及方法，下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。图2是本发明的太阳位置检测装置的一实施例结构示意图，图3是本发明的太阳位置检测装置的图2沿A方向的剖视图，如图所示，太阳位置检测装置包括底座，还包括外壳1、上盖6，外壳1、上盖6与底座形成腔体，通过摄像头安装螺钉7将采集太阳图像的摄像头2设置于腔体内的底座上，上盖6包括位于四周的遮光部、位于中心的透光部。可以通过任意方式使外壳I与上盖6固定，本实施例中，通过紧固螺钉8将上盖6固定在外壳I上，并通过壳体密封垫10进行密封。为了将检测装置运用到太阳能发电系统中，底座上还设置有将检测装置安装到所需位置的安装孔11。作为优选技术方案，透光部包括石英玻璃层5和位于石英玻璃层5下方的巴德膜
4。石英玻璃是一种透光性能很高的材料，并且使用玻璃的硬度很高，化学稳定性很好，特别适合作为室外环境下使用的窗口保护材料。石英玻璃层在保证透光性能的前提下有效的提高了传感器的寿命；巴德膜是一种廉价的太阳光谱滤光器件，可以有效的对太阳光进行过滤但不会改变太阳光谱的特性，使用巴德膜作为滤光器件可以拍摄到对比度很高的太阳图像，不会产生色差等现象，这对图像处理是非常有利的，可以有效提高传感器的精度。巴德膜是一种很廉价的滤光材料，使检测装置的成本得到了有效的降低。外壳I采用铝合金材料铸造而成，抗腐蚀寿命长，摄像头2通过安装螺钉7安装于外壳I内部的底座上，摄像头2是CCD摄像头或COMS摄像头，为数字摄像头，因此避免了硅电池对光源的高要求，因此检测角度(视场角)随之变大到所希望的大小，作为优选技术方案，本发明的摄像头2的视场角为120°。为了采集到高质量的太阳图像，可以采用有效像素30万以上摄像头。石英玻璃支架3材料为铝合金安装于外壳I上，石英玻璃支架3与外壳I中间安装外壳密封垫10，上盖6安装于石英玻璃支架3上，上盖6与石英玻璃支架3中间安装外壳密封垫10，巴德膜4与石英玻璃5安装于上盖6月使用玻璃支架3之间，巴德膜4位于石英玻璃5的下方，石英玻璃5与上盖6之间安装窗口密封垫9，上盖6石英玻璃支架3和壳体使用螺钉紧固在一起形成整个传感器的外保护壳。作为优选技术方案，将外壳1、上盖6、底座密封连接，以防止外部环境对摄像头2的干扰，并延长摄像头2的使用年限。图4是本发明的太阳位置检测装置的另一实施例结构示意图，如图所示，太阳位置检测装置包括与太阳位置检测装置的摄像头2连接的单片机13，单片机13包括摄像头驱动单元1301、图像采集单元1302、灰度处理单元1303、太阳图像中心获取单元1304、数模转换单元1305、电机单元14，图像采集单元1302与摄像头驱动单元1301，灰度处理单元1303与图像采集单元1302连接，灰度处理单元1303与太阳图像中心获取单元1304连接，数模转换单元1305与太阳图像中心获取单元1304连接，电机单元14与数模转换单元1305连接。太阳检测装置的摄像头2将采集到的太阳图像发送至单片机13，由单片机13的太阳图像中心获取单元1304获取太阳图像的中心点后获取太阳图像中心的移动向量；由数模转换单元1305将太阳图像中心的移动向量转换为相应的脉冲驱动电机单元14运动。作为优选技术方案，电机单元14包括仰俯电机1401和水平电机1402，以精确控制太阳能采集装置对太阳的精确定位。摄像头2将采集到的每一帧太阳图像传输给单片机，单片机通过灰度处理程序对摄像头传输过来的RGB图像进行灰度处理，得到0-255阶灰度图像，得到的灰度图像经过太阳图像图心计算程序计算出太阳图像的图心位置，再经由数模转化程序将数字量转化为模拟量输出给仰俯电机和水平电机，仰俯电机和水平电机通过得到的模拟量进行相应的动作，完成跟足示。作为优选技术方案，太阳位置检测装置上还设置有航空插头安装座12，作为航空插头(航空插头是一种安全可靠性很高的标准件，密封性及绝缘等级高，安装方便)的连接部件，简化操作流程，提高设备可靠性。本发明还提供一种太阳位置检测方法，该方法包括如下步骤:A、单片机13图像采集单元1302向太阳位置检测装置的摄像头2发图像采集指令；B、摄像头2执行采集指令，采集太阳图像后，将太阳图像传输至单片机13的图像采集单元1302 ；C、灰度处理单元1303对来自图像采集单元1302的太阳图像进行灰度处理，获取0-255阶灰度图像；D、太阳图像中心获取单元1304根据灰度图像确定太阳图像的中心点，并将本次太阳图像的中心点与上次检测的太阳图像的中心点做比较处理，获取太阳图像中心的移动
向量;E、数模转换单元1305将太阳图像中心的移动向量转换为相应的脉冲驱动电机单元14运动。作为优选技术方案，电机单元14包括仰俯电机1401和水平电机1402，以精确控制太阳能采集装置对太阳的精确定位。灰度处理单元1303可采取下述方法对太阳图像进行灰度处理。RGB图像的灰度处理的计算公式:一:Gray=R*0.299+G*0.587+B*0.114二:Gray=(R*299+G*587+B*l14+500)/1000三=Gray=(R~2.2*0.2973+G~2.2*0.6274+B~2.2*0.0753)' (1/2.2)太阳图像中心获取单元1304可以采用多种方式获取太阳图像的中心，例如二值化算法、直接边缘检测算法、跟踪边缘检测算法等。二值化算法:设定一个阀值VALVE，对视频信号矩阵中的每行，从左至右比较各像素值和阀值的大小，若像素值小于或等于阀值，则判定该像素对应的是天空；反之，则判定对应的是太阳图像，记下第一次出现和最后一次出现像素值大于阀值的像素点行号和列号，算出行号的平均值作为太阳高度坐标，列号的平均值作为太阳的方位坐标。直接边缘检测算法:采用追行搜索的算法，首先找到黑色像素到白色像素的上升沿和从白色像素到黑色像素的下降沿，然后计算上升沿和下降沿的位置差，如果大于一定的标准值，则认为找到了太阳图像，并可求平均值算出太阳图像的中心点。阀值可根据试验设定，也可采用全局自适应法设定，每次采样完整扫描一次图像，得到图像灰度值的平均值，然后用平均值乘调整系数得到所需的阀值。跟踪边缘检测算法:由于太阳运动轨迹某天是一定的，且运动速度很小，所以相邻两次太阳图像比较靠近。跟踪边缘检测正是利用这一特性，对直接边缘检测进行了简化。其思路是:若已寻找到太阳图像的左边缘，则下次就在上一次左边缘附近进行搜索。这种方法的特点是始终跟踪太阳图像的左边缘的附件，去寻找下一个图像的左边缘，搜索效率得到了提高。但是如果两次太阳位置相差较大，就会产生一连串错误。数模转换单元1305将太阳图像中心的移动向量转换为相应的脉冲驱动电机单元14运动，即将本次得到的太阳图像中心点坐标与上一次的太阳图像中心点坐标做差值运算，获取太阳图像中心的移动向量，包括水平分量和垂直分量。设:X为太阳图像中心的移动向量的水平分量(为角度值)；Y为太阳图像中心的移动向量的垂直分量(为角度值)；Na为水平运动的减速比；Nb为垂直运动的减速比；α为每个脉冲对应的水平运动机构的旋转角度；β为每个脉冲对应的垂直运动机构的旋转角度；Ta为发送给水平电机的脉冲数；T β为发送给垂直电机的脉冲数；则水平脉冲数为:T a =X*Na/ α则垂直脉冲数为:Τ β =Y*Nb/ β
电机根据脉冲的数量进行精确的运动并到达目标位置后停止。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种太阳位置检测装置，包括底座，其特征在于，还包括外壳(I)、上盖(6)，外壳(I)、上盖(6)与底座形成腔体，采集太阳图像的摄像头(2)设置于腔体内的底座上，上盖(6)包括位于四周的遮光部、位于中心的透光部。
2.根据权利要求1所述的太阳位置检测装置，其特征在于，透光部包括石英玻璃层(5)和位于石英玻璃层(5 )下方的巴德膜(4 )。
3.根据权利要求1或2所述的太阳位置检测装置，其特征在于，还包括与摄像头(2)连接的单片机(13)，单片机(13)包括图像采集单元(1302)、灰度处理单元(1303)、太阳图像中心获取单元(1304)、数模转换单元(1305)、电机单元(14)，灰度处理单元(1303)与图像采集单元(1302)连接，灰度处理单元(1303)与太阳图像中心获取单元(1304)连接，数模转换单元(1305)与太阳图像中心获取单元(1304)连接，电机单元(14)与数模转换单元(1305)连接。
4.根据权利要求3任一所述的太阳位置检测装置，其特征在于，电机单元(14)包括仰俯电机(1401)和水平电机(1402)。
5.根据权利要求4所述的太阳位置检测装置，其特征在于，摄像头(2)采用CXD传感器或COMS传感器。
6.根据权利要求5所述的太阳位置检测装置，其特征在于，摄像头(2)的视场角为120。。
7.根据权利要求6所述的太阳位置检测装置，其特征在于，外壳(I)、上盖(6)、底座密封连接。
8.一种实施权利要求1所述的装置的方法，其特征在于，包括如下步骤: A、单片机(13)图像采集单元(1302)向太阳位置检测装置的摄像头(2)发图像采集指令； B、摄像头(2)执行采集指令，采集太阳图像后，将太阳图像传输至单片机(13)的图像采集单元(1302)； C、灰度处理单元(1303)对来自图像采集单元(1302)的太阳图像进行灰度处理，获取0-255阶灰度图像； D、太阳图像中心获取单元(1304)根据灰度图像确定太阳图像的中心点，并将本次太阳图像的中心点与上次检测的太阳图像的中心点做比较处理，获取太阳图像中心的移动向量; E、数模转换单元(1305)将太阳图像中心的移动向量转换为相应的脉冲驱动电机单元(14)运动。
9.根据权利要求8所述的太阳位置检测方法，其特征在于，电机单元(14)包括仰俯电机(1401)和水平电机(1402)。
全文摘要
本发明公开了一种太阳位置检测装置及方法，所述装置包括底座，还包括外壳、上盖，外壳、上盖与底座形成腔体，采集太阳图像的摄像头设置于腔体内的底座上，上盖包括位于四周的遮光部、位于中心的透光部。实施本发明具有以下有益效果(1)采用数字摄像头避免了硅电池对光源的高要求，因此检测角度(视场角)随之变大到所希望的大小，扩大对太阳的跟踪范围，提高跟踪效率。(2)CCD传感器或COMS传感器可以对所拍摄照片进行分区域识别，可以去除干扰图像，得到真实的太阳图像，使跟踪精度大大提高。(3)采用单片机采集照片并对照片进行运算分析的方式来输出控制信号，是一种数字化采集过程，克服了模拟量采集的大误差问题。
文档编号G01C1/00GK103217141SQ20131008670
公开日2013年7月24日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者周改改, 王振声, 范鑫鸿, 王菲 申请人:大连宏海新能源发展有限公司, 无锡市福莱特电气有限公司