【文章內(nèi)容簡介】 為目標(biāo)識別、精確定位等后續(xù)處理提供依據(jù)。基于這種面向最終分析目的的思想，可選擇相對形狀測度、相對均勻測度和錯分概率作為評估算法優(yōu)劣的準(zhǔn)則。常用的有9中比較經(jīng)典的閾值選取方法——極小值點閾值選取方法、最優(yōu)閾值選取方法、迭代閾值選取方法、利用灰度統(tǒng)計直方圖的凹性分析的閾值選取方法、最大熵法、模糊閾值選取方法、基于最大類間方差法求閾值、基于圖像差距量的閾值選取方法、基于矩量保持的閾值選取方法。鑒于本課題采集到太陽圖像的特殊性，采用基于最大類間方差法求取圖像閾值。最大類間方差法又叫OTSU算法，其求解閾值過程如下：(1)首先選擇一個近似值作為圖像f (x, y)的初始閾值 = (25)為最小、最大灰度值。算出每個灰度出現(xiàn)的概率(2)根據(jù)閾值把圖像分成目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域: =, = (26)計算這兩個區(qū)域出現(xiàn)的概率,及平均值, , (27)(3)計算的,方差, =。= (28)(4)計算類內(nèi)方差、類間方差、總體方差 =+, , =+ (29)計算新閾值= 和，k=k+1, 回到(29)迭代計算，直到 時迭代結(jié)束，此時的閾值即為最優(yōu)解。在基于圖像傳感器構(gòu)成的閉環(huán)式太陽跟蹤系統(tǒng)中能否準(zhǔn)確檢測出太陽光斑質(zhì)心位置是實現(xiàn)跟蹤校正的關(guān)鍵，決定著系統(tǒng)的精度與可靠性。一般圖象處理系統(tǒng)對目標(biāo)定位、跟蹤時，確定目標(biāo)位置的方法可分為兩類，即波門跟蹤和相關(guān)跟蹤算法。波門跟蹤算法可分為兩種，即邊緣跟蹤和形心跟蹤。形心跟蹤又可分為雙邊緣中心跟蹤、面積平衡法跟蹤、質(zhì)心跟蹤和亮度中心跟蹤等。本課題采用質(zhì)心跟蹤的方法實現(xiàn)對太陽光斑目標(biāo)的定位。在二值圖像中，設(shè)某一待求區(qū)域內(nèi)所有像素（非零像素）的坐標(biāo)記為: (210)則該區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)可表示為： Sum(x)=, Sum(y)= (211) , (212)在MATLAB ，提供了regionprops函數(shù)幫助求取圖形區(qū)域質(zhì)心。regionprops函數(shù)是用來度量圖像區(qū)域?qū)傩缘暮瘮?shù)。在調(diào)用regionprops之前必須將二值圖像轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)注矩陣。如圖24所示一個區(qū)域求取質(zhì)心示意圖，綠色的方框代表某一待求區(qū)域，白色正方形代表該區(qū)域內(nèi)的一個像素，紅色原點代表該區(qū)域的質(zhì)心。圖25給出幾種不同形狀的圖形質(zhì)心位置檢測結(jié)果。圖24區(qū)域質(zhì)心求取示意圖（a）圓形質(zhì)心 （b）橢圓質(zhì)心（c）正方形質(zhì)心 （d）三角形質(zhì)心（e）不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域內(nèi)） （f）不規(guī)則形狀質(zhì)心（區(qū)域外）圖25 幾種不同形狀的圖形質(zhì)心檢測結(jié)果根據(jù)標(biāo)注矩陣可以方便的給出二值圖像中亮斑區(qū)域的個數(shù)，在進行抗干擾設(shè)計時，亮斑個數(shù)將會作為是否存在干擾的判斷依據(jù)。圖26給出二值化處理后太陽光斑圖形的質(zhì)心檢測結(jié)果。圖26太陽光斑質(zhì)心檢測結(jié)果圖27太陽圖像中光斑位置及校正步數(shù)示意圖圖27給出了采集太陽圖像中光斑位置與校正步數(shù)示意圖。圖片格式為320*240 RGB格式，即水平方向含有320個像素點，垂直方向含有240個像素點。采用圖像坐標(biāo)表示時，以圖片左上頂點為坐標(biāo)原點，故圖像中心坐標(biāo)為(160,120)。其中FYP、 FYM 、FWP、 FWM分別對應(yīng)上位機控制平臺中“俯仰+”、“俯仰”、“方位+”、“方位”運行步數(shù)。且有FYP +FYM =0,FWP +FWM=0。程序中為減小變量處理個數(shù)，所有FYM和FWM均用FYP和FWP的相反數(shù)表示。跟蹤裝置中方位步進電機每走一步實際走過()，俯仰步進電機每走一步實際走過()。跟蹤裝置運行時，若光斑處于圖像中心坐標(biāo)，則向下移動出圖像FYP需運行50步；向左移動出圖像FWP需運行160步。校正步數(shù)(FYP, FWP)與光斑圖像坐標(biāo)(X ,Y)之間的關(guān)系為： FYP= （213） FWP= （214）由式21214可知：光斑處于第三、第四象限時Y120，可得出FYP為負值，實際表示FYM運行步數(shù)；光斑處于第一、第三象限時X160，可得出FWP為負值，實際表示FWM運行步數(shù)。處于不同象限的太陽光斑質(zhì)心檢測及獲取電機校正步數(shù)程序執(zhí)行結(jié)果如下： 太陽光斑質(zhì)心在第I象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖28太陽光斑質(zhì)心在第I象限圖28為太陽光斑在第I象限，光斑圖像坐標(biāo)(111，68)，光斑個數(shù)為1，對應(yīng)FYP校正步數(shù)為22，F(xiàn)WP校正步數(shù)為49。 太陽光斑質(zhì)心在第II象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖29太陽光斑質(zhì)心在第II象限圖29為太陽光斑在第II象限，光斑圖像坐標(biāo)(237，61)，光斑個數(shù)為1，對應(yīng)FYP校正步數(shù)為25，F(xiàn)WP校正步數(shù)為77。太陽光斑質(zhì)心在第III象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖210太陽光斑質(zhì)心在第III象限圖210為太陽光斑在第III象限，光斑圖像坐標(biāo)(151，159)，光斑個數(shù)為1，對應(yīng)FYP校正步數(shù)為16，F(xiàn)WP校正步數(shù)為10。太陽光斑質(zhì)心在第IV象限程序執(zhí)行結(jié)果如下：（a）原始圖像 (b)二值化圖像 （c）原始圖像加質(zhì)心標(biāo)記圖211太陽光斑質(zhì)心在第IV象限圖211為太陽光斑在第IV象限，光斑圖像坐標(biāo)(281，155)，光斑個數(shù)為1，對應(yīng)FYP校正步數(shù)為15，F(xiàn)WP校正步數(shù)為121。3 太陽跟蹤控制器的硬件設(shè)計太陽跟蹤控制器的硬件設(shè)計由四部分組成：跟蹤器控制電路、步進電機驅(qū)動電路、限位信號采集電路和串口通訊電路。圖31所示為太陽跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖。圖31太陽跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖控制器電路原理如圖32所示：控制器電路中微處理器選用89系列中高性價比和低功耗的89C51；圖32控制器電路步進電機驅(qū)動器采用L298N來實現(xiàn)，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；并可以直接用單片機的I/O接口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。圖33 步進電機控制系統(tǒng)以兩相步進電機為例，當(dāng)給驅(qū)動器一個脈沖信號和一個正方向信號時，驅(qū)動器經(jīng)過環(huán)形分配器和功率放大后，給電機繞組通電的順序為A，B, A， B其四個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，電機順時針轉(zhuǎn)動；若方向信號變?yōu)樨摃r，通電時序就變?yōu)锳， B，A，B,電機就逆時針轉(zhuǎn)動。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，功率放大電路由單電壓電路、高低壓電路發(fā)展到現(xiàn)在的斬波電路。其基本原理是：在電機繞組回路中，串聯(lián)一個電流檢測回路，當(dāng)繞組電流降低到某一下限值時，電流檢測回路發(fā)出信號，控制高壓開關(guān)管導(dǎo)通，讓高壓再次作用在繞組上，使繞組電流重新上升；當(dāng)電流回升到上限值時，高壓電源又自動斷開。重復(fù)上述過程，使繞組電流的平均值恒定，電流波形的波頂維持在預(yù)定數(shù)值上，解決了高低壓電路在低頻段工作時電流下凹的問題，使電機在低頻段力矩增大。步進電機一定時，供給驅(qū)動器的電壓值對電機性能影響較大，電壓越高，步進電機轉(zhuǎn)速越高、加速度越大；在驅(qū)動器上一般設(shè)有相電流調(diào)節(jié)開關(guān)，相電流設(shè)的越大，步進電機轉(zhuǎn)速越高、力矩越大。在步進電機步距角不能滿足使用要求時，可采用細分驅(qū)動器來驅(qū)動步進電機。細分驅(qū)動器的原理是通過改變A，B相電流的大小，以改變合成磁場的夾角，從而可將一個步距角細分為多步。仍以二相步進電機為例，當(dāng)、B相繞組同時通電時，轉(zhuǎn)子將停在、B相磁極中間。若通電方向順序按A A，BB BB， AA AA，AA，BB BB，BB，AA ,BB8個狀態(tài)周而復(fù)始進行變化，電機順時針轉(zhuǎn)動；電機每轉(zhuǎn)動一步，為45 度，8個脈沖電機轉(zhuǎn)一周。它的步距角小了一半。驅(qū)動器一般都具有細分功能，常見的細分倍數(shù)有：1/2，1/4，1/8，1/16 ，1/32 ，1/64 ；或： 1/5，1/1 0，1/20 。細分后步進電機步距角按下列方法計算：步距角=電機固有步距角/細分?jǐn)?shù)例如：176。電機設(shè)定為4細分，176。/4= 176。當(dāng)細分等級大于1/4后，電機的定位精度并不能提高，只是電機轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)。a) b)c) d)圖34步進電機細分原理圖 限位裝置 限位裝置可保證電機運行時，停在正確的位置，防止電機過位運轉(zhuǎn)。采用限位開關(guān)來實現(xiàn)，限位開關(guān)是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器,它的作用原理與按鈕類似，其電路圖如圖35所示。圖35限位開關(guān)電路PC機通過RS485通訊接口，發(fā)送命令給控制器，同時通過該串行接口獲得控制器的狀態(tài)信息。MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片，內(nèi)部含有一個驅(qū)動器和接收器，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS－485電平的功能。其中RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可；A端和B端分別