【正文】 59)，光斑個(gè)數(shù)為 1，對應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 16， FWP 校正步數(shù)為 10。 圖像處理結(jié)果分析 處于不同象限的太陽光斑質(zhì)心檢測及獲取電機(jī)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(gè)數(shù)為 1，對應(yīng) FYP 校正步數(shù)為 22， FWP 校正步數(shù)為 49。跟蹤裝置運(yùn)行時(shí)，若光斑處于圖像中心坐標(biāo)，則向下移動出圖像 FYP需運(yùn)行 50 步；向左移動出圖像 FWP 需運(yùn)行 160 步。程序中為減小變量處理個(gè)數(shù)，所有 FYM 和 FWM 均用 FYP 和 FWP 的相反數(shù)表示。其中 FYP、 FYM 、 FWP、 FWM華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 分別對應(yīng)上位機(jī)控制平臺中 “俯仰 +”、 “俯仰 ”、 “方位 +”、 “方位 ”運(yùn)行步數(shù)。圖片格式為 320*240 RGB格式，即水平方向含有 320 個(gè)像素點(diǎn)，垂直方向含有 240 個(gè)像素點(diǎn)。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 25 給出幾種不同形狀的 圖形質(zhì)心位置檢測結(jié)果。在調(diào)用 regionprops 之前必須將二值圖像轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)注矩陣。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。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。一般圖象處理系統(tǒng)對目標(biāo)定位、跟蹤時(shí)，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。= (28) (4)計(jì)算類內(nèi)方差、類間方差、總體方差 =+, , =+ (29) 計(jì)算新閾值 = 和 ， k=k+1, 回到 (29)迭代計(jì)算，直到 時(shí)迭代結(jié)束，此時(shí)的閾值即為最優(yōu)解。 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(gè)近似值作為圖像 f (x, y)的初始閾值 = (25) 為最小、最大灰度值。常用的有 9 中比較經(jīng)典的閾值選取方法——極小值點(diǎn)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(jì)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。其目的是將目標(biāo)和背景分離，為目標(biāo)識別、精確定位等后續(xù)處理提供依據(jù)。設(shè)輸入序列為 , I 為自然數(shù)集合或子集，窗口長度為 n，則濾波器的輸出為： (23) 其中： i 在二維情形下，可以用某種形式的二維窗口。把一個(gè)點(diǎn)的特定長度或形狀的領(lǐng)域稱作窗口?；驹硎牵喊褦?shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替。進(jìn)行中值濾波可以有效消除這些噪聲，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了圖像的平滑。通常數(shù)字圖像的處理是先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后再對灰度圖像進(jìn)行處理。 通常，用攝像頭獲取的圖像是彩色圖像，它由 R, G ,B3 個(gè)單色調(diào)配而成，各種單色都人為地從 0255 分成了 256 個(gè)級。 （ a）原始圖像 （ b）二值圖像 圖 22 攝像頭加單層巴德膜拍攝的太陽照片 （ a）原始圖像 （ b）二值圖像 圖 23 攝像頭加雙層巴德膜拍攝的太陽照片 圖像預(yù)處理 圖像預(yù)處理部分主要包括灰度圖像轉(zhuǎn)換、中值濾波、圖像分割。用于天文觀測太陽，一般很難透光，只有在強(qiáng)光條件下才可以看到光。巴德膜是一種鍍了金屬的樹脂膜，可以用于目視和拍照。傳統(tǒng)的方法是使用中性灰濾光鏡。 圖像采集方案選擇 由于太陽光十分強(qiáng)烈 ,因此在圖像采集時(shí) ,需要給攝像頭加上巴德膜濾波片。本課題采用羅技公司的 QuickCam系列網(wǎng)絡(luò)攝像頭 ,具有功耗小、成本低、單一電源驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)集成等特點(diǎn)。目前 CMOS 型不僅價(jià)格低廉 ,而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出 ,軟件可編程控制 ,大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度 ,提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性、抗干擾性和穩(wěn)定性。 CMOS 圖像傳感器包括圖像陣列邏輯寄存器、存儲器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和轉(zhuǎn)換器在內(nèi)的全部系統(tǒng)。 CMOS 圖像采集 圖像傳感器選型 圖像傳感器產(chǎn)品主要分為 CCD,CMOS 以及 CIS 傳感器三種。視日運(yùn)動軌跡跟蹤結(jié)束后， VC 調(diào)用 MATLAB 函數(shù)，控制圖像傳感器拍攝太陽圖片，經(jīng)圖像處理后輸出。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 21 所示。 第五章對課題的主要研究成果進(jìn)行總結(jié)，給出下一步工作的展望。 第三章介紹了太陽跟蹤控制器的硬件部分設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)驅(qū)動接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路、限位裝置和通信電路等?；诒菊n題的研究內(nèi)容和主要工作，本 文的結(jié)構(gòu)如下： 第一章主要介紹了選題背景、目的和意義，以及國內(nèi)外太陽跟蹤的研究現(xiàn)狀及發(fā)展。 本課題的主要內(nèi)容及章節(jié)安排 本文完成了基于 CMOS 圖像傳感器的太陽跟蹤控制器的設(shè)計(jì)，利用 CMOS 圖像傳感器采集太陽圖像，經(jīng)過數(shù)字圖像處理后獲取跟蹤偏差。近年來，中央氣象局、上海交通大學(xué)、重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等單位分別對太陽跟蹤的算法進(jìn)行了研究，并且都取得了一定的成果。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏轉(zhuǎn)換效率的提高，太陽跟蹤裝置的研究會朝著全自動太陽跟蹤的方向發(fā)展。太陽自動跟蹤型平面鏡安置在屋頂天井上方，由馬達(dá)驅(qū)動，可以隨著陽光移動同步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過多塊反光鏡反射太陽光讓高樓的內(nèi)部各處變得如同室外一樣明亮。這些太陽跟蹤托盤設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為全年每天根據(jù)太陽不同的位置跟蹤陽光，與通常固定的平面系統(tǒng)相比，這種托盤設(shè)計(jì)可以增加 35%的能源產(chǎn)出量。 20xx 年2 月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利 用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。 1998 年美國加州成功的研究了 ATM 兩軸太陽跟蹤器，使熱接收率進(jìn)一步提高。 國外對太陽跟蹤的研究歷來比較重視， 1994 年捷 克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。本課題為提高利用太陽能效率而進(jìn)行太陽跟蹤控制器的研究，對我們面臨的日益嚴(yán)峻的能源問題、對大范圍推廣太陽能應(yīng)用具有重大而深遠(yuǎn)的意義。使用直接的太陽能輻射，其效率比燃燒化石燃料要高出約 1015 倍，而且太陽能不會危及支撐生命的地球存在。香港大學(xué)建筑系 的 KPCheng 和 SCMHui教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表明對太陽光線運(yùn)動的跟蹤與非跟蹤，太陽能設(shè)備能量的接收率相差 %，可見精確的跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高。就目前的太陽能設(shè)備而言，如何最大限度的提高太陽能利用效率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。這樣來說，如何最大限度的提高太陽能利用率在當(dāng)今社會顯得尤為重要。我國大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米 4 千瓦時(shí)以上，有巨大的開發(fā)潛能。h/m2以南。近來在這方面的研究有所增加，人們期盼出現(xiàn)突破性的進(jìn)展。 光生物轉(zhuǎn)換。二三十年前有不少人對此做了許多研究。通過光化學(xué)作用轉(zhuǎn)換成電能或制氫。運(yùn)用該技術(shù)可直接將太陽光導(dǎo)入室 內(nèi)，適用于各種需要采集自然光的場合。 太陽光導(dǎo)入。這是近幾十年才發(fā)明和發(fā)展起來的。 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 光電轉(zhuǎn)換。較高一些的也只有幾百攝氏度。這種途徑雖最古老，但發(fā)展的最成熟、普及 性最廣、工業(yè)化程度最高。 而目前太陽能利用的基本方式主要有： 光熱轉(zhuǎn)換。這就使大多數(shù)太陽能設(shè)備在夜間無法工作。 間歇性。一 個(gè)原因是，由于太陽的高度角不同，因此對同一個(gè)水平面的入射角自然不同。同一個(gè)地點(diǎn)在同一天內(nèi)，日出和日落時(shí)的太陽輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如正午前后。雖然到達(dá)地球大氣上界和到達(dá)地球表面的太陽能總量都十分巨大，但它的強(qiáng)度卻是相當(dāng)弱的。 但是，太陽能也不可避免地存在一些缺點(diǎn)，致使它未能迅速的大面積推廣應(yīng)用。因此從長期來看，其發(fā)電成本要小的多，專家們的預(yù)測和研究一致認(rèn)為 21 世紀(jì)人類最清潔，最廉價(jià)的能源就是太陽能。隨著太陽能利用技術(shù)的發(fā)展，太陽能利用的成本已經(jīng)大大下降。并且太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。這就決定了開發(fā)利用太陽能資源將是人類解決常規(guī)能源匱乏、枯竭的有效途徑之一。太陽每秒鐘放射的能量大約是 161023KW，一年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽能總量折合標(biāo)準(zhǔn)煤共約 18921013 千億噸，是目前世界主要探明能源儲量的一萬倍。常規(guī)能源逐漸枯竭，形勢危機(jī)不容低估，所以尋找和開發(fā)新能源是一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。地球上的資源是有限的，但卻以不斷增長的速度在消耗。幾十年來，能源問題一直是舉世矚目的重大問題之一。 stepper motor。 VC++ 華北電力大學(xué)科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） II THE DESIGNING OF AUTOTRACKING CONTROLLER BASED ON CMOS IMAGINE SENSOR Abstract Design and Realization of Solar Autotracking Controller Based on CMOS Image Sensor In order to solve the energy crisis, achieve sustainable development and building a green munity, countries in the world are actively developing the use of solar energy resources. The use of solar energy has perated into all aspects of society, but the solar energy utilization efficiency is low impact and this issue has been hindering the popularization of solar energy technology. To improve the efficiency of solar energy utilization, the research of automatic suntracking controller has important and farreaching significance. In the analysis and parison of several monly used at home and abroad tracking mode, A solar automatic tracking controller based on CMOS image sensor is designed. Its host puter achieves a joint programming of VC++ and Matlab, and obtains the sun spot image by realtimely controlling the image sensor. The deviation between sun′s mass center coordinates and image center coordinates is calculated by Matlab. The calculation is converted into the steps of the level and pitch stepper motor to be adjusted. Realtime adjustment of plane mirror tracking device is achieved, so that sun spot has always being the center of the image. The experimental results show that the device automatically tracks the sun, and has high tracking accuracy. The subject pleted a tracking controller hardware and software design. Hardware design including: tracking control circu