基于CMOS相机的太阳跟踪系统设计

摘要

随着掩日通量遥感监测技术在国内的日益发展，SOF-FTIR技术成为我国大气环境监测的重要手段，太阳跟踪是SOF-FTIR系统中重要的一环，为了使进入光谱仪的红外光通量达到最大，进而保证光谱仪采集到光谱的信噪比，监测系统需要实时跟踪太阳。传统的太阳跟踪装置一般用于光伏发电领域，在静态条件下有较好的太阳跟踪效果，但不能满足SOF-FTIR的车载移动跟踪需求。为此，本文研究了一种高精度、高可靠性且能适应动态跟踪的太阳跟踪装置。本文应用模糊PID控制理论，采用数字图像处理技术，提出一种基于CMOS相机的闭环太阳跟踪方式。相机将采集到的太阳光斑图像传输到计算机，计算机通过图像处理算法计算出太阳的光斑质心坐标，质心坐标经由串口传送至ARM控制器，ARM控制器基于模糊PID控制算法将获取的质心坐标信息转换成步进电机需要转动的步数，确保太阳光斑质心始终位于图像的中心，以此来达到跟踪太阳的目的。　　本文主要介绍了相机跟踪太阳的理论基础，基于地平坐标系建立了太阳图像的相机坐标系。详细分析了太阳质心坐标检测算法理论，太阳光斑图像经过灰度转换和平滑滤波后使用Otsu算法进行图像分割，然后采用Canny算子检测出太阳光斑边缘，最后基于LabVIEW提供的findcircle控件计算出太阳图像的质心坐标,findcircle控件能够在复杂的场景中迅速的识别出类圆图形，虚拟仪器LabVIEW的使用极大的提高了本系统运行速度。本文设计了基于步进电机的二维跟踪平台，分析了步进电机数学模型，采用模糊PID控制算法搭建了Simulink仿真模型，并验证了控制算法的有效性。最后本文基于LabVIEW进行了太阳光斑位置图像处理，采用STM32单片机进行了下位机的嵌入式软件和硬件电路设计。　　本文搭建了整个太阳跟踪系统，系统首先基于视日轨迹跟踪方法对相机位置进行粗调，然后根据太阳质心位置误差进行闭环精确跟踪，对该系统分别进行了静态和动态跟踪的测试，经过实验验证，系统在静态测试时方位角跟踪平均误差为0.5256°度，高度角平均跟踪误差为0.4186°，最大跟踪精度在0.84°以内，跟踪精度较高，能够应用在高精度的静态太阳跟踪环境中。动态测试时，汽车在15km/h-30km/h移动速度下的车载测试精度控制在3°以内达到了预期的设计目的，但在高速车载移动测试环境中由于车辆抖动和机械误差跟踪精度不高，系统还有待进一步完善。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

1.2课题研究的目的及意义

1.3太阳跟踪系统的研究现状

1.3.1太阳跟踪系统的跟踪方法

1.3.2太阳跟踪系统的国内外研究现状

1.4论文的主要研究内容

第二章 太阳跟踪的理论基础

2.1基于天体角计算的太阳高度角和方位角

（1） 太阳高度角α

（2） 太阳方位角β

2.2相机跟踪太阳原理

2.3太阳图像质心坐标检测算法理论

2.3.1图像预处理

2.3.2图像分割

2.3.3边缘检测

2.3.4太阳光斑质心坐标检测

2.4本章小结

第三章 太阳跟踪系统总体方案设计

3.1系统控制器

（1）ARM单片机

（2）DSP芯片

（3） FPGA

（4）虚拟仪器

3.2系统总体设计方案

3.3电机模糊PID控制

3.3.1步进电机数学模型

3.3.2模糊PID设计

3.3.3步进电机PID控制

3.3.4仿真结果及分析

3.4本章小结

第四章 太阳跟踪系统软硬件设计

4.1系统硬件设计

4.1.1总体硬件设计方案

4.1.2单片机最小系统模块设计

4.1.3摄像头模块设计

4.1.4步进电机驱动模块设计

4.1.5 电源模块设计

4.1.6 云台结构设计

4.1.7其它硬件模块

4.2系统软件设计

4.2.1总体软件设计方案

4.2.2 基于LabVIEW的太阳图像质心坐标检测

4.2.3质心坐标转换

4.2.4电机控制

4.2.5 单片机输出精确脉冲数

4.3本章小结

第五章 系统实验与分析

5.1硬件调试

5.2基于LabVIEW的太阳质心坐标检测性能验证

5.3系统测试结果分析

5.4误差分析

（1）图像处理误差

（2） 机械运动误差

（3） 单片机定时器误差

（4） 计算误差

（5） 车载平台误差

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2下一步工作展望

参考文献

附录1 圆拟合及质心提取MATLAB代码

附录2 STM32发送精确脉冲数

致谢