基于ARM嵌入式圖像處理平臺的太陽跟蹤系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)可設(shè)置2種工作模式，早晨6：00喚醒跟蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)啟動(dòng)跟蹤控制，進(jìn)入跟蹤模式；下午18：00休眠系統(tǒng)，系統(tǒng)關(guān)閉跟蹤控制，進(jìn)入待機(jī)模式。同時(shí)系統(tǒng)采用粗跟蹤和精跟蹤2種方式，粗跟蹤采用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方法，精跟蹤采用基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤方法。粗跟蹤為精跟蹤提供初始工作條件，精跟蹤保證系統(tǒng)的跟蹤精度。
(2)喚醒跟蹤控制系統(tǒng)時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)開環(huán)計(jì)算方法進(jìn)行粗跟蹤。粗跟蹤的基本過程是：根據(jù)太陽運(yùn)行的天文規(guī)律計(jì)算，利用系統(tǒng)時(shí)間和給定的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽高度角和太陽方位角，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果來驅(qū)動(dòng)并控制步進(jìn)電機(jī)，從而調(diào)整太陽能電池板的角位置。粗跟蹤的目的是為了讓太陽進(jìn)入圖像傳感器的視野范圍，主要用于首次定位和目標(biāo)丟失后的重新定位。
(3)系統(tǒng)工作在跟蹤模式時(shí)，周期性采集圖像，采用基于計(jì)算機(jī)視覺的閉環(huán)校正方法進(jìn)行精跟蹤。精跟蹤的基本過程是：通過對采集圖像進(jìn)行處理，獲取太陽角度偏差量。由太陽角度偏差量可得到轉(zhuǎn)臺應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度，從而使太陽能電池板能正對太陽。精跟蹤的目的是為了保證系統(tǒng)跟蹤精度。
(4)系統(tǒng)工作在跟蹤模式時(shí)，由于陰天、雨天或其他原因，太陽光線很弱或基本看不見，導(dǎo)致CMOS圖像傳感器無法捕捉到太陽。此時(shí)，太陽能電池板的工作效率很低，為了減小跟蹤系統(tǒng)能耗，不進(jìn)行電機(jī)動(dòng)作并保持當(dāng)前狀態(tài)。同時(shí)設(shè)置累計(jì)標(biāo)志S，它表示圖像傳感器在連續(xù)S個(gè)采樣周期內(nèi)沒有捕捉到太陽。當(dāng)S累計(jì)到設(shè)定值N時(shí)，采用視日運(yùn)動(dòng)開環(huán)計(jì)算方法重新粗定位，并重置累計(jì)標(biāo)志S。這樣在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)可以提高系統(tǒng)可靠性。
2．2 基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤方法
基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤方法，其基本過程如下：通過對采集圖像進(jìn)行處理，得到太陽位置偏差量。如果偏差在預(yù)設(shè)閾值范圍內(nèi)，則保持當(dāng)前狀態(tài)；如果偏差超出預(yù)設(shè)閾值F1的范圍，則根據(jù)偏差的方向和大小調(diào)整轉(zhuǎn)臺，使得通過圖像處理得到的偏差在預(yù)設(shè)閾值F2的范圍內(nèi)。其中閾值F1的范圍比閾值F2的范圍大，這樣可以減小電機(jī)動(dòng)作次數(shù)，降低能耗。
(1)圖像處理方法。圖像傳感器得到圖像后，首先進(jìn)行圖像的灰度化。使用屏蔽字和移位操作來得到R，G，B分量，再進(jìn)行比例轉(zhuǎn)換，得到灰度圖像。設(shè)置閾值，將圖像二值化，得到的圖像中的光斑即為太陽。找到太陽位置，計(jì)算光斑中心與圖像中心的偏差值，將該偏差值換算為太陽方位角和高度角的實(shí)際偏差值。
(2)偏差角計(jì)算與轉(zhuǎn)臺控制。記CMOS圖像傳感器的焦距為f，像素大小為kx×ky。假設(shè)采集圖像上太陽位置偏離圖像中心的偏差為px× py，則可以計(jì)算太陽偏差角如下：
太陽方位偏差角：△α=arctan(px×kx／f)；
太陽高度偏差角：△β=arctan(py×ky／f)。
根據(jù)太陽方位偏差角和高度偏差角，通過串口控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽能電池板正對太陽。其中轉(zhuǎn)臺x軸應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度為太陽方位偏差角，轉(zhuǎn)臺y軸應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度為太陽高度偏差角。
2．3 嵌入式處理平臺的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)采用S3C2440作為主控制器。利用Linux內(nèi)核代碼，針對本處理器和本系統(tǒng)特點(diǎn)，對內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的配置和裁剪，編譯生成嵌入式內(nèi)核，并選用yaffs作為根文件系統(tǒng)，將內(nèi)核映像文件和根文件系統(tǒng)燒寫到微控制器中，并編寫相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序。
程序在主機(jī)上設(shè)計(jì)完成后，需進(jìn)行交叉編譯，然后下載到處理器運(yùn)行。
首先在主機(jī)Linux系統(tǒng)下搭建交叉編譯環(huán)境，這里采用arm-linux-gcc-4．3．2 with EABI版本的交叉編譯器，并配置主機(jī)和目標(biāo)板的NFS和FTP網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)到目標(biāo)板的文件下載和主機(jī)對微控制器的控制。程序編寫完成后，進(jìn)行交叉編譯，生成可執(zhí)行文件，下載到處理器運(yùn)行即可。