太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)廣泛用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能水暖等領(lǐng)域，系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制太陽(yáng)能電池板、聚光器等裝置自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，以提高聚光器等負(fù)載裝置的能量密集度，進(jìn)而提高太陽(yáng)能裝置的能源利用率。目前國(guó)內(nèi)外主要采用地平式雙軸跟蹤系統(tǒng)，其跟蹤方式主要有3種[1]：(1)視日運(yùn)動(dòng)軌跡式，該方式優(yōu)勢(shì)在于不受天氣影響，能大致鎖定太陽(yáng)的位置，不足在于跟蹤精度不高，會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差，進(jìn)而丟失跟蹤；(2)光電式，即采用光敏傳感器，如四象限光傳感器，該方式提高了跟蹤精度和靈敏度，但由于光敏元件的位置安放有間隔，使得跟蹤太陽(yáng)存在不連續(xù)性，同時(shí)該方式受天氣環(huán)境影響很大，在低輻照和多云的天氣下，不能保持精確跟蹤，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作[2-3]；(3)視日運(yùn)動(dòng)式與光電式相結(jié)合的方式，該方式各取所長(zhǎng)，可以獲得較好的跟蹤效果，但仍具有方式(2)的缺陷。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用斜軸式轉(zhuǎn)臺(tái)，其機(jī)械示意圖如圖1所示。斜軸平臺(tái)是由方位軸和斜軸構(gòu)成的兩軸平臺(tái)，方位軸為豎直方向，斜軸則與方位軸相交并成45°。

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。首先DSP主運(yùn)算控制模塊控制圖像采集模塊采集太陽(yáng)圖像并對(duì)圖像實(shí)時(shí)處理；然后確定太陽(yáng)質(zhì)心位置，并計(jì)算其相對(duì)于圖像傳感器視場(chǎng)中心的誤差；接著對(duì)誤差采用模糊自適應(yīng)PID控制，輸出相應(yīng)的PWM占空比；最后由DSP產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM波輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)上的水平和傾斜方位的永磁力矩電機(jī)實(shí)施控制，使太陽(yáng)質(zhì)心保持在圖像傳感器視場(chǎng)的中心，而圖像傳感器的安裝位置位于聚光裝置的垂直中心，從而最終實(shí)現(xiàn)聚光裝置實(shí)時(shí)精確地連續(xù)跟蹤太陽(yáng)。無(wú)線通信模塊相比有線通信更穩(wěn)定安全，不受環(huán)境的限制，用于實(shí)現(xiàn)DSP控制器與上位機(jī)的串口通信，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面，使得系統(tǒng)監(jiān)控、人工校正調(diào)節(jié)更加快捷方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 圖像采集模塊

　　鑒于CMOS傳感器兼容CMOS技術(shù)，內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換等芯片，簡(jiǎn)化了外圍模塊的設(shè)計(jì)，提高了采集的抗噪聲能力，故本系統(tǒng)采用美國(guó)Omni Vision公司的CMOS數(shù)字圖像傳感器OV7620[4-5]。在使用之前，需對(duì)其初始化，按照SCCB總線協(xié)議對(duì)其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行配置，通過(guò)寄存器的配置確定其工作模式。圖像的采集依據(jù)2個(gè)同步信號(hào)VSYNC(場(chǎng)同步)和HREF(行同步)的時(shí)序關(guān)系。DSP通過(guò)實(shí)時(shí)捕獲這2個(gè)同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的有效采集，將采集的數(shù)據(jù)以二維數(shù)組形式保存到SRAM中，如圖3所示。

　　2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　本系統(tǒng)采用高精度的永磁力矩直流電機(jī)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。驅(qū)動(dòng)電路采用ST公司的專用芯片L298N，其芯片內(nèi)含兩個(gè)由功率管構(gòu)成的高電壓大電流H橋驅(qū)動(dòng)器，便于實(shí)現(xiàn)對(duì)水平與傾斜兩位置電機(jī)的方向控制，并可利用PWM調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的變電樞電壓調(diào)速。在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在由弱電到強(qiáng)電的連接，L298N的輸入引腳需采用光耦隔離，在這里使用TI公司的ISO7220芯片。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4所示。

3 目標(biāo)信息獲取

　　通過(guò)對(duì)OV7620圖像傳感器的設(shè)置，采集的圖像輸出為黑白圖像，其值都存儲(chǔ)在SRAM中定義的二維整型數(shù)組里。利用DSP對(duì)此數(shù)組元素的處理即是對(duì)太陽(yáng)圖像的處理。目標(biāo)信息獲取流程圖如圖5所示。

　　3.1 圖像消噪

　　圖像消噪常用的方法有均值濾波和中值濾波，而中值濾波對(duì)孤立噪聲點(diǎn)的消除強(qiáng)于均值濾波，故采用中值濾波可以很好地消除這些噪聲，實(shí)現(xiàn)圖像的平滑。中值濾波的主要原理是把數(shù)字圖像中某一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替[2]。

　　在二維數(shù)字圖像下，設(shè){xij，(i，j)∈I2}表示圖像各點(diǎn)的灰度值，濾波窗口A的二維中值濾波可定義為：

　　yij=MedA{xij}=MedA{xi+r，j+s，(r，s)∈A，(i，j)∈I2}(1)

　　3.2 圖像二值化

　　圖像二值化的目的是將太陽(yáng)光斑目標(biāo)圖像與背景圖像分離，為太陽(yáng)識(shí)別以及太陽(yáng)質(zhì)心的精確定位處理提供依據(jù)。其最為常用的方法是閾值分割法，該方法特別適用于目標(biāo)與背景有較強(qiáng)對(duì)比的情況，鑒于太陽(yáng)圖像其目標(biāo)與背景具有較強(qiáng)的對(duì)比特性，故本系統(tǒng)采用最大類間方差法(OTSU算法)求取圖像的最佳分割閾值[3]。

　　設(shè)灰度圖像灰度級(jí)是L，則灰度范圍為[0，L-1]，利用OTSU算法計(jì)算圖像的最佳閾值為：

　　其中當(dāng)分割閾值為T(mén)時(shí)，w0、w1分別為背景圖像比例與目標(biāo)圖像比例，?滋0，?滋1，?滋依次為背景像素均值、目標(biāo)像素均值和整幅圖像均值，使得表達(dá)式最大的T即為最佳閾值。

　　3.3 連通域標(biāo)記

　　在實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，天空中云朵等物質(zhì)表面反射的太陽(yáng)光也有少部分在圖像傳感器里成像，造成二維圖像數(shù)組里存在多個(gè)連續(xù)像素點(diǎn)為1的區(qū)域，嚴(yán)重影響了太陽(yáng)光斑的識(shí)別和太陽(yáng)質(zhì)心定位的精度。為此引入連通域標(biāo)記來(lái)處理此類現(xiàn)象。系統(tǒng)采用新型的基于區(qū)域生長(zhǎng)的廣度優(yōu)先標(biāo)記算法，在內(nèi)存中定義一個(gè)與太陽(yáng)圖像數(shù)組一樣大小的標(biāo)記數(shù)組并將元素初始化為0。算法結(jié)束后，標(biāo)記數(shù)組里存放的是由0到連通域個(gè)數(shù)的整數(shù)，其中0表示太陽(yáng)圖像數(shù)組里的背景像素，其他值則表示太陽(yáng)圖像數(shù)組中目標(biāo)像素的連通域編碼。

　　3.4 太陽(yáng)光斑識(shí)別

　?。?）對(duì)上述標(biāo)記數(shù)組進(jìn)行一次遍歷，統(tǒng)計(jì)除0以外各連通域編碼Li(i=1，2，3…)在數(shù)組里的個(gè)數(shù)Ni，將Ni中最大值Nk所對(duì)應(yīng)編碼Lk所在的連通區(qū)域初步視為太陽(yáng)光斑區(qū)域。

　　（2）若nmin≤Nk≤nmax，則說(shuō)明太陽(yáng)光斑區(qū)域的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)是合理的，圖像傳感器已經(jīng)捕獲到了較為清晰的太陽(yáng)圖像，其中nmin、nmax分別為太陽(yáng)光斑區(qū)域像素點(diǎn)最小個(gè)數(shù)和最大個(gè)數(shù)（實(shí)際運(yùn)行測(cè)定）。反之，則表明沒(méi)有獲取到太陽(yáng)光斑區(qū)域，退出圖像處理流程。

　?。?）最后將二維圖像數(shù)組里除太陽(yáng)光斑區(qū)域以外的所有像素點(diǎn)置0，以便實(shí)現(xiàn)只有一塊連續(xù)像素點(diǎn)為1的區(qū)域，該區(qū)域即是太陽(yáng)光斑區(qū)域。

　　3.5 太陽(yáng)質(zhì)心定位

　　本系統(tǒng)采用質(zhì)心跟蹤的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位[2-3]。針對(duì)上述處理得到二值圖像，圖像中所有像素值為1(圖像二維數(shù)組里元素值為1)的行列坐標(biāo)記為：{(x1，y1)，(x2，y2)…(xn，yn)}，則圖像質(zhì)心坐標(biāo)(x0，y0)可表示為：

　　3.6 獲取跟蹤誤差

　　本系統(tǒng)利用OV7620圖像傳感器設(shè)定采集的圖像為400×300 YUV格式，則確定圖像傳感器的視場(chǎng)中心坐標(biāo)為（200，150）。由上述圖像處理確定的太陽(yáng)光斑質(zhì)心坐標(biāo)與視場(chǎng)中心坐標(biāo)之間的坐標(biāo)差值即為水平與俯仰方向的跟蹤誤差。

　　4 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　鑒于雙軸跟蹤伺服系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性與非線性等特性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)PID控制器。該控制器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。其控制器是在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上，找到PID控制器的3個(gè)參數(shù)和系統(tǒng)誤差E與誤差變化率EC之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷地檢測(cè)E和EC，利用模糊控制算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)KP、KI和KD進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，以滿足不同E和EC對(duì)控制器的要求，從而增強(qiáng)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能[6]。該控制器采用DSP設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，將一系列模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為控制表供DSP在線查詢使用。

　　4.1 確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

　　基于上述對(duì)控制器的分析，模糊控制器選用兩輸入、三輸出的控制器，將太陽(yáng)質(zhì)心相對(duì)于攝像頭視場(chǎng)中心的誤差E和誤差的變化率EC作為輸入量，將經(jīng)過(guò)參數(shù)整定后的PID的3個(gè)參數(shù)KP、KI和KD作為輸出量。其中參數(shù)優(yōu)化公式為：

　　其中PID控制器的初始增益參數(shù)，KD為模糊PID控制器輸出的自適應(yīng)整定參數(shù)。

　　4.2 確定輸入/輸出隸屬度函數(shù)

　　控制器輸入量誤差E與誤差變化率EC的變化范圍在模糊集合上的論域?yàn)椋簕-15，-10，-5，0，5，10，15}，輸出量KP、KI和KD在模糊集上的論域?yàn)椋簕-0.6，-0.4，-0.2，0，0.2，0.4，0.6}，相應(yīng)的語(yǔ)言值為{負(fù)大(NB)，負(fù)中（NM），負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。輸入/輸出變量隸屬函數(shù)采用S型函數(shù)和三角函數(shù)，其隸屬曲線如圖7、圖8所示。

　　4.3 模糊控制規(guī)則

　　模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，本控制器規(guī)則源于專家的推理判斷和工程人員的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，建立的針對(duì)PID控制中KP、KI和KD 3個(gè)參數(shù)的整定模糊控制表如表1所示[7]。

　　通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合，因此這里采用重心法對(duì)模糊量進(jìn)行清晰化。經(jīng)過(guò)清晰化后的KP、KI和KD通過(guò)PID控制算法計(jì)算，得到輸出控制量U，最后將U按照一定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)化為最終控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的PWM占空比。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS開(kāi)發(fā)平臺(tái)并利用C語(yǔ)言模塊化編程完成的。其主程序流程如圖9所示。

6 實(shí)驗(yàn)

　　系統(tǒng)采用如圖10所示轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)天空中被云層覆蓋的太陽(yáng)進(jìn)行捕獲并對(duì)其圖像進(jìn)行處理，結(jié)果如圖11所示。

　　圖11(d)中的“+”表示測(cè)定的太陽(yáng)區(qū)域中心。其結(jié)果表明在低輻照和多云天氣下，本系統(tǒng)能夠捕獲太陽(yáng)并精確定位太陽(yáng)區(qū)域中心。同時(shí)為了測(cè)定本系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)的連續(xù)性與精確性等特性，讓本系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)5小時(shí)，每分鐘讀取一次系統(tǒng)跟蹤誤差并保存在內(nèi)存中。通過(guò)對(duì)內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀取，繪制跟蹤誤差曲線如圖12所示。

　　經(jīng)計(jì)算得到，水平方向X偏移誤差均值為0.362個(gè)像素點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.354 632；俯仰方向Y偏移誤差均值為0.361個(gè)像素點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.554 598。綜上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)觀察表明，本系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，表現(xiàn)出較高的跟蹤連續(xù)性與精確性。

　　本文針對(duì)目前光電式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)行，本系統(tǒng)在低輻照射和多云天氣環(huán)境下有效解決了無(wú)法對(duì)太陽(yáng)連續(xù)跟蹤的問(wèn)題，且大幅度提高了太陽(yáng)跟蹤精度，運(yùn)行狀態(tài)良好，表現(xiàn)出較高的跟蹤連續(xù)性與穩(wěn)定性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)也進(jìn)一步提高了聚光型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率，具有很好的工程使用價(jià)值，有望應(yīng)用在高聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

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