基于ARM的,在太阳跟踪系统中的实际应用

基于ARM的图像采集与图像处理在太阳光跟踪系统中的实际应用ApplicationofImageAcquisitionandImageProcessinginthesuntrackingsystembasedonARM谢渊陶宇郭文成XieyuanTaoyuGuowencheng(天津工业大学电气工程与自动化学院天津300160)(DepartmentofElectricaEngineeringandAutomationTianjinPolytechnicUniversityTianjin300160)摘要本文介绍了s3c2440开发板和ov7670为核心的图像采集与图像处理系统。该系统通过采集太阳在接收屏上的聚焦投影图像，并进行图像处理确定图像边界和图像中心，以此计算出太阳的高度偏角与水平偏角从而跟踪太阳。实验结果验证了该系统的可行性与正确性。关键词：ARM图像采集图像处理太阳跟踪ABSTRACTThisarticledescribestheimageacquisitionandimageprocessingsystemswiththecoreofs3c2440andov7670.Thesystemcollectstheprojectedimageofthesunfocusingontheplate,andtodeterminetheimageboundariesandimagecenterbyimageprocessingtocalculatetheazimuthangleandelevationangleofthesuntotrackthesun.Experimentalresultsdemonstratethefeasibilityandaccuracyofthesystem.Keywords:ARMImageacquisitionImageprocessingSuntracking0.概述随着社会经济的发展，能源和资源的消耗速度越来越快。节约能源、保护环境己经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发，在这之中太阳能是未来人类最安全、最绿色、最理想的替代能源。在太阳能利用的过程中，能否对太阳进行跟踪是太阳能利用率高低的一个关键。相对于传统的利用光敏电阻来测量太阳光强弱以达到跟踪阳光的太阳光跟踪方案，低功耗的cmos摄像头在精确采集光点，适应各种采光条件等诸多方面更为高效。但由于太阳光强，偏移角随时间变化，对于太阳的光斑定位提出了更高的要求。正是在这一背景下，提出以s3c2440,ov7670为核心的太阳光跟踪系统设计。1.系统原理本系统装置主要由成像机构、图像传感器、信号处理器及执行部分构成。通过透镜将发散的太阳光聚焦投影在接收屏上，图像传感器采集其光斑图像信息并发送数字图像数据给s3c2440，s3c2440对该数字图像进行处理。根据采集到的光斑亮度特征，可以确定光斑的边界和光斑中心。根据光斑中心、接受屏的中心与透镜中心的三角关系进而计算出太阳相对于接收屏的高度角和方向角。此高度角和方向角即为接收屏需要移动的偏移量。以此为基础，通过偏移量计算出需要给步进电机输出的脉冲个数，进而控制步进电机驱动机械执行机构调整接收屏高度角与水平角，使接收面与太阳光线垂直，此时接受屏的中心和光斑中心完全重合，从而达到跟踪的目的。2.硬件设计本系统主要使用的硬件为s3c2440，OV7670CAMERACHIPTM图像传感器。S3C2440是一款高度集成的芯片，工作电压1.3V，采用16/32位ARM920TRISC核心，提供了丰富的接口支持：NAMD闪存、数码相机、TFT/STN液晶屏、USB、SD/MMC/SDIO存储卡以及触摸屏等。在本系统要使用的模块是camera，TFT液晶屏，IIC总线，其中IIC总线用于读写OV7670寄存器。OV7670CAMERACHIPTM图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB（兼容IIC）总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。由于阳光的特殊性，系统采集为阳光光斑，明暗对比比较强烈，且彩色数据处理相对耗费资源也没有必要，所以摒弃了摄像头彩色采集模式而采用黑白模式。S3c2440内部的图像格式主要有三种，RGB565，RGB444，RGB888，在本设计中选择的是RGB565。这种格式提供的灰度最大分辨级别为32级。图像数据经过ov7670采集后，通过8位并行接口传输到2440的camera_interface并进行相应处理。需要说明的是camera的数据格式与S3c2440的图像格式不一致，采用了的是YCbCr(4:2:2)输出格式，正由于此而在2440内部使用PreviewDMA通道。以下是硬件连接图：图2.1硬件连接图3.软件设计本系统定位对象为图像传感器采集的太阳光斑图像，由于光斑是在暗室中形成的，就其采集目标看，其灰度值与背景很好区分。这也是采用黑白模式进行图像捕捉的原因。由于太阳距离远，通过小孔形成的光点小，即目标图像所占的像素点较少，一般为几十个像素点。在图像处理工程中通过二值化和中心点定位方法确定光斑的边界和光斑中心。3.1二值化考虑到采集的环境为暗室，灰度分布比较悬殊，二值化阈值选取应该更为灵活。我们首先历遍所有像素，找到灰度最大的像素点，以该像素的灰度值为基准阈值temp。将所有灰度大于temp得像素点的灰度值置为最大值31（RGB565格式，灰度最大等级为32）。其他的像素点灰度置为0。3.2中心点定位中心定位所采取的方法是质心跟踪。对于一个均匀的二维目标，真正的中心是质心。有n个质量单元，其质量为m（在本次试验中对应灰度值）:x，y方向坐标分别为x，y，x，y方向的质量则分别为需要强调的是。x，y并不是所有的像素点，而是经过二值化之后灰度被置为31的点的集合。这样的做法减少了软件开销且更有效率。0nkykkymmCAMPCLKCAMVSYNCCAMHREFCAMDATA[7:0]SDASCLPCLKVSYNCHREFD0~D7SIO_DSIO_C0nkxkkmxm中心的确定在本实验中相当于求质心。Mk为灰度值，由于之前Mk的二值化操作已经被置为常值31。那么质心的求取则更为简单，由以下公式可以求得。_00nkkknkkymym_00nkkknkkxmxm求取了质心坐标后可以得到质心点pixel_cen（x,y）。通过比较光斑质心和坐标中心的位移差值，可以计算出太阳光的入射角偏角，然后驱动电机调整光伏板倾角以跟踪太阳。4.实验结果为验证实验效果，我们将原始图像数据与二值化后的图像数据发送至上位PC机。并且设计VB接收显示界面。如图：图4.1原始图像图4.2二值化图像图4.3中心点定位由图可见经过二值化处理后太阳光斑边缘清晰明了，基本符合太阳光斑轮廓，这大大提高了光斑中心定位的准确度。而在实际跟踪过程中系统具备较好的稳定性，并能够达到相当好的精确度和灵活性。理论分析和设计结果表明，本方法可以满足太阳跟踪控制的要求。参考文献：[1]K.K.Chong,C.W.Wong,GeneralFormulaForOn-axisSun-trackingSystemAndItsApplicationInImprovingTrackingAccuracyOfSolarCollector,SolarEnergy,200983(3).[2]MuneerAlSabbagh,AhmadAlNabulsi,RachedDhaouadi,Habib-urRehman,DesignandControlofaNovelSunTrackingSystem,2009IEEE6thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference-ECCEAsia.[3]刘丽薇.基于视觉的的太阳光线自动跟踪系统.沈阳：沈阳工业大学，2005.[4]饶鹏,孙胜利,叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J].控制工程.2004年06期[5]毕玉庆,程建民,陈方.基于ARM的太阳跟踪控制系统设计向平.计算机测量与控制.2009年06期作者简介：谢渊（1985—）男汉江西赣州硕士天津工业大学研究方向：嵌入式系统设计导师：郭文成