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)啟動跟蹤控制，進入跟蹤模式；下午18：00休眠系統(tǒng)，系統(tǒng)關閉跟蹤控制，進入待機模式。同時系統(tǒng)采用粗跟蹤和精跟蹤2種方式，粗跟蹤采用視日運動跟蹤方法，精跟蹤采用基于計算機視覺的跟蹤方法。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，采用視日運動開環(huán)計算方法進行粗跟蹤。粗跟蹤的基本過程是：根據太陽運行的天文規(guī)律計算，利用系統(tǒng)時間和給定的當?shù)亟浘暥扔嬎?a class="contentlabel" href="http://www.104case.com/news/listbylabel/label/太陽">太陽高度角和太陽方位角，并根據計算結果來驅動并控制步進電機，從而調整太陽能電池板的角位置。粗跟蹤的目的是為了讓太陽進入圖像傳感器的視野范圍，主要用于首次定位和目標丟失后的重新定位。
(3)系統(tǒng)工作在跟蹤模式時，周期性采集圖像，采用基于計算機視覺的閉環(huán)校正方法進行精跟蹤。精跟蹤的基本過程是：通過對采集圖像進行處理，獲取太陽角度偏差量。由太陽角度偏差量可得到轉臺應轉過的角度，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，由于陰天、雨天或其他原因，太陽光線很弱或基本看不見，導致CMOS圖像傳感器無法捕捉到太陽。此時，太陽能電池板的工作效率很低，為了減小跟蹤系統(tǒng)能耗，不進行電機動作并保持當前狀態(tài)。同時設置累計標志S，它表示圖像傳感器在連續(xù)S個采樣周期內沒有捕捉到太陽。當S累計到設定值N時，采用視日運動開環(huán)計算方法重新粗定位，并重置累計標志S。這樣在降低系統(tǒng)能耗的同時可以提高系統(tǒng)可靠性。
2．2 基于計算機視覺的跟蹤方法
基于計算機視覺的跟蹤方法，其基本過程如下：通過對采集圖像進行處理，得到太陽位置偏差量。如果偏差在預設閾值范圍內，則保持當前狀態(tài)；如果偏差超出預設閾值F1的范圍，則根據偏差的方向和大小調整轉臺，使得通過圖像處理得到的偏差在預設閾值F2的范圍內。其中閾值F1的范圍比閾值F2的范圍大，這樣可以減小電機動作次數(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，再進行比例轉換，得到灰度圖像。設置閾值，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際偏差值。
(2)偏差角計算與轉臺控制。記CMOS圖像傳感器的焦距為f，像素大小為kx×ky。假設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)。
根據太陽方位偏差角和高度偏差角，通過串口控制轉臺轉動，使太陽能電池板正對太陽。其中轉臺x軸應轉過的角度為太陽方位偏差角，轉臺y軸應轉過的角度為太陽高度偏差角。
2．3 嵌入式處理平臺的實現(xiàn)
系統(tǒng)采用S3C2440作為主控制器。利用Linux內核代碼，針對本處理器和本系統(tǒng)特點，對內核進行相應的配置和裁剪，編譯生成嵌入式內核，并選用yaffs作為根文件系統(tǒng)，將內核映像文件和根文件系統(tǒng)燒寫到微控制器中，并編寫相應驅動程序。
程序在主機上設計完成后，需進行交叉編譯，然后下載到處理器運行。
首先在主機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，并配置主機和目標板的NFS和FTP網絡，以實現(xiàn)主機到目標板的文件下載和主機對微控制器的控制。程序編寫完成后，進行交叉編譯，生成可執(zhí)行文件，下載到處理器運行即可。