專利名稱：一種光源方位探測器用采光結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光源方位探測器用采光結構，可用于光源方位探測或者光源方位 跟蹤。適用于太陽能利用，機器人視覺，車輛定位等多個領域。
背景技術：
光源方向探測在很多領域都有應用，例如太陽能利用，機器人視覺，車輛定位， 等。以太陽能利用為例，太陽能是一種取之不盡用之不竭的能源，而且是一種綠色環 保的能源，在能源危機的如今得到越來越多的應用。然而，光能利用系統的效率并不 高，其中一個原因是由于陽光的高度和方向在不斷的變化，聚光系統如果固定不動就 不能保證最大接收光能，這就需要我們檢測出陽光的位置并使得聚光系統對準陽光。 就目前而言，光源方向的檢測一般是通過跟蹤方式來實現的，跟蹤探測器安裝在太陽 能電池板或者聚光器件上，和電池板的機械系統聯動，光線經過設計好的遮擋結構照 射在幾個按方向布置的光敏元件上，通過判斷光敏元件是否能獲得足夠光線來檢測陽 光位置和太陽能電池板的對準位置直接的相對關系，通過不斷修正來使得電池板對準 陽光。它是實際上是一種跟蹤對準的方式，不能直接獲得陽光的位置，而且除探測器 外還需要跟蹤驅動結構，系統比較復雜，且不能單獨使用。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可以直接檢測出光源的位置且精度高、檢測范圍大的 光源方位探測器用采光結構。 本發明采用如下技術方案
一種光源方位探測器用采光結構，包括暗盒，在暗盒內設有半透明薄膜，其特 征在于暗盒的頂面包括第一頂面，所述第一頂面為人字形頂面，該人字形頂面由第
一斜面及第二斜面組成，所述的兩個斜面之間的夾角為60-120度，所述的第一斜面 與水平面的夾角為30-60度，所述的第二斜面與水平面的夾角為30-60度，在所述的 第一斜面及第二斜面上分別設有第一小孔及第二小孔。
本發明適用于太陽能利用，機器人視覺，車輛定位等多個領域，其主要技術特點是l.采用精心設計的獨特采光結構，檢測范圍大(對于陽光來說可以檢測正常 光照范圍內的陽光位置)。2.采用拍攝和圖像處理方法獲得圖像并通過所獲圖像精確 計算出光源位置。
本發明與現有技術相比，具有如下優點
1. 檢測范圍大，可實現全方位檢測。如圖6-a，要實EJ^"^^！！1，需要方位角A在 n)，高度角B在(0， n/2)。現有采光結構，如附圖6-b，暗盒為方形結構，光
線透過小孔15，照射在感光元件17上。這種結構存在探測范圍小的問題，即當光源位 置較低時，光線無法射進小孔或者進入小孔的光線不能在感光元件17上形成光斑，因 而無法實現檢測。當取感光元件邊長L，感光元件和頂面距離為H時，采光結構存在死 角Y ， Y為arctan (2H/L)，即這種設備可探測的光源高度角為(Y ， n/2)，不能實現 全方位檢測，所以這種結構一般只能用于跟蹤方式的系統。而采用本發明所述結構， 如附圖2所示結構，其采光范圍如附圖6-c所示，檢測范圍水平方位角為(-a, a) 且a大于n，因此可檢測方位角(-:r， n)，對于高度角，如取半透明薄膜邊長L，半 透明薄膜和斜頂面距離H時，可探測的高度角為(arctan (2H/U - Jt/2， n -arctan (2H/L))，其中arctan (2H/L)-冗/2為負值，n-arctan (2H/L)大于n/2，即可探 測高度角超過(0， t/2)，所以，本結構檢測范圍大，可實現全方位檢測。
2. 采光結構采用全封閉結構，可以防水防塵，更適合露天使用。
3. 直接得出光源方位在顯示在LED屏幕上并以數據的形式發送至控制電路用于控 制。
4. 不依賴于跟蹤機械裝置，可以獨立使用，并有效的避免了采用跟蹤裝置導致的 電力損耗。
5. 用途廣泛。太陽能利用，機器人視覺，車輛定位等。
圖1是用于陽光方位探測的采光結構示意圖，其中(a)前視圖，(b)是側視圖(c) 頂視圖(d)是立體示意圖。
圖2是用于一般點光源方位探測的采光結構示意圖。其中(a)前視圖，(b)是側 視圖(c)頂視圖(d)是立體示意圖。
圖3是采光范圍示意圖。其中(a)是可探測的方位角范圍(b)是可探測的高度 角范圍
圖4是光路示意圖。
圖5是光源方位探測裝置系統總體結構圖。圖6是本采光結構和現有采光結構的探測范圍對比圖。其中(a)是現有結構可探 測的范圍(b)是本發明用采光結構可探測的范圍
具體實施例方式
一種光源方位探測器用采光結構，包括暗盒l，在暗盒l內設有半透明薄膜6，暗 盒1的頂面包括第一頂面，所述第一頂面為人字形頂面，該人字形頂面由第一斜面2 及第二斜面3組成，所述的兩個斜面之間的夾角為60-120度，所述的第一斜面2與水 平面的夾角為30-60度，所述的第二斜面3與水平面的夾角為30-60度，在所述的第一 斜面2及第二斜面3上分別設有第一小孔9及第二小孔10。
在實施例中，
所述的半透明薄膜6為由2個斜面構成的人字形面且所述的構成人字形面的2個 斜面分別與第一斜面2及第二斜面3平行；
本實施例的暗盒1的頂面由位于前端的第一頂面和位于后端第二頂面組成，所述 第二頂面為人字形頂面且由第三斜面4及第四斜面5組成，所述的兩個斜面之間的夾 角為60-120度，所述的第三斜面4與水平面的夾角為30-60度，所述的第四斜面5與 水平面的夾角為30-60度，在所述的第三斜面4及第四斜面5分別設有第三小孔7及第 四小孔8，所述的第一頂面向前傾斜，所述的第二頂面向后傾斜；
所述的第一小孔9、第二小孔10、第三小孔7及第四小孔8的孔徑為0.5-5mm,
在第一小孔9、第二小孔10、第三小孔7及第四小孔8上覆蓋有用于擋住灰塵和雨水
的高透光率鍍膜玻璃薄片或透明樹脂薄片。
所述的半透明薄膜6為厚度在0.5mm以內的無光澤半透明薄膜。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的闡述。 實例一 (本探測裝置檢測陽光方位的具體實施方式
)
1. 系統總體結構如附圖4所示，光線經采光結構采集，由攝像頭拍攝出圖像，最后 經處理電路處理圖像并計算出光源方位。
2. 采光結構部分。采用如附圖l的結構，特殊的采光結構由開有小孔的暗盒l和半 透明薄膜6組成。暗盒頂部為兩個斜面，相互呈一定角度，斜面上各開一小孔9、 10。斜面下方一定距離布置有一層半透明薄膜，分別和斜面平行。光線經過小孔 照射到半透明膜上形成一個比較明亮的光點。兩個開孔斜面夾角為120度，和水 平方向夾角為45度。以地面觀測點來說，陽光高度角始終在0-90度之間變化。 而太陽方位角有如下規律方位角以正南方向為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正，如太陽在正東方，方位角為-90° ，在正東北方時，方位為-135° ， 在正西方時方位角為90。，在正北方時為±180° 。 實際上太陽并不總是東升 西落，只有在春分秋分兩天，太陽是從正東方升，正西方落。在北半球，從春分 到秋分的夏半年中，太陽從東偏北的方向升(方位角為-90°至IJ-180。之間)，在 西偏北的方向落(方位角為90°到180°之間)；而從秋分到下一年春分的冬半 年中，太陽從東偏南的方向升(方位角為-90°到0°之間)，在西偏南的方向落 (方位角為0°到卯°之間)。以我國最北方地區黑龍江和最南方海南地區為例， 太陽的方位角在一年中的變化范圍一般在-120度到+120度之間。如圖3，如取一 側半透明薄膜邊長L為10cm，薄膜距離孔的距離H為lcm，則計算可得按上述 結構所覆蓋太陽高度角/ 約為-34度到124度之間，方位角a為-124度到124度 之間。因此，采用這種結構可以更好的接受光線，對正常范圍內的陽光方位都可 以探測。暗盒兩個斜面分別開圓形小孔，直徑約2mm，并有高透光率鍍膜玻璃薄 片或透明樹脂薄片覆蓋，擋住灰塵和雨水。兩個小孔下方隔一定距離設置一層半 透明薄膜。陽光經過孔投射到半透明膜上會形成一個較為明亮的光點。
3. 攝像頭視頻采集部分。視頻采集采用一枚有效像素百萬像素級攝像頭拍攝，攝像 頭正對半透明薄膜拍攝，拍攝畫面通過USB電纜傳輸到圖像處理電路板的存儲 器中。
4. 視頻處理部分。如附圖4-a，光線透過小孔照射在其中一片半透明薄膜上形成一 個亮點20，因此采集到的圖案為帶有光點的暗色圖片，該圖片如直接使用精度較 差，因此，我們采用處理電路對該圖片進行處理，得到更清晰的光斑圖形，具體 步驟為首先査找出光斑邊緣，例如采用拉普拉斯算法，査找到的光斑邊緣點的像 素位置信息(XY坐標)保存到內存中。然后提取該邊緣所包圍的范圍以內的各 像素點亮度值A和位置信息(XY坐標)，并通過計算重心，即公式來計算出光S贏.
斑的準確中心(X， Y坐標)。可由如下公式計算X = ~5- -(其
中n為區域內像素總數，Xi為區域內各像素X坐標，Yi為區域內各像素Y坐標， Ai為區域內各像素亮度值)。應用在太陽光跟蹤上，電路處理的速率可以進行設 置，根據跟蹤精度和速度的要求，采樣周期可以為10秒-30分鐘。需要補充的是， 當陽光照射方向比較居中，如附圖4-b，會產生兩個光斑21、 22，處理電路取其 中一個光斑進行處理。得到光斑中心以后，由幾何關系計算出光源的方位(相對于傳感器)。如以一斜 面為參考坐標，取薄膜長度L，距離H，光點中心坐標為(X， Y)，則該坐標系
廣
下陽光方位向量為(a， b， c)，其中a:cos
arctan
V
廣
sm
—arctan
、
工
7
6 = cosl arctan 二
、「 "「 "
COS—arctan——，c = sinarctan——
」
若暗盒上這一斜面的
平面方程為Ax+By+Cz=0 ，其法向量為(A， B， C)因此，太陽方位角高度角
為經過(0， 0， 0)至lj (-A， -B， -C)的坐標旋轉后的(a， ， b' ， c，)，轉換
A 、 c
為高度角/ 和方位角"為"=arctan。
、"
，〃 =arctan
+ 6
乂
實例二 (本探測裝置檢測一般點光源方位的具體實施方式
)
1. 系統總體結構如附圖4所示，光線經采光結構采集，由攝像頭拍攝出圖像，最后經 處理電路處理圖像并計算出光源方位。
2. 采光結構部分。暗盒1的頂面由位于前端的第一頂面和位于后端第二頂面組成，所 述第二頂面為人字形頂面且由第三斜面4及第四斜面5組成，所述的兩個斜面之間 的夾角為60-120度，所述的第三斜面4與水平面的夾角為30-60度，所述的第四斜 面5與水平面的夾角為30-60度，在所述的第三斜面4及第四斜面5分別設有小孔 7、 8，所述的第一頂面與第二頂面分別向前、向后傾斜。每個小孔下方隔一定距離 設置一層半透明薄膜，分別與每個斜面平行。陽光經過孔投射到半透明膜上會形成 一個較為明亮的光點。采用這種結構可以實現對一般點光源的全方位檢測，如附圖 6-c所示，檢測范圍水平方位角為(-a， a)而a超過:n，因此可檢測方位角(-、對于高度角，如同上取半透明薄膜邊長L，半透明薄膜和斜頂面距離H 時，可探測的高度角為(arctan (2H/L) - Jt/2， n-arctan (2H/L))，其中arctan
(2H/L) - n/2為負值，n-arctan (2H/L)大于n/2，即可探測高度角超過(0， n/2)。
3. 視頻采集和圖像處理的部分的實施方法同實例一。
權利要求
1.一種光源方位探測器用采光結構，包括暗盒(1)，在暗盒(1)內設有半透明薄膜(6)，其特征在于暗盒(1)的頂面包括第一頂面，所述第一頂面為人字形頂面，該人字形頂面由第一斜面(2)及第二斜面(3)組成，所述的兩個斜面之間的夾角為60-120度，所述的第一斜面(2)與水平面的夾角為30-60度，所述的第二斜面(3)與水平面的夾角為30-60度，在所述的第一斜面(2)及第二斜面(3)上分別設有第一小孔(9)及第二小孔(10)。
2. 根據權利要求1所述的光源方位探測器用采光結構，其特征在于半透明薄膜(6) 為由2個斜面構成的人字形面且所述的構成人字形面的2個斜面分別與第一斜面(2) 及第二斜面(3)平行。
3. 根據權利要求1所述的光源方位探測器用采光結構，其特征在于暗盒(1)的 頂面由位于前端的第一頂面和位于后端第二頂面組成，所述第二頂面為人字形頂面且 由第三斜面(4)及第四斜面(5)組成，所述的兩個斜面之間的夾角為60-120度，所 述的第三斜面(4)與水平面的夾角為30-60度，所述的第四斜面(5)與水平面的夾角 為30-60度，在所述的第三斜面(4)及第四斜面(5)分別設有第三小孔(7)及第四 小孔(8)，所述的第一頂面向前傾斜，所述的第二頂面向后傾斜。
4. 根據權利要求1所述的光源方位探測器用采光結構，其特征在于第一小孔(9)、 第二小孔(10)、第三小孔(7)及第四小孔(8)的孔徑為0.5-5mm，在第一小孔(9)、 第二小孔(10)、第三小孔(7)及第四小孔(8)上覆蓋有用于擋住灰塵和雨水的高透 光率鍍膜玻璃薄片或透明樹脂薄片。
5. 根據權利要求l所述的光源方位探測器用采光結構，其特征在于，半透明薄膜 (6)為厚度在0.5mm以內的無光澤半透明薄膜。
全文摘要
本發明公開一種光源方位探測器用采光結構，包括暗盒，在暗盒內設有半透明薄膜，暗盒的頂面包括第一頂面，所述第一頂面為人字形頂面，該人字形頂面由第一斜面及第二斜面組成，所述的兩個斜面之間的夾角為60-120度，所述的第一斜面與水平面的夾角為30-60度，所述的第二斜面與水平面的夾角為30-60度，在所述的第一斜面及第二斜面上分別設有第一小孔及第二小孔。本發明的采光結構可探測范圍廣，使得探測設備可無需跟蹤裝置就能快速準確地確定光源的方位，具有測試精度高、性能可靠、用途廣泛等特點。
文檔編號G01C1/00GK101551245SQ200910029369
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月10日 優先權日2009年4月10日
發明者吳劍鋒, 亮 季, 宋愛國, 李建清, 實 邱, 陳從顏 申請人:東南大學