專利名稱：一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，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(jī)器人視覺，車輛定位等多個(gè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光源方向探測在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，例如太陽能利用，機(jī)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(huán) 保的能源，在能源危機(jī)的如今得到越來越多的應(yīng)用。然而，光能利用系統(tǒng)的效率并不 高，其中一個(gè)原因是由于陽光的高度和方向在不斷的變化，聚光系統(tǒng)如果固定不動(dòng)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(tǒng)對準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)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(jī)械系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，光線經(jīng)過設(shè)計(jì)好的遮擋結(jié)構(gòu)照 射在幾個(gè)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(zhǔn)位置直接的相對關(guān)系，通過不斷修正來使得電池板對準(zhǔn) 陽光。它是實(shí)際上是一種跟蹤對準(zhǔn)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(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)比較復(fù)雜，且不能單獨(dú)使用。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型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(jié)構(gòu)。 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案
一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，包括暗盒，在暗盒內(nèi)設(shè)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(gè)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(shè)有第一小孔及第二小孔。
本實(shí)用新型適用于太陽能利用，機(jī)器人視覺，車輛定位等多個(gè)領(lǐng)域，其主要技術(shù)特點(diǎn)是l.采用精心設(shè)計(jì)的獨(dú)特采光結(jié)構(gòu)，檢測范圍大(對于陽光來說可以檢測 正常光照范圍內(nèi)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(jì)算出光源位置。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
1. 檢測范圍大，可實(shí)現(xiàn)全方位檢測。如圖6-a，要^i^t^i， ^方位角A在 (-n, n)，高度角B在(0， jt/2)?，F(xiàn)有采光結(jié)構(gòu)，如附圖6-b，暗盒為方形結(jié)構(gòu)，光 線透過小孔15，照射在感光元件17上。這種結(jié)構(gòu)存在探測范圍小的問題，即當(dāng)光源位 置較低時(shí)，光線無法射進(jìn)小孔或者進(jìn)入小孔的光線不能在感光元件17上形成光斑，因 而無法實(shí)現(xiàn)檢測。當(dāng)取感光元件邊長L，感光元件和頂面距離為H時(shí)，采光結(jié)構(gòu)存在死 角Y， Y為arctan (2H/L)，即這種設(shè)備可探測的光源高度角為(Y ，兀/2)，不能實(shí)現(xiàn) 全方位檢測，所以這種結(jié)構(gòu)一般只能用于跟蹤方式的系統(tǒng)。而采用本實(shí)用新型所述結(jié) 構(gòu)，如附圖2所示結(jié)構(gòu)，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k ,因此可檢測方位角(_ 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(shí)，可探測的高度角為(arctan (2H/L) -n/2， i-arctan
(2H/L))，其中arctan (2H/L) -n/2為負(fù)值，n -arctan (2H/L)大于n/2，即可探 測高度角超過(0， n/2)，所以，本結(jié)構(gòu)檢測范圍大，可實(shí)現(xiàn)全方位檢測。
2. 采光結(jié)構(gòu)采用全封閉結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)的形式發(fā)送至控制電路用于控 制。
4. 不依賴于跟蹤機(jī)械裝置，可以獨(dú)立使用，并有效的避免了采用跟蹤裝置導(dǎo)致的 電力損耗。
5. 用途廣泛。太陽能利用，機(jī)器人視覺，車輛定位等。

圖1是用于陽光方位探測的采光結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)前視圖，(b)是側(cè)視圖(c) 頂視圖(d)是立體示意圖。
圖2是用于一般點(diǎn)光源方位探測的采光結(jié)構(gòu)示意圖。其中(a)前視圖，(b)是側(cè) 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。其中(a)是斜射光路示意圖(b)是直射光路示意圖。 圖5是光源方位探測裝置系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。圖6是本采光結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有釆光結(jié)構(gòu)的探測范圍對比圖。其中(a)是對采光角度的 說明(b)是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)可探測的范圍(c)是本實(shí)用新型用采光結(jié)構(gòu)可探測的范圍。
具體實(shí)施方式
一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，包括暗盒l(wèi)，在暗盒l(wèi)內(nèi)設(shè)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(gè)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(shè)有第一小孔9及第二小孔10。
在實(shí)施例中，
所述的半透明薄膜6為由2個(gè)斜面構(gòu)成的人字形面且所述的構(gòu)成人字形面的2個(gè) 斜面分別與第一斜面2及第二斜面3平行；
本實(shí)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(gè)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(shè)有第三f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(nèi)的無光澤半透明薄膜。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。 實(shí)例一 (本探測裝置檢測陽光方位的具體實(shí)施方式
)
1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如附圖4所示，光線經(jīng)采光結(jié)構(gòu)采集，由攝像頭拍攝出圖像，最后 經(jīng)處理電路處理圖像并計(jì)算出光源方位。
2. 采光結(jié)構(gòu)部分。采用如附圖1的結(jié)構(gòu)，特殊的采光結(jié)構(gòu)由開有小孔的暗盒1和半 透明薄膜6組成。暗盒頂部為兩個(gè)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(jīng)過小孔 照射到半透明膜上形成一個(gè)比較明亮的光點(diǎn)。兩個(gè)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(diǎn)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(guī)律方位角以正南方向?yàn)榱?，由南向東向北為負(fù)，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(shí)，方位為-135° ， 在正西方時(shí)方位角為卯。，在正北方時(shí)為±180° 。 實(shí)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!]-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°至[J 0°之間)，在西偏南的方向落 (方位角為0。到90°之間)。以我國最北方地區(qū)黑龍江和最南方海南地區(qū)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(cè)半透明薄膜邊長L為10cm，薄膜距離孔的距離H為lcm，則計(jì)算可得按上述 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以更好的接受光線，對正常范圍內(nèi)的陽光方位都可 以探測。暗盒兩個(gè)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(gè)小孔下方隔一定距離設(shè)置一層半 透明薄膜。陽光經(jīng)過孔投射到半透明膜上會(huì)形成一個(gè)較為明亮的光點(diǎn)。
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?shù)綀D像處理電路板的存儲(chǔ) 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(gè)亮點(diǎn)20，因此采集到的圖案為帶有光點(diǎn)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(jìn)行處理，得到更清晰的光斑圖形，具體 步驟為首先查找出光斑邊緣，例如采用拉普拉斯算法，査找到的光斑邊緣點(diǎn)的像 素位置信息(XY坐標(biāo))保存到內(nèi)存中。然后提取該邊緣所包圍的范圍以內(nèi)的各 像素點(diǎn)亮度值A(chǔ)和位置信息(XY坐標(biāo))，并通過計(jì)算重心，即公式來計(jì)算出光
力嚴(yán)/ f贏-
斑的準(zhǔn)確中心(X， Y坐標(biāo))?？捎扇缦鹿接?jì)算X = ^^ y = ^^ (其
i i
中n為區(qū)域內(nèi)像素總數(shù)，Xi為區(qū)域內(nèi)各像素X坐標(biāo)，Yi為區(qū)域內(nèi)各像素Y坐標(biāo)， Ai為區(qū)域內(nèi)各像素亮度值)。應(yīng)用在太陽光跟蹤上，電路處理的速率可以進(jìn)行設(shè) 置，根據(jù)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(bǔ)充的是， 當(dāng)陽光照射方向比較居中，如附圖4-b，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)光斑21、 22，處理電路取其 中一個(gè)光斑進(jìn)行處理。得到光斑中心以后，由幾何關(guān)系計(jì)算出光源的方位(相對于傳感器)。如以一斜 面為參考坐標(biāo)，取薄膜長度L，距離H，光點(diǎn)中心坐標(biāo)為(X， Y)，則該坐標(biāo)系
下陽光方位向量為(a， b， c)，其中fl二COS
arctan
7/
sm
—arctan-
7
「 w「z、
cosarctan —cosarctan——
L 幻
c = sin| arctan —
。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(jīng)過(0， 0， 0)至IJ (-A， -B， -C)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后的(a' ， b' ， c，)，轉(zhuǎn)換
廣 、 c
為高度角"和方位角"為aretan
,"、
—乂
，= arctan
a ) +(6
實(shí)例二 (本探測裝置檢測一般點(diǎn)光源方位的具體實(shí)施方式
)
1. 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如附圖4所示，光線經(jīng)采光結(jié)構(gòu)采集，由攝像頭拍攝出圖像，最后經(jīng) 處理電路處理圖像并計(jì)算出光源方位。
2. 采光結(jié)構(gòu)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(gè)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(shè)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(gè)小孔下方隔一定距離 設(shè)置一層半透明薄膜，分別與每個(gè)斜面平行。陽光經(jīng)過孔投射到半透明膜上會(huì)形成 一個(gè)較為明亮的光點(diǎn)。采用這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對一般點(diǎn)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:t，因此可檢測方位角(-兀，31)，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(shí)，可探測的高度角為(arctan (2H/L) - n/2，兀-arctan (2H/L))，其中arctan
(2H/L)-兀/2為負(fù)值，Jt-arctan (2H/L)大于兀/2，即可探測高度角超過(0， 3i/2)。
3. 視頻采集和圖像處理的部分的實(shí)施方法同實(shí)例一。
權(quán)利要求1.一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，包括暗盒(1)，在暗盒(1)內(nèi)設(shè)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(gè)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(shè)有第一小孔(9)及第二小孔(10)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，其特征在于半透明薄膜(6) 為由2個(gè)斜面構(gòu)成的人字形面且所述的構(gòu)成人字形面的2個(gè)斜面分別與第一斜面(2) 及第二斜面(3)平行。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，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(gè)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(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，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(jù)權(quán)利要求1所述的光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，其特征在于，半透明薄膜 (6)為厚度在0.5mm以內(nèi)的無光澤半透明薄膜。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種光源方位探測器用采光結(jié)構(gòu)，包括暗盒，在暗盒內(nèi)設(shè)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(gè)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(shè)有第一小孔及第二小孔。本實(shí)用新型的采光結(jié)構(gòu)可探測范圍廣，使得探測設(shè)備可無需跟蹤裝置就能快速準(zhǔn)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(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C1/00GK201434679SQ20092004108
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者吳劍鋒, 亮 季, 宋愛國, 李建清, 實(shí) 邱, 陳從顏 申請人:東南大學(xué)