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：
本實用新型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(huán) 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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)的，跟蹤探測器安裝在太陽 能電池板或者聚光器件上，和電池板的機械系統(tǒng)聯(lián)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(tǒng)比較復雜，且不能單獨使用。

實用新型內容
本實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構。 本實用新型采用如下技術方案
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。
本實用新型適用于太陽能利用，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。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點
1. 檢測范圍大，可實現(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(xiàn)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 ，兀/2)，不能實現(xiàn) 全方位檢測，所以這種結構一般只能用于跟蹤方式的系統(tǒng)。而采用本實用新型所述結 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，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，本結構檢測范圍大，可實現(xiàn)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(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。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)總體結構圖。圖6是本采光結構和現(xiàn)有釆光結構的探測范圍對比圖。其中(a)是對采光角度的 說明(b)是現(xiàn)有結構可探測的范圍(c)是本實用新型用采光結構可探測的范圍。
具體實施方式
一種光源方位探測器用采光結構，包括暗盒l(wèi)，在暗盒l(wèi)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以內的無光澤半透明薄膜。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的闡述。 實例一 (本探測裝置檢測陽光方位的具體實施方式
)
1. 系統(tǒng)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1的結構，特殊的采光結構由開有小孔的暗盒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(guī)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卯。，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!]-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?shù)綀D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
力嚴/ f贏-
斑的準確中心(X， Y坐標)?？捎扇缦鹿接嬎鉞 = ^^ y = ^^ (其
i i
中n為區(qū)域內像素總數(shù)，Xi為區(qū)域內各像素X坐標，Yi為區(qū)域內各像素Y坐標， Ai為區(qū)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(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
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
為經過(0， 0， 0)至IJ (-A， -B， -C)的坐標旋轉后的(a' ， b' ， c，)，轉換
廣 、 c
為高度角"和方位角"為aretan
,"、
—乂
，= arctan
a ) +(6
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(tǒng)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(xiàn)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: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，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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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)為厚度在0.5mm以內的無光澤半透明薄膜。
專利摘要本實用新型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。本實用新型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G01C1/00GK201434679SQ20092004108
公開日2010年3月31日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權日2009年4月10日
發(fā)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