专利名称：一种光源方位探测器用采光结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光源方位探测器用采光结构，可用于光源方位探测或者光源 方位跟踪。适用于太阳能利用，机器人视觉，车辆定位等多个领域。
背景技术：
光源方向探测在很多领域都有应用，例如太阳能利用，机器人视觉，车辆定位， 等。以太阳能利用为例，太阳能是一种取之不尽用之不竭的能源，而且是一种绿色环 保的能源，在能源危机的如今得到越来越多的应用。然而，光能利用系统的效率并不 高，其中一个原因是由于阳光的高度和方向在不断的变化，聚光系统如果固定不动就 不能保证最大接收光能，这就需要我们检测出阳光的位置并使得聚光系统对准阳光。 就目前而言，光源方向的检测一般是通过跟踪方式来实现的，跟踪探测器安装在太阳 能电池板或者聚光器件上，和电池板的机械系统联动，光线经过设计好的遮挡结构照 射在几个按方向布置的光敏元件上，通过判断光敏元件是否能获得足够光线来检测阳 光位置和太阳能电池板的对准位置直接的相对关系，通过不断修正来使得电池板对准 阳光。它是实际上是一种跟踪对准的方式，不能直接获得阳光的位置，而且除探测器 外还需要跟踪驱动结构，系统比较复杂，且不能单独使用。

实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可以直接检测出光源的位置且精度高、检测范围 大的光源方位探测器用采光结构。 本实用新型采用如下技术方案
一种光源方位探测器用采光结构，包括暗盒，在暗盒内设有半透明薄膜，其特 征在于暗盒的顶面包括第一顶面，所述第一顶面为人字形顶面，该人字形顶面由第 一斜面及第二斜面组成，所述的两个斜面之间的夹角为60-120度，所述的第一斜面 与水平面的夹角为30-60度，所述的第二斜面与水平面的夹角为30-60度，在所述的 第一斜面及第二斜面上分别设有第一小孔及第二小孔。
本实用新型适用于太阳能利用，机器人视觉，车辆定位等多个领域，其主要技术特点是l.采用精心设计的独特采光结构，检测范围大(对于阳光来说可以检测 正常光照范围内的阳光位置)。2.采用拍摄和图像处理方法获得图像并通过所获图像 精确计算出光源位置。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点
1. 检测范围大，可实现全方位检测。如图6-a，要^i^t^i， ^方位角A在 (-n, n)，高度角B在(0， jt/2)。现有采光结构，如附图6-b，暗盒为方形结构，光 线透过小孔15，照射在感光元件17上。这种结构存在探测范围小的问题，即当光源位 置较低时，光线无法射进小孔或者进入小孔的光线不能在感光元件17上形成光斑，因 而无法实现检测。当取感光元件边长L，感光元件和顶面距离为H时，采光结构存在死 角Y， Y为arctan (2H/L)，即这种设备可探测的光源高度角为(Y ，兀/2)，不能实现 全方位检测，所以这种结构一般只能用于跟踪方式的系统。而采用本实用新型所述结 构，如附图2所示结构，其采光范围如附图6-c所示，检测范围水平方位角为(-a， a )且a大于k ,因此可检测方位角(_ n ， )，对于高度角，如取半透明薄膜边长L， 半透明薄膜和斜顶面距离H时，可探测的高度角为(arctan (2H/L) -n/2， i-arctan
(2H/L))，其中arctan (2H/L) -n/2为负值，n -arctan (2H/L)大于n/2，即可探 测高度角超过(0， n/2)，所以，本结构检测范围大，可实现全方位检测。
2. 采光结构采用全封闭结构，可以防水防尘，更适合露天使用。
3. 直接得出光源方位在显示在LED屏幕上并以数据的形式发送至控制电路用于控 制。
4. 不依赖于跟踪机械装置，可以独立使用，并有效的避免了采用跟踪装置导致的 电力损耗。
5. 用途广泛。太阳能利用，机器人视觉，车辆定位等。

图1是用于阳光方位探测的采光结构示意图，其中(a)前视图，(b)是侧视图(c) 顶视图(d)是立体示意图。
图2是用于一般点光源方位探测的采光结构示意图。其中(a)前视图，(b)是侧 视图(c)顶视图(d)是立体示意图。
图3是采光范围示意图。其中(a)是可探测的方位角范围(b)是可探测的高度 角范围。
图4是光路示意图。其中(a)是斜射光路示意图(b)是直射光路示意图。 图5是光源方位探测装置系统总体结构图。图6是本采光结构和现有釆光结构的探测范围对比图。其中(a)是对采光角度的 说明(b)是现有结构可探测的范围(c)是本实用新型用采光结构可探测的范围。
具体实施方式
一种光源方位探测器用采光结构，包括暗盒l，在暗盒l内设有半透明薄膜6，暗 盒1的顶面包括第一顶面，所述第一顶面为人字形顶面，该人字形顶面由第一斜面2 及第二斜面3组成，所述的两个斜面之间的夹角为60-120度，所述的第一斜面2与水 平面的夹角为30-60度，所述的第二斜面3与水平面的夹角为30-60度，在所述的第一 斜面2及第二斜面3上分别设有第一小孔9及第二小孔10。
在实施例中，
所述的半透明薄膜6为由2个斜面构成的人字形面且所述的构成人字形面的2个 斜面分别与第一斜面2及第二斜面3平行；
本实施例的暗盒1的顶面由位于前端的第一顶面和位于后端第二顶面组成，所述 第二顶面为人字形顶面且由第三斜面4及第四斜面5组成，所述的两个斜面之间的夹 角为60-120度，所述的第三斜面4与水平面的夹角为30-60度，所述的第四斜面5与 水平面的夹角为30-60度,在所述的第三斜面4及第四斜面5分别设有第三f孔7及第 四小孔8，所述的第一顶面向前倾斜，所述的第二顶面向后倾斜； 、
所述的第一小孔9、第二小孔10、第三小孔7及第四小孔8的孔径为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上覆盖有用于挡住灰尘和雨水
的高透光率镀膜玻璃薄片或透明树脂薄片。
所述的半透明薄膜6为厚度在0.5mm以内的无光泽半透明薄膜。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的阐述。 实例一 (本探测装置检测阳光方位的具体实施方式
)
1. 系统总体结构如附图4所示，光线经采光结构采集，由摄像头拍摄出图像，最后 经处理电路处理图像并计算出光源方位。
2. 采光结构部分。采用如附图1的结构，特殊的采光结构由开有小孔的暗盒1和半 透明薄膜6组成。暗盒顶部为两个斜面，相互呈一定角度，斜面上各开一小孔9、 10。斜面下方一定距离布置有一层半透明薄膜，分别和斜面平行。光线经过小孔 照射到半透明膜上形成一个比较明亮的光点。两个开孔斜面夹角为120度，和水 平方向夹角为45度。以地面观测点来说，阳光高度角始终在0-90度之间变化。 而太阳方位角有如下规律方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90° ,在正东北方时，方位为-135° ， 在正西方时方位角为卯。，在正北方时为±180° 。 实际上太阳并不总是东升 西落，只有在春分秋分两天，太阳是从正东方升，正西方落。在北半球，从春分 到秋分的夏半年中，太阳从东偏北的方向升(方位角为-90°至!]-180°之间)，在 西偏北的方向落(方位角为90°到180°之间)；而从秋分到下一年春分的冬半 年中，太阳从东偏南的方向升(方位角为-90°至[J 0°之间)，在西偏南的方向落 (方位角为0。到90°之间)。以我国最北方地区黑龙江和最南方海南地区为例， 太阳的方位角在一年中的变化范围一般在-120度到+120度之间。如图3，如取一 侧半透明薄膜边长L为10cm，薄膜距离孔的距离H为lcm，则计算可得按上述 结构所覆盖太阳高度角/ 约为-34度到124度之间，方位角a为-124度到124度 之间。因此，采用这种结构可以更好的接受光线，对正常范围内的阳光方位都可 以探测。暗盒两个斜面分别开圆形小孔，直径约2mm，并有高透光率镀膜玻璃薄 片或透明树脂薄片覆盖，挡住灰尘和雨水。两个小孔下方隔一定距离设置一层半 透明薄膜。阳光经过孔投射到半透明膜上会形成一个较为明亮的光点。
3. 摄像头视频采集部分。视频采集采用一枚有效像素百万像素级摄像头拍摄，摄像 头正对半透明薄膜拍摄，拍摄画面通过USB电缆传输到图像处理电路板的存储 器中。 —
4. 视频处理部分。如附图4-a，光线透过小孔照射在其中一片半透明薄膜上形成一 个亮点20，因此采集到的图案为带有光点的暗色图片，该图片如直接使用精度较 差，因此，我们采用处理电路对该图片进行处理，得到更清晰的光斑图形，具体 步骤为首先查找出光斑边缘，例如采用拉普拉斯算法，査找到的光斑边缘点的像 素位置信息(XY坐标)保存到内存中。然后提取该边缘所包围的范围以内的各 像素点亮度值A和位置信息(XY坐标)，并通过计算重心，即公式来计算出光
力嚴/ f赢-
斑的准确中心(X， Y坐标)。可由如下公式计算X = ^^ y = ^^ (其
i i
中n为区域内像素总数，Xi为区域内各像素X坐标，Yi为区域内各像素Y坐标， Ai为区域内各像素亮度值)。应用在太阳光跟踪上，电路处理的速率可以进行设 置，根据跟踪精度和速度的要求，采样周期可以为10秒-30分钟。需要补充的是， 当阳光照射方向比较居中，如附图4-b，会产生两个光斑21、 22，处理电路取其 中一个光斑进行处理。得到光斑中心以后，由几何关系计算出光源的方位(相对于传感器)。如以一斜 面为参考坐标，取薄膜长度L，距离H，光点中心坐标为(X， Y)，则该坐标系
下阳光方位向量为(a， b， c)，其中fl二COS
arctan
7/
sm
—arctan-
7
「 w「z、
cosarctan —cosarctan——
L 幻
c = sin| arctan —
。若暗盒上这一斜面的
平面方程为Ax+By+Cz=0 ，其法向量为(A， B， C)因此，太阳方位角高度角
为经过(0， 0， 0)至IJ (-A， -B， -C)的坐标旋转后的(a' ， b' ， c，)，转换
广 、 c
为高度角"和方位角"为aretan
,"、
—乂
，= arctan
a ) +(6
实例二 (本探测装置检测一般点光源方位的具体实施方式
)
1. 系统总体结构如附图4所示，光线经采光结构采集，由摄像头拍摄出图像，最后经 处理电路处理图像并计算出光源方位。
2. 采光结构部分。暗盒1的顶面由位于前端的第一顶面和位于后端第二顶面组成，所 述第二顶面为人字形顶面且由第三斜面4及第四斜面5组成，所述的两个斜面之间 的夹角为60-120度，所述的第三斜面4与水平面的夹角为30-60度，所述的第四斜 面5与水平面的夹角为30-60度，在所述的第三斜面4及第四斜面5分别设有小孔 7、 8，所述的第一顶面与第二顶面分别向前、向后倾斜。每个小孔下方隔一定距离 设置一层半透明薄膜，分别与每个斜面平行。阳光经过孔投射到半透明膜上会形成 一个较为明亮的光点。采用这种结构可以实现对一般点光源的全方位检测，如附图 6-c所示，检测范围水平方位角为(-a， a)而a超过:t，因此可检测方位角(-兀，31)，对于高度角，如同上取半透明薄膜边长L，半透明薄膜和斜顶面距离H 时，可探测的高度角为(arctan (2H/L) - n/2，兀-arctan (2H/L))，其中arctan
(2H/L)-兀/2为负值，Jt-arctan (2H/L)大于兀/2，即可探测高度角超过(0， 3i/2)。
3. 视频采集和图像处理的部分的实施方法同实例一。
权利要求1.一种光源方位探测器用采光结构，包括暗盒(1)，在暗盒(1)内设有半透明薄膜(6)，其特征在于暗盒(1)的顶面包括第一顶面，所述第一顶面为人字形顶面，该人字形顶面由第一斜面(2)及第二斜面(3)组成，所述的两个斜面之间的夹角为60-120度，所述的第一斜面(2)与水平面的夹角为30-60度，所述的第二斜面(3)与水平面的夹角为30-60度，在所述的第一斜面(2)及第二斜面(3)上分别设有第一小孔(9)及第二小孔(10)。
2. 根据权利要求1所述的光源方位探测器用采光结构，其特征在于半透明薄膜(6) 为由2个斜面构成的人字形面且所述的构成人字形面的2个斜面分别与第一斜面(2) 及第二斜面(3)平行。
3. 根据权利要求1所述的光源方位探测器用采光结构，其特征在于暗盒(1)的 顶面由位于前端的第一顶面和位于后端第二顶面组成，所述第二顶面为人字形顶面且 由第三斜面(4)及第四斜面(5)组成，所述的两个斜面之间的夹角为60-120度，所 述的第三斜面(4)与水平面的夹角为30-60度，所述的第四斜面(5)与水平面的夹角 为30-60度，在所述的第三斜面(4)及第四斜面(5)分别设有第三小孔(7)及第四 小孔(8)，所述的第一顶面向前倾斜，所述的第二顶面向后倾斜。
4. 根据权利要求1所述的光源方位探测器用采光结构，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)的孔径为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)上覆盖有用于挡住灰尘和雨水的高透 光率镀膜玻璃薄片或透明树脂薄片。
5. 根据权利要求1所述的光源方位探测器用采光结构，其特征在于，半透明薄膜 (6)为厚度在0.5mm以内的无光泽半透明薄膜。
专利摘要本实用新型公开一种光源方位探测器用采光结构，包括暗盒，在暗盒内设有半透明薄膜，暗盒的顶面包括第一顶面，所述第一顶面为人字形顶面，该人字形顶面由第一斜面及第二斜面组成，所述的两个斜面之间的夹角为60-120度，所述的第一斜面与水平面的夹角为30-60度，所述的第二斜面与水平面的夹角为30-60度，在所述的第一斜面及第二斜面上分别设有第一小孔及第二小孔。本实用新型的采光结构可探测范围广，使得探测设备可无需跟踪装置就能快速准确地确定光源的方位，具有测试精度高、性能可靠、用途广泛等特点。
文档编号G01C1/00GK201434679SQ20092004108
公开日2010年3月31日 申请日期2009年4月10日 优先权日2009年4月10日
发明者吴剑锋, 亮 季, 宋爱国, 李建清, 实 邱, 陈从颜 申请人:东南大学