CN101936724A - 基于太阳轨迹的经纬度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳轨迹的经纬度测量装置，属于仪器、仪表领域。本发明利用摄像头对当前太阳的高度角和方位角进行测量，处理器对采集的数据处理，通过液晶显示屏显示经纬度。本发明底座上固定安装有第二电机，其输出轴与平台连接，陀螺仪固定安装在平台上，陀螺仪的X轴方向上设有电机，电机与摄像头连接，摄像头位于陀螺仪的Z轴方向上，陀螺仪的三轴的输出端与处理器输入端连接，平台一侧装有重锤，与平台相同侧的底座上装有刻度盘，底座上设有调平螺母；处理器输出端分别与第一电机、第二电机连接，电池通过DC-DC分别与开发板、摄像头、第一电机、第二电机、陀螺仪连接。本发明的检测采用摄像头，利用其实时性，提高精度。

Description

基于太阳轨迹的经纬度测量装置 

技术领域

本发明涉及一种基于太阳轨迹的经纬度测量装置，属于仪器、仪表领域。 

背景技术

目前，我们采取的定位方式主要采用卫星定位或者通话基站进行定位。在定位过程中我们必须接收卫星或者是通信基站发送的定位信号，还需要接收器向定位设备发出请求信号。要想很好的实现这个过程，前提是必须保证通信的畅通，即在没有外界的干扰时，这些定位方式是快速实时的。但是在通信受阻或者是需要保持无线电静默时，不能完成定位的需求。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够根据太阳位置确定地球经纬度的基于太阳轨迹的经纬度测量装置。 

技术解决方案：本发明包括：开发板、机械传动单元、电源模块，开发板内设有处理器、液晶显示屏，处理器与液晶显示屏连接；机械传动单元包括：底座，底座上固定安装有第二电机，第二电机的输出轴与平台连接，陀螺仪固定安装在平台上，陀螺仪的X轴方向上设有电机，X轴与平台平行，电机与摄像头连接，摄像头位于陀螺仪的Z轴方向上，陀螺仪的Y轴与平台平行，陀螺仪的X、Y、Z三轴的输出端分别与处理器输入端连接，平台一侧装有重锤，与平台8相同侧的底座上装有刻度盘，底座上设有调平螺母；处理器输出端分别与第一电机、第二电机连接，电源模块内设有电池、DC-DC电压转换器，电池通过DC-DC电压转换器分别与开发板、摄像头、第一电机、第二电机、陀螺仪连接。 

开发板采用HMI-STM32开发板。 

本发明利用摄像头对当前太阳的高度角和方位角进行测量，采集太阳相应的角度时采取以正北方向上的角度为0度，以地平面为0度角。运用陀螺仪进行方位基准校正(包括重心方向和地理正北方向)。顺时针方向旋转方位角正向增加，在摄像头采集的图像中用像素点的纵向方向标定方位角，像素点的横向方向标定高度角，并采用处理器对采集的数据进行处理(采取一定的公式转换得出当前的经纬度)，通过TFT液晶显示屏显示出当前测量地点的经纬度和时间，以实现经纬度定位功能。 

附图说明

图1为本发明结构示意图； 

图2为本发明底座仰视图； 

图3为本发明方位角原理图； 

图4为本发明高度角原理图； 

图5为本发明角度信息图像处理原理图； 

图6为本发明工艺流程图； 

图7为本发明结构框图。 

具体实施方式

如图1，本发明包括开发板、机械传动单元、电源模块，开发板采用HMI-STM32，开发板内设有处理器1、TFT液晶显示屏2，处理器1与触摸显示屏2连接；机械传动单元包括：底座7，底座7上固定安装有第二电机5，第二电机5的输出轴与平台8连接，陀螺仪6固定安装在平台8上，陀螺仪6的X轴方向上设有第一电机4，X轴与平台8平行，第一电机4与摄像头3连接，摄像头3位于陀螺仪6的Z轴方向上，陀螺仪6的Y轴与平台8平行，陀螺仪6的X、Y、Z三轴的输出端分别与处理器1输入端连接；平台8一侧装有重锤11，与平台8相同侧的底座7上装有刻度盘12，底座7上设有调平螺母13；处理器1输出端分别与第一电机4、第二电机5连接，电源模块内设有电池9、DC-DC电压转换器10，电池9通过DC-DC电压转换器10分别与开发板、摄像头3、第一电机4、第二电机5、陀螺仪6连接。 

本发明装置的陀螺仪6，第一电机4，第二电机5和摄像头3的数据线及电源线均置于底座7内，陀螺仪6采用机械陀螺仪或电子陀螺仪(电子罗盘)。 

图3和图4所示的是当前特定时刻的太阳直射点、高度角、方位角和地球上的经纬度之间的关系。当日期和时间确定的情况下，在地球上太阳能照射到得地方，都能得到太阳的高度角和太阳的方位角，太阳的高度角在一个环行的内都是相同的，如图1所示太阳直射点为中心的圆上太阳在这些地区的高度角都是相同的。线段AO表示的是太阳的方位角(以正北为0度基准)线段AB与圆交与M、N、F点，在这些点上(当前的经纬度上)有唯一的太阳高度角和太阳方位角的组合，这样就能通过检测高度角和方位角来确定当地的经纬度。图2表示的是在一样的方位角的时候会有不同的高度角，点B、C和点D、E的方位角是相差180度。经纬度计算公式如下： 

$\mathrm{AC}=\arcsin (\cos \left(H\right)\×\cos \left(D\right)/\sqrt{{(\cos \left(H\right)\×\cos \left(D\right))}^2+{\left(\sin \left(H\right)\right)}^2})---\left(1\right)$

$\mathrm{WD}=180/\mathrm{\π}\×(\arcsin (\sin \left(L1\right)/\sqrt{{(\cos \left(H\right)\×\cos \left(D\right))}^2+{\left(\sin \left(H\right)\right)}^2})-\mathrm{AC})---\left(2\right)$

JD＝(SJ+12-XS-FZ/60-E/60-M/3600)×15             (3) 

WD表示纬度、JD表示经度、SJ太阳时角、L1表示太阳赤纬角、E表示时差、D表示太阳方位角、H表示太阳高度角、XS表示当前小时、FZ表示当前分钟、M表示当前秒。 

如图5所示，C点表示高度角，2点表示方位角。将采集到的信息传递给数据处理器。 

工作过程： 

首先，系统上电，通过调节底座7底表面上设置的三个平衡螺母13，并观察重锤11在刻度盘12的方向显示，使得平台8保持水平。通过陀螺仪6的方向指北，通过调整第二电机5将平台8的基准方向自动指向北方。此时平台8的校正完成。并完成时间的初始化，使得记录的时间为格林尼治时间。 

其次，使得太阳的图像出现在摄像头3视场中，通过第一电机4，第二电机5转动角度记录下摄像头3现在的方位相对于基准方向的角度，经过图像处理得出现在太阳的位置(高度角和方向角)，图像处理相应的原理如图5所示。 

第三，处理器1通过摄像头3采集太阳的方位图像信息，包括方位角和高度角，并存储当前时刻的日期和时间信息，处理器1通过公式(2)、(3)的计算得出当前的地区的经纬度。 

最后，在可触摸TFT液晶显示屏2上显示的当地位置的经纬度、时间以及太阳轨迹曲线等。 

Claims (2)

1.基于太阳轨迹的经纬度测量装置，包括：开发板、机械传动单元、电源模块，其特征在于，开发板内设有处理器(1)、液晶显示屏(2)，处理器(1)与液晶显示屏(2)连接；机械传动单元包括：底座(7)，底座(7)上固定安装有第二电机(5)，第二电机(5)的输出轴与平台(8)连接，陀螺仪(6)固定安装在平台(8)上，陀螺仪(6)的X轴方向上设有第一电机(4)，X轴与平台(8)平行，第一电机(4)与摄像头(3)连接，摄像头(3)位于陀螺仪(6)的Z轴方向上，陀螺仪(6)的Y轴与平台(8)平行，陀螺仪(6)的X、Y、Z三轴的输出端分别与处理器(1)输入端连接，平台(8)一侧装有重锤(11)，与平台(8)相同侧的底座(7)上装有刻度盘(12)，底座(7)上设有调平螺母(13)；处理器(1)输出端分别与第一电机(4)、第二电机(5)连接，电源模块内设有电池(9)、DC-DC电压转换器(10)，电池(9)通过DC-DC电压转换器(10)分别与开发板、摄像头(3)、第一电机(4)、第二电机(5)、陀螺仪(6)连接。

2.根据权利要求1所述的基于太阳轨迹的经纬度测量装置，其特征在于，开发板采用HMI-STM32开发板。

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