CN103197686A - 信标指示器 - Google Patents

Abstract

一种信标指示器，将太阳光收聚形成可被搜索到的信标光，其特征在于，包括：聚能光部，将太阳光收聚形成聚能光；调节反射部，将聚能光全反射形成反射光；全向投射部，将反射光在与反射光相垂直的平面内反射形成所述信标光； 控制部，控制调节反射部和全向投射部；以及电源部，向所述调节反射部和所述全向投射部提供电源，其中，所述聚能光部包含透镜组和与所述透镜组垂直固定安装的第一调节架，所述全向投射部包含投射镜、驱动投射镜在平面内旋转的全向驱动部以及第二调节支架，调节反射部包含至少一个轴承、可测量支架夹角的测角编码器、反射镜以及驱动反射镜旋转使聚能光全反射反射驱动部，控制部控制反射驱动部和全向驱动部。

Description

信标指示器

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，特别涉及一种高背景光下利用聚能后的太阳光形成可被搜索到的信标光的信标指示器。

背景技术

白天在野外进行远距光学通信试验时，建立光学链路是首先需要解决的问题。由于距离大于五公里后，单纯靠人眼的视力或普通的光学望远镜，在茫茫的背景中分辨出流动的试验点是一件非常困难的事情。但白天距离十公里外的汽车挡风玻璃的反光却可以很好的被人眼发现，因此，在白天利用太阳光进行流动试验点的远距定位指示，使得远距离光学链路的建立成为一种可能。

专利CN100585296C公开了一种自主式日光反射装置和控制方法，通过搜索传感器调节日光反射镜，将光线投射到目标传感器上，但该方法投射的日光范围受到限制，只能以南向为主，且反射光强受制于反射镜面积的大小，其用途主要是作为太阳能转换装置使用，不能作为信标指示用。专利CN101213482A公开了一种全向光引擎，可以将LED阵列光汇聚后全向投射出去，其目的是实现高亮度的全向照明，不能作为白天信标光使用。专利CN102591363A公开了一种太阳光反射装置，主要用于改善北向房间的采光和取暖问题，难以作为信标指示器使用。专利CN100386577C公开了一种太阳光采集装置，通过滤光片、双凸非球面透镜将可见光汇聚入光纤中，可作为二次利用太阳光的光源参考。专利CN102411375A公开了一种图像采集的日光反射装置系统，通过摄像头采集设定的光斑计算出投射角度，满足太阳轨迹变化时保持太阳光线实时反射到收集器上的目的，方法新颖但设备过于庞大复杂，不能作为信标指示器使用。到目前为止，将聚能后的太阳光形成可被搜索到的信标光的信标指示器还没有见诸报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信标指示器，该信标指示器能够针对不同入射角度的太阳光聚能后形成聚能光，将聚能光自适应的全反射形成反射光，在与上述反射光相垂直的平面内将反射光投射出去形成可被搜索到的信标光。

本发明提供的一种信标指示器，将太阳光收聚形成可被搜索到的信标光，具有这样的特征：包括，聚能光部，用于将太阳光收聚形成聚能光；调节反射部，用于将聚能光全反射形成反射光；全向投射部，用于将反射光在与反射光相垂直的平面内反射形成信标光；控制部，用于控制调节反射部和全向投射部；以及电源部，用于向调节反射部和全向投射部提供电源，其中，聚能光部包含设置在太阳光的光路上的透镜组和与透镜组垂直固定安装的第一调节架，全向投射部包含用于接收反射光的投射镜、驱动投射镜在平面内旋转的全向驱动部以及使投射镜的中心点、全向驱动部的中心点正投影设置的第二调节支架，调节反射部包含至少一个轴承、可测量第一调节架和第二调节架之间的支架夹角的测角编码器、设置在聚能光的光路上的反射镜以及驱动反射镜旋转使聚能光全反射到投射镜上的反射驱动部，控制部用于控制反射驱动部和全向驱动部。

在本发明的信标指示器中，还可以具有这样的特征：其中，全向投射部还包含用于测定和获取上述旋转的旋转角度的电子罗盘、被设置在反射光的光路上且用于探测反射光的强度值的探测器，电子罗盘的中心点、探测器的中心点与投射镜的中心点呈正投影设置。

在本发明的信标指示器中，还可以具有这样的特征：还包含，输入部，用于输入反射光的强度阈值；警报部，用于反射光的强度值小于强度阈值时发出警报；以及显示部，用于显示强度阈值、反射光的强度值、旋转角度以及支架夹角等，其中，输入部、警报部以及显示部分别与控制部、电源部连接。

在本发明的信标指示器中，还可以具有这样的特征：其中，透镜组含有光阑、复数个凸透镜，光阑和复数个凸透镜平行投影设置。

在本发明的信标指示器中，还可以具有这样的特征：其中，调节反射部包含两个轴承和支撑两个轴承且使两个轴承对向安装的固定架。

在本发明的信标指示器中，还可以具有这样的特征：其中，全向投射部中还设有分别安装在全向驱动部两个对向面上的第一卡接件和第二卡接件、与第一卡接件连接安装的空心安装柱，第二反射镜安装在具有45°斜截面的空心安装柱上，第二反射镜与斜截面相背粘贴，电子罗盘安装在第二卡接件上。

本发明的效果在于：聚能光部将太阳光收聚形成高亮度的聚能光投射到反射镜上，根据支架夹角，控制部将调节反射镜旋转，使聚能光在反射镜上达到全反射，根据支架夹角调节反射镜这一过程是自适应，实现了远距离光学试验中流动点的信标指示，让远距离光学链路的建立成为可能。

附图说明

图1是本发明的具体实施例中的信标指示器结构示意图；

图2是本发明的具体实施例中的调节反射部的立体结构示意图；

图3是本发明的具体实施例中的反射调节部中轴承局部放大结构示意图；

图4是本发明的具体实施例中的控制原理示意框图；

图5是本发明中实施例中进行信标指示的流程框图。

具体实施案例

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明中实施例中的信标指示器结构示意图。

如图1所示，实施例中的信标指示器100设有聚能光部1、调节反射部2、全向投射部3。晴朗的白天情况下，聚能光部1接收太阳光4收聚形成高能量、高亮度的聚能光5，聚能光5通过调节反射部2的全反射后形成反射光6，将反射光6在与反射光6相垂直的平面内360°旋转垂直反射出去，形成可被搜索到的信标光7。

聚能光部1设有接受太阳光4入射的透镜组8和第一调节支架9，沿着太阳光4的入射光路上的透镜组8中平行投影设置有光阑8a、第一凸透镜8b以及第二凸透镜8c，第二凸透镜8c的直径小于第一凸透镜8b的直径。透镜组8使得入射的太阳光4能够收聚增强。另外光阑8a具有图1中未标出的光阑孔，不同的光阑孔的孔径可以用于调节入射的太阳光4的能量，本实施例中选择通光量最大的光阑孔。光阑8a、第一凸透镜8b以及第二凸透镜8c沿着太阳光4的光路顺次垂直固定安装在第一调节支架9上，其中，第一调节架9采用铝型材自制，光阑8a为自制的，材料为铝，第一凸透镜8b的直径100mm、焦距135mm，第二凸透镜8c的直径30mm、焦距50mm。

全向投射部3包含用于接收反射光6入射的投射镜10、全向驱动部11、电子罗盘12、探测器13以及使上述投射镜10的中心点、上述全向驱动部11的中心点、上述电子罗盘12的中心点以及上述探测器13的中心点正投影设置的图1中未画出的第二调节支架。全向驱动部3驱动投射镜10在与反射光6相垂直的平面内360°旋转或者停止，当被投射镜10垂直投射后，并且可被固定点搜索到就形成信标光7。其中，第二调节架采用铝型材自制，投射镜10采用30*50*5mm平面镀铝反射镜，反射率大于90%，全向驱动部11采用图1中未显示的空心轴57式步进电机和128式细分驱动器，空心轴内孔直径为8mm，步进角1.8°/脉冲，使用时经细分达到0.18°/脉冲即可满足要求，电子罗盘12选用GY-26电子指南针模块，测量范围0-360°，测量精度1°，响应频率25Hz，探测器13选用图1中未显示的BH1750FVI芯片和自制Φ5mm尺寸的PCB板组合，应尽量降低对反射光6的遮挡损耗。

投射镜10背向粘贴在空心安装柱14的45°斜截面上，投射镜10通过空心安装柱14与第一卡接件15的连接安装在全向驱动部11上，从而全向驱动部11可以驱动投射镜10在与反射光6垂直的平面内360°旋转或停止。

与上述第一卡接件15对向安装，第二卡接件16安装在全向驱动部11的另一面上，电子罗盘12通过第二卡接件16安装全向驱动部11的另一面上，即、图1中所示的，电子罗盘12安装位于全向驱动部11的上侧面，投射镜10安装位于全向驱动部11的下侧面，电子罗盘12用于测定、获取全向驱动部11驱动投射镜10旋转的旋转角度。

探测器13安装在图1中未画出的第二调节支架上，用于探测反射光6的强度值，被设置在所述反射光6的光路上。

调节反射部2中的反射镜17被设置在聚能光5的光路上，用于将聚能光5全反射到投射镜10中，第一调节支架9和图1中未画出的第二调节支架分别与反射调节部2连接。其中，反射镜17采用30*50*5mm平面镀铝反射镜，反射率大于90%。

图2是本发明中实施例中的调节反射部的立体结构示意图。

如图2所示，图2显示的是从图1中F方向上观察到的调节反射部2的结构。调节反射部2包含两个对向安装的第一滚动轴承18和第二滚动轴承19、测角编码器20、反射镜17、反射驱动部21以及用于安装固定的固定架22。其中，反射驱动部21采用图2中未显示的常规57式步进电机及128式细分驱动器，步进角1.8°/脉冲，使用时经细分达到0.18°/脉冲即可满足要求，第一滚动轴承18、第二滚动轴承19采用普通滚动轴承即可，尺寸25*47*12mm，测角的编码器20采用绝对式编码器，型号为欧姆龙的E6CP-AG5C，10位测量精度。

如图2中左虚线圈内示意的第一滚动轴承18中都设有第一内圈18a和第一外圈18b，如图2中右虚线圈内示意的第二滚动轴承19中都设有第二内圈19a和第二外圈19b。

第一滚动轴承18、第二滚动轴承19分别固定安装在第二调节架23上，反射驱动部21设有驱动轴21a，该驱动轴21a伸入穿透第一内圈18a，驱动轴21a上安装有反射镜17，从而驱动反射镜17旋转，调整角度。

测角编码器20中设有旋转轴20a，旋转轴20a上设有卡盘20b，将卡盘20b卡合在第二内圈19a的孔里，第一调节支架9与第二内圈19a过盈连接，第二调节支架23与第二外圈19b过盈连接，测角编码器20固定安装在第二调节支架23上。如图1-2中所示，通过第二内圈19a和第二外圈19b的相对旋转，第一调节架9与第二调节架23之间的支架夹角24可以任意调节。通过第二内圈19a与卡盘20b的卡合，测角编码器20中的旋转轴20a旋转，从而实现测角功能。

如图1-2所示，人工调节第一调节架9和第二调节架23之间的支架夹角24为60°，测角编码器20测得该支架夹角24，根据该支架夹角24反射驱动部21驱动反射镜17旋转到合适的角度，使反射镜17的法线分别与第一调节支架9、第二调节支架23之间的夹角为上述支架夹角的一半，为30°，即、反射镜17使聚能光5全反射到上述投射镜10上，实现全反射。

图3是本发明的具体实施例中反射调节部中轴承局部放大结构示意图。

如图3所示，第一滚动轴承18、第二滚动轴承19同轴心安装在第二调节架9上，驱动轴21a伸入且穿透入第一内圈18a当中，驱动轴21a上安装有反射镜17，从而驱动反射镜17旋转，调整角度。

旋转轴20a上设有卡盘20b，将卡盘20b卡合在第二内圈19a的孔里，第一调节支架9与第二内圈19a过盈连接，第二调节支架23与第二外圈19b过盈连接，如图1-3中所示，第一调节架9与第二调节架23之间的支架夹角24可以任意调节，带动第二内圈19a和第二外圈19b的相对旋转。通过第二内圈19a与卡盘20b的卡合，旋转轴20a跟随卡盘20b旋转，从而实现测角功能。

图4是本发明中实施例中的控制原理示意框图。

如图1、4所示，本实施例的信标指示器100中还设有控制部25、电源部26、输入部27、警报部28以及显示部29，控制部25分别与输入部27、电子罗盘12、测角编码器20、探测器13、警报部28、全向驱动部11、反射驱动部21以及显示部29相连接，电源部26与上述控制部25、输入部27、电子罗盘12、测角编码器20、探测器13、警报部28、全向驱动部11、反射驱动部21以及显示部29相连接并且提供电源，信标指示器100的供电采用图中未显示的蓄电池，蓄电池通过合理的降压、稳压电路能输出用于信标指示器100的电源电压，蓄电池采用常规24V/30AH的铅酸电池即可，控制部25采用西门子CPU224XP。

如图1-4所示，根据从输入部27输入的反射光6的强度阈值、探测器13探测的反射光6的强度值，控制部25控制警报部28发出警报，根据信标指示的距离不同，设定输入不同的反射光6的强度阈值，实现实时提示信标指示过程中反射光6的强度是否足够大的功能。当强度不够大的反射光6经过投射镜10投射出去后即使旋转角度正确却因为光的强度不够，而无法被固定点人员搜索到，应该避免上述情况发生。

调节第一调节支架9和第二调节支架23之间的支架夹角24，由测角编码器20测得支架夹角24，控制部25根据支架夹角24调节反射驱动部21，由于反射驱动部21与反射镜17连接，驱动反射镜17转动，自适应地根据支架夹角24使聚能光5全反射到位于第二调节支架23上投射镜10上。

控制部25控制全向驱动部11驱动投射镜10在与反射光6相垂直的平面内360°旋转，当固定点可以搜索到投射出去的信标光7，则控制全向驱动部11使投射镜10停止旋转，驱动投射镜10旋转的扫描速度、扫描角度范围以及扫描方式都可由输入部27输入由控制部25控制，电子罗盘12测得信标光7的旋转角度，控制部25可锁定该旋转角度，控制部25可根据该旋转角度来控制全向驱动部11旋转。

显示部29用于显示上述强度阈值、反射光的强度、支架夹角、旋转角度等。

图5是本发明中实施例中进行信标指示的流程框图。

如图1-5所示，

将信标指示器100放置开阔高地处并在流动点固定位置30；

手动调节第一调节支架9，调节透镜组8正对太阳使得透镜组8的中心点在太阳光4的光路上，形成聚能光31；

接通信标指示器100的电源部26，调节反射驱动部21、全向反射部11以及测角编码器20处于零点位置，即调节反射镜17、投射镜10处于零点位置32；

控制部25读取测角编码器20当前测得支架夹角24的值为60°33；

控制部25输出控制脉冲使得反射驱动部21驱动反射镜17旋转，使反射镜17的法线与第一调节支架9、第二调节支架23的夹角分别都为上述支架夹角24的一半为30°，使聚能光5达到全反射34；

控制部25读取探测器13测得的反射光6的强度值，判断反射光6的强度值是否高于输入部27输入的的强度阈值35，如果高于强度阈值警报部28不报警，如果低于强度阈值警报部28报警，通过调节第一调节支架9增强聚能光5的强度来取消上述警报；

控制部25控制全向驱动部11驱动投射镜10处于水平扫描旋转状态36，扫描速度、扫描角度范围可由输入部27输入设定，扫描方式设定为点动方式；

当流动点人员接到固定点人员搜索到信标指示器100所投射出的信标光7的通知后，流动点人员记录此时电子罗盘12所指示的旋转角度37；

控制部25调节全向驱动部11、即投射镜10始终锁定在上述旋转角度位置上38；

判断全向驱动部11驱动投射镜10是否旋转处于上述旋转角度39，处于则信标指示达成，没有处于则控制部25重新调节全向驱动部11；

信标指示达成，反射驱动部21、全向驱动部11复位到零点位置40；

信标指示器100断电，信标指示过程结束41。

发明的作用与效果

综上所述，本发明的作用和效果在于：

聚能光部将太阳光收聚形成高亮度的聚能光投射到反射镜上，根据支架夹角，控制部将调节反射镜旋转，使聚能光在反射镜上达到全反射，根据支架夹角调节反射镜这一过程是自适应，实现了远距离光学试验中流动点的信标指示，让远距离光学链路建立成为可能。

反射镜自适应完成全反射后，控制部可以自动调节全向驱动部驱动投射镜做水平扫描旋转或者停止，并且扫描速度、扫描角度范围以及扫描方式均可输入控制部控制。当反射光入射45°斜面设置的投射镜后，垂直于原反射光的光路可被投射镜360°投射出去，当收到固定点的通知后，记录此时电子罗盘上投射镜的旋转角度，通过控制部控制全向驱动部驱动投射镜始终保持停止在上述旋转角度的位置上。

透镜组中的光阑是可拆解的，光阑孔的孔径或者数量不同可以起到调节入射的太阳光的强度功能。

本发明的第一调节支架、第二调节支架也可以为长度可调节并可锁紧的支架结构。

本发明的具体实施案例中采用第一卡接件、第二卡接件分别将投射镜、电子罗盘与全向驱动部安装连接，采用卡接件的形式方便组合安装或者拆卸搬运，也可以为固定形式、其他非永久连接的结构形式。

本发明的具体实施案例中采用两个轴承，测角编码器和反射驱动部分别对向设置在两个轴承的两侧，也可以为一个轴承，即测角编码器和反射驱动部同时安装在一个轴承的一侧，测角编码器测量支架夹角和反射驱动部驱动反射旋转二者互相不影响，同样可达到上述自适应过程。本发明中对轴承的内圈和外圈之间的相对旋转、第一调节支架和第二调节支架之间的支架夹角需要人工介入，增加电机控制和通信、控制系统，整体过程都可以实现全自动化。

信标指示器中的电源部供电采用蓄电池的形式，也可以采用直接利用太阳光的太阳能电池等其他供电方式。

根据需要信标指示的距离，设定输入不同的强度阈值，探测器探测到反射光的强度，判断反射光的强度是否高于强度阈值，控制部控制警报部报警，实时提示信标指示过程中反射光的强度是否足够大。当强度不够大的反射光经投射出去后即使旋转角度正确却因为光的强度不够，而无法被固定点人员搜索到，避免了上述情况的发生。

整个信标指示器结构简单、控制过程明确、运算量少、信标指示无盲区，可以广泛地应用在有类似需求的技术领域。

控制部也可以由单片机电路制作，也可以选用直流供电的PLC完成。

上述具体实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种信标指示器，将太阳光收聚形成可被搜索到的信标光，其特征在于，包括：

聚能光部，用于将所述太阳光收聚形成聚能光；

调节反射部，用于将所述聚能光全反射形成反射光；

全向投射部，用于将所述反射光在与所述反射光相垂直的平面内反射形成所述信标光；

控制部，用于控制所述调节反射部和所述全向投射部；以及

电源部，用于向所述调节反射部和所述全向投射部提供电源，

其中，所述聚能光部包含设置在所述太阳光的光路上的透镜组和与所述透镜组垂直固定安装的第一调节架，

所述全向投射部包含用于接收所述反射光的投射镜、驱动所述投射镜在所述平面内旋转的全向驱动部以及使所述投射镜的中心点、所述全向驱动部的中心点正投影设置的第二调节支架，

所述调节反射部包含至少一个轴承、可测量所述第一调节架和所述第二调节架之间的支架夹角的测角编码器、设置在所述聚能光的光路上的反射镜以及驱动所述反射镜旋转使所述聚能光全反射到所述投射镜上的反射驱动部，

所述控制部用于控制所述反射驱动部和所述全向驱动部。

2.根据权利要求1所述的信标指示器，其特征在于：

其中，所述全向投射部还包含用于测定和获取所述旋转的旋转角度的电子罗盘、被设置在所述反射光的光路上且用于探测所述反射光的强度值的探测器，所述电子罗盘的中心点、所述探测器的中心点与所述投射镜的中心点呈正投影设置。

3.根据权利要求1所述的信标指示器，其特征在于：

还包含，输入部，用于输入所述反射光的强度阈值；

警报部，用于所述反射光的强度值小于所述强度阈值时发出警报；以及显示部，用于显示所述强度阈值、所述反射光的强度值、所述旋转角度以及所述支架夹角，

其中，所述输入部、所述警报部以及所述显示部分别与所述控制部、电源部连接。

4.根据权利要求1所述的信标指示器，其特征在于：

其中，所述透镜组含有光阑、复数个凸透镜，所述光阑和所述复数个凸透镜平行投影设置。

5.根据权利要求1所述的信标指示器，其特征在于：

其中，所述调节反射部包含两个所述轴承，且所述两个轴承述对向安装。

6.根据权利要求1所述的信标指示器，其特征在于：

其中，所述全向投射部中还设有分别安装在所述全向驱动部两个对向面上的第一卡接件和第二卡接件、与所述第一卡接件连接安装的空心安装柱，所述第二反射镜安装在具有45°斜截面的空心安装柱上，所述第二反射镜与所述斜截面相背粘贴，所述电子罗盘安装在第二卡接件上。

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