CN103234532B - 数字式液浮磁罗盘及其测量姿态角的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字式液浮罗盘，包括台体、三个摄像头、浮液、浮球。三个摄像头安放在台体横剖面上，与浮球零位位置时所处子午面(YZ平面)重合，每个摄像头采集浮球经纬度±30°范围的图像。在南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息。本发明数字液浮磁罗盘测量姿态角的方法，通过在浮球与台体之间非导电的液体隔离干扰力矩，当浮球内的磁针与地磁北存在偏角时，磁针与地磁场相互作用产生偏转力矩，驱动浮球旋转，使浮球内部的磁针指向地磁北；应用3个摄像头采集液浮罗盘的偏航角、俯仰角和横滚角信息，可以在大倾角下维持稳定测量精度，相对mems磁罗盘具有更大的测量范围和精度。

Description

数字式液浮磁罗盘及其测量姿态角的方法

技术领域

本发明涉及一种液浮磁罗盘。

背景技术

磁罗盘是个人导航、定位仪器中最重要的传感器，目前主流的磁罗盘传感器是基于磁阻原理的固体传感器，通过mems工艺集成在微硅芯片上。由于mems工艺3D加工能力有限，无法在垂直方向制作高精度的磁传感器，所以三维微硅磁罗盘传感器在俯仰角和偏航角大于30°以后，测量分辨率和精度下降迅速。液浮磁罗盘，内嵌一个装有磁针的浮球，浮球与外壳通过一层液膜隔离，根据地磁原理，磁针始终与地磁矢量保持一致。由于液膜可以隔离外壳的干扰力矩，外壳处于任何状态都不会影响浮球的运动，也不会降低罗盘的指向性和精度，相对微硅磁罗盘传感器具有更强的环境适应性和精度。随着数字光电技术的发展，液浮磁罗盘信息的有效便捷采集，对扩展液浮磁罗盘应用领域，提高个人导航、定位系统的精度及环境适应性具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种数字式液浮磁罗盘，其解决了微硅磁罗盘在大俯仰角和大偏航角下分辨率和精度下降的缺点。

本发明的技术解决方案是：

一种数字液浮磁罗盘，其特殊之处在于：包括解算单元、台体1、设置在台体内的浮球2、设置在浮球2内部已磁化的磁针3、设置在浮球内部且位于磁针3下方的配重块5、固定在台体上且正对浮球球心的C摄像头6、B摄像头7、A摄像头9；所述浮球与台体间设置一层非导电液膜；所述浮球表面配重块重心定义为南极，磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线8，与8正交截圆定义为赤道4，所述浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；所述C摄像头6、B摄像头7、A摄像头9以间隔纬度60度安放在台体横剖面上，并与浮球外壳的子午面重合，纬度分别为-60°，0°，60°；所述C摄像头6、B摄像头7、A摄像头9分别采集外壳本初子午线上-60°，0°，60°所对应浮球的色块图像，所述C摄像头6、B摄像头7、A摄像头9分别与解算单元连接。

一种数字液浮磁罗盘，其特殊之处在于：包括解算单元、台体1、设置在台体内的浮球2、设置在浮球2内部已磁化的磁针3、设置在浮球内部且位于磁针3下方的配重块5、固定在台体上且正对浮球球心的B摄像头7；所述浮球与台体间设置一层非导电液膜；所述浮球表面配重块重心定义为南极，磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线8，与8正交截圆定义为赤道4，所述浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；所述B摄像头安放在台体横剖面上且位于浮球外壳的子午面和赤道面上，光轴穿过浮球球心，纬度为0°；B摄像头采集外壳本初子午线上0°所对应浮球的色块图像；，所述B摄像头7与解算单元连接。

数字液浮磁罗盘测量姿态角的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】利用台体和浮球间的液膜隔离外壳的干扰力矩，利用浮球表面配重块重心定义为南极，将磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线8，正交截圆定义为赤道4；将浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；

2】应用安放在台体横剖面上且位于浮球外壳的子午面上的摄像头，通过采集浮球上的色块信息，计算浮球的偏航角、俯仰角、横滚角：定义台体测量坐标系为XYZ坐标系，原点为浮球中心，X，Y，Z轴对应台体的宽、长、高；定义摄像头B的显示坐标系为xy坐标系，原点为摄像头B光轴与浮球的交点，摄像头的宽、高分别为x轴和y轴，定义浮球偏航角γ为绕Z轴旋转角度，俯仰角β为绕X轴旋转角度，横滚角α为绕Y轴旋转角度；

2.1】偏航角γ测量：当台体水平旋转时，浮球在磁针的带动下沿着赤道逆向旋转，最终使磁针指向地磁北，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿x轴移动，读取xy坐标系原点在赤道上的色块经度信息，即为偏航角γ；

2.2】横滚角α测量：当台体沿磁针横滚方向倾斜时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内以xy坐标系原点为中心转动，计算过xy坐标系原点的经线与y轴夹角，即为横滚角α；

2.3】俯仰角β测量：当台体绕X轴旋转时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿y轴方向移动，读取xy坐标系原点上的色块纬度信息，即为俯仰角β。

上述步骤2中还可在子午面±60°纬度上添加2个摄像头，捕捉浮球俯仰角超过±30°时的色块信息，计算浮球姿态角，并通过框架角坐标变换矩阵换算成赤道摄像头对应坐标系下的姿态角：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_I\\ {\mathrm{\β}}_I\\ {\mathrm{\γ}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\β}& 0& sin\mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0\\ {\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\γ}}_0\end{array}\right]$

式中：α_I,β_I,γ_I-----固定框架角坐标系参数；

α₀,β₀,γ₀-----动框架角坐标系参数；

β----------动坐标系相对固定坐标系的俯仰角。

本专利具有如下优点：

1、数字化输出罗盘信息。应用摄像头采集液浮罗盘内浮球的姿态图像，通过对图像进行分析计算，将磁北极(偏航角)的信息以数字的形式输出。

2、可以测量倾角。浮球在配重块的作用下，维持磁针始终处于水平面，通过图像的分析计算，可以计算台体的倾角(横滚角和俯仰角)。

3、大倾角下输出。通过3个摄像头消除高纬度色块信息量下降的缺点，可以在大倾角(±90°)下提高液浮罗盘位置信号的测量分辨率和精度。

附图说明

图1是本专利的结构示意图；

图2是本专利偏航角的测试原理图；

图3是本专利横滚角的测试原理图；

图4是本专利俯仰角的测试原理图；

图5是本专利全角度的测试原理图。

其中：1-台体，2-浮球，3-磁针，4-赤道，5-配重块，6-摄像头C，7-摄像头B，8-本初子午线，9-摄像头A。

具体实施方式

数字式液浮罗盘是运用摄像头采集液浮罗盘信息的电子产品，包括台体、摄像头A、摄像头B、摄像头C、浮液、浮球。浮球表面配重块重心定义为南极，磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线，正交截圆定义为赤道4，在南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息。摄像头A、B、C安放在台体横剖面上，与浮球外壳所处子午面(YZ平面)重合，纬度分别为-60°，0°，60°；每个摄像头采集浮球的色块图像，搜集该区域的经纬度。浮球与台体之间用非导电的液体隔离干扰力矩，当浮球内的磁针与地磁北存在偏角时，磁针与地磁场相互作用产生偏转力矩，驱动浮球旋转，使浮球内部的磁针指向地磁北。同时配重块在重力的驱动下，始终维持磁针所在赤道平面处于水平面。

1]本发明原理如下：

1.1]偏航角γ(磁北极)测量：当台体水平旋转时，浮球在磁针的带动下沿着赤道逆向旋转(Z轴)，最终使磁针指向地磁北，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿x轴移动，读取xy坐标系原点在赤道上的色块经度信息，即为偏航角γ。

1.2]横滚角α(倾角纵向分量)测量：当台体沿磁针横滚方向倾斜时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内以xy坐标系原点为中心转动，计算过xy坐标原点的经线与y轴夹角，即为横滚角α。

1.3]俯仰角β(倾角横向分量)测量：当台体绕X轴旋转时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿y轴方向移动，读取xy坐标系原点上的色块纬度信息，即为俯仰角β。

1.4]全角度测量：当台体任意旋转时，浮球在磁针和配重块的带动下旋转而最终稳定，根据框架角坐标系的定义，可以将台体的转动分解为俯仰、横滚和偏航。读取摄像头B内经纬线信息，计算过原点的经线与y轴夹角为横滚角α，该经线与xy坐标系原点交点的色块纬度信息为俯仰角β，该点的色块经度信息为偏航角γ。

1.5]大倾角测量：当俯仰角β超过±30°时，浮球色带进入摄像头A或C的读取范围，通过框架角坐标变换矩阵，可以将摄像头A或C读取的框架角信息转换成与摄像头B定义固定坐标系一致的框架角信息。具体公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_I\\ {\mathrm{\β}}_I\\ {\mathrm{\γ}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\β}& 0& sin\mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0\\ {\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\γ}}_0\end{array}\right]...\left(1\right)$

式中：α_I,β_I,γ_I-----固定框架角坐标系参数；

α₀,β₀,γ₀-----动框架角坐标系参数；

β----------动坐标系相对固定坐标系的俯仰角。

定义摄像头B解算的框架角对应坐标系为固定坐标系，摄像头A和C所对应的坐标系为动坐标系，摄像头A对应动坐标系俯仰角β_A＝-60°，摄像头C对应动坐标系俯仰角β_C＝60°。通过公式(1)将摄像头A或摄像头C的解算的框架角数据换算到摄像头B所对应的固定坐标系。

Claims (4)

1.一种数字液浮磁罗盘，其特征在于：包括解算单元、台体(1)、设置在台体内的浮球(2)、设置在浮球(2)内部已磁化的磁针(3)、设置在浮球内部且位于磁针(3)下方的配重块(5)、固定在台体上且正对浮球球心的C摄像头(6)、B摄像头(7)、A摄像头(9)；所述浮球与台体间设置一层非导电液膜；所述浮球表面配重块重心定义为南极，磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线(8)，正交截圆定义为赤道(4)，所述浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；所述C摄像头(6)、B摄像头(7)、A摄像头(9)以间隔纬度60度安放在台体横剖面上，并与浮球外壳的子午面重合，纬度分别为-60°，0°，60°；所述C摄像头(6)、B摄像头(7)、A摄像头(9)分别采集外壳本初子午线上-60°，0°，60°所对应浮球的色块图像，所述C摄像头(6)、B摄像头(7)、A摄像头(9)分别与解算单元连接。

2.一种数字液浮磁罗盘，其特征在于：包括解算单元、台体(1)、设置在台体内的浮球(2)、设置在浮球(2)内部已磁化的磁针(3)、设置在浮球内部且位于磁针(3)下方的配重块(5)、固定在台体上且正对浮球球心的B摄像头(7)；所述浮球与台体间设置一层非导电液膜；所述浮球表面配重块重心定义为南极，磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线(8)，正交截圆定义为赤道(4)，所述浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；所述B摄像头安放在台体横剖面上且位于浮球外壳的子午面和赤道面上，光轴穿过浮球球心，纬度为0°；B摄像头采集外壳本初子午线上0°所对应浮球的色块图像，所述B摄像头(7)与解算单元连接。

3.采用权利要求2所述数字液浮磁罗盘测量姿态角的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】利用台体和浮球间的液膜隔离外壳的干扰力矩，利用浮球表面配重块重心定义为南极，将磁针与南极所处球面截圆定义为本初子午线(8)，与本初子午线(8)正交截圆定义为赤道(4)；将浮球表面南北纬30°内喷涂均匀分布的不同颜色的色块，每个色块通过色度和灰度定义标记自身所处位置的经纬度信息；

2】应用安放在台体横剖面上且位于浮球外壳的子午面上的摄像头，通过采集浮球上的色块信息，计算浮球的偏航角、俯仰角、横滚角：定义台体测量坐标系为XYZ坐标系，原点为浮球中心，X，Y，Z轴对应台体的宽、长、高；定义摄像头B的显示坐标系为xy坐标系，原点为摄像头B光轴与浮球的交点，摄像头B的宽、高分别为x轴和y轴，定义浮球偏航角γ为绕Z轴旋转角度，俯仰角β为绕X轴旋转角度，横滚角α为绕Y轴旋转角度；

2.1】偏航角γ测量：当台体水平旋转时，浮球在磁针的带动下沿着赤道逆向旋转，最终使磁针指向地磁北，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿x轴移动，读取xy坐标系原点上赤道的色块经度信息，即为偏航角γ；

2.2】横滚角α测量：当台体沿磁针横滚方向倾斜时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内以原点为中心转动，计算过xy坐标系原点的经线与y轴夹角，即为横滚角α；

2.3】俯仰角β测量：当台体绕X轴旋转时，浮球在磁针和配重块作用下最终指向重力方向，摄像头B采集的浮球色带图像信息在xy坐标系内沿y轴方向移动，读取xy坐标系原点上的色块纬度信息，即为俯仰角β。

4.根据权利要求3所述的数字液浮磁罗盘测量姿态角的方法，其特征在于：所述步骤2中还包括在子午面±60°纬度上添加2个摄像头，捕捉浮球俯仰角超过±30°时的色块信息，计算浮球姿态角，并通过框架角坐标变换矩阵换算成赤道摄像头对应坐标系下的姿态角：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_I\\ {\mathrm{\β}}_I\\ {\mathrm{\γ}}_I\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\β}& 0& \sin \mathrm{\β}\\ 0& 1& 0\\ -sin\mathrm{\β}& 0& \cos \mathrm{\β}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_0\\ {\mathrm{\β}}_0\\ {\mathrm{\γ}}_0\end{array}\right]$

式中：α_I,β_I,γ_I-----固定框架角坐标系参数；

α₀,β₀,γ₀-----动框架角坐标系参数；

β----------动坐标系相对固定坐标系的俯仰角。