CN103745622B - 一种六分仪测天模拟器 - Google Patents

Abstract

一种六分仪测天模拟器的控制方法，包括以下步骤：步骤1：设备初始化，计算单元及其外设初始化；步骤2：进入while循环，等待各种中断，根据不同的中断进入相应的中断服务程序；定时器中断，三轴罗盘所连串口的中断，GPS模块所连串口的中断，显示屏实时动态显示模拟的星空图像。通过对六分仪的姿态控制，并精确调整直射影像与反射影像间的相互位置关系，实现天体高度的测量，从而达到测天技能训练的目的。

Description

一种六分仪测天模拟器

技术领域

本发明涉及一种虚拟现实模拟器，特别是一种六分仪测天模拟器的控制方法。

背景技术

现行的观测天体高度训练主要采用出海实际观测的模式来进行。在能见度良好的天气，船舶航行至某一海域后，即可开展天体高度的实际观测工作。学员首先进行观测前的准备工作，如六分仪的检查规正，指标差的测定、星体的识别等，而后按照天体高度的观测方法进行观测。真实的天体观测高度通过教员观测或利用PDA计算软件获得，该软件可以根据设定的时间间隔不断的计算该时刻的天体高度。教员手持PDA，在整分前不断播报“二十秒准备”、“十秒准备”、“预备—到”等提示口令，并在播报完“预备—到”口令后高声播报出该时刻PDA所显示的天体高度，学员根据教员提示口令，不断的调整自己的观测动作，“到”口令播报的那一瞬间，使被测天体正好与水天线相切，按照六分仪读数方法读出六分仪高度，再与指标差、器差相加，即可得到天体的观测高度，与教员播报的天体真实观测高度相比较，即可发现自己观测高度的误差，以后不断的加以调整，最后达到比较好的观测水平。

上述的测天训练模式虽然已沿用多年，但是由于对能见度、天气、地域等外部条件要求较高，因此存在着诸多弊端。

(1)训练实施受昼夜明暗、云雨雾霾因素制约。由于天文航海观测要求天体和水天线同时可见，测星定位只能在晴天早晚曙光期间进行，观测太阳定位只能在晴朗白天太阳高度适中时进行。据近5年海上实习执行情况统计，受阴雨多云天气或水天线不可见等环境条件影响，在69.4%的航行时间内难以正常开展测天训练；90%以上有效测天时段内只适合观测太阳高度训练，作为天文航海主要定位方法的测星定位技能训练往往难以开展。

(2)训练科目受地域限制。在低纬度地区，每年有一个或两个时期，太阳的赤纬与测者的纬度之差在2度之内且同名。在此期间太阳上中天前后接近测者天顶，高度可达88度以上，此时可在短时间内观测太阳大高度测定船位。但是对于北半球纬度大于25度的测者来说，观测太阳大高度训练根本无法进行.

(3)无法开展全天候训练。受天体升降的影响，对于太阳的观测只能选择在晴朗的白天进行；对于观测星体高度来说，由于测星定位只能在水天线与星体同时可见的情况下进行，因此观测星体的时间一般只能选择在晨光昏影时间进行，导致观测时间比较短暂。无法实现任何时间可以对任何天体进行观测的训练。

(4)人才训练周期过于漫长，训练费用过于昂贵。由于采用比较简单的比对训练方式，无法具体的对学员的观测步骤或动作作出指导，不能保证训练的高效率，使得训练周期比较漫长；由于现行的高度观测训练都是采用出海实地观测，这样燃油、保障、装备维修等费用是一笔很大的支出。

发明内容

针对以上问题本发明提出了一种室内测天模拟器。

技术方案1：一种六分仪测天模拟器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设备初始化，计算单元及其外设初始化；初始化显示屏，之后，显示“设备正在初始化”；初始化轴角编码器；初始化三轴罗盘；初始化GPS模块；之后，显示屏显示“设备初始化成功”；

将存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区赋预设初值；

使能各中断，包括定时器中断、串口中断；

步骤2：进入while循环，等待各种中断，根据不同的中断进入相应的中断服务程序；

定时器中断，定时中断每40ms产生一次，若中断产生，则进入定时器中断服务程序；读取存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区，进行模拟星图相关计算，计算完毕后将得到的星图数据送入LCD的显示缓冲区；

三轴罗盘所连串口的中断，若三轴罗盘所连串口中断产生，则进入其中断服务程序；由串口接收三轴罗盘数据，并将之存入存储三轴罗盘数据的存储区；读取轴角编码器数据，并将之存入存储轴角编码器数据的存储区；

GPS模块所连串口的中断，若GPS模块所连串口中断产生，则进入其中断服务程序；由串口接收GPS数据，并将之存入存储GPS模块数据的存储区；

显示屏实时动态显示模拟的星空图像。

本发明的有益效果是：从根本上打破了天气、昼夜明暗、地域等外部条件对于测天技能训练的制约，可以开展全气象、全科目、全天侯的天体观测技能训练，缩短人才培养周期，增强训练效果，节约训练成本。

附图说明

图1是控制系统构成图。

图2是轴角编码器与DSP相连接的电路图。

图3是通用串口电路图。

图4是GPS模块与DSP相连接的电路图。

图5是LCD显示屏与DSP相连接的电路图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。

如图1-5所示，本发明的六分仪测天模拟器包括动镜、固定镜、望远镜、支架、倾角传感器、轴角编码器、嵌入式计算机和显示模组。其中倾角传感器采用三轴电子罗盘，三轴电子罗盘的其中一轴与望远镜的光轴指向保持一致，用来测量出模拟器的方位、横摇、纵摇三轴姿态，用来确定直射视场的视场中心空间方位及其旋转角。

三轴电子罗盘固定于六分仪支架体上，其中的一轴与望远镜的光轴指向保持一致，这样就可以用来测量出模拟器的方位、横摇、纵摇三轴姿态，用来确定直射视场的视场中心空间方位及其旋转角。固定镜与动镜之间的夹角由两个轴角编码器转动的角度求得，两个轴角编码器一个放在动镜旋转轴处，另一个放在动镜旋转角微调机构的鼓形轮旋转轴处。

在六分仪镜筒内加装的显示模组用于虚拟星空视景及水天线视景的显示。显示模组是天文航海教练仪的关键部件，其分辨率高低直接影响模拟训练效果。为保持模拟设备与实装的一致性，显示模组的几何尺寸不宜太大。显示模组分辨率应满足测天精度要求。教练仪视场与六分仪视场相同（8°）。

计算单元外置时，可选用台式计算机或笔记本计算机；计算单元采用嵌入式计算机时，嵌入式计算机可以放置在六分仪架体适当位置，或放置于握柄内。计算单元通过信号线与轴角编码器、三轴电子罗盘、显示模块相连接。轴角编码器、三轴电子罗盘的信号作为输入信号传递到计算单元中，经过计算单元的处理，生成外部实景的模拟视频，送至显示模块。

轴角编码器是一种测量旋转角度的传感器，由其完成角位移的数字编码工作；三轴罗盘用以测量六分仪的姿态，即通过方位角、横倾角、纵倾角的测量来反映六分仪在空间所处姿态；可选择应用的GPS模块用于接收GPS信号，以得到当地经、纬度数据及时间信息，为模拟计算提供当地地理位置及时间参考点；显示模组用以接收计算单元的显示控制器传送来的模拟星空图像数据，同时实时显示出图像；计算单元主控电路进行电源电压转换及轴角编码器解码和计算，之后将计算结果以星空图像的形式显示于显示模组，最终显示模组实时动态显示模拟的星空图像。

嵌入式计算单元主控电路包括两块相连接的电路板，均80公分见方，以适应六分仪上有限的安装空间。其中一块的主要功能为进行电源电压转换及轴角编码器解码。电源电压转换是为了将系统的5V工作电压通过不同的电源转换模块转换为系统各部分所需不同电压。另一块的主要功能为由计算单元通过不同的接口电路采集轴角编码器、三轴罗盘、GPS模块传送来的信息，然后进行计算，之后将计算结果以星空图像的形式显示于显示模组。

本系统所采用的外置式计算单元选用台式计算机。嵌入式计算单元以美国德州仪器公司生产的新一代高性能浮点架构处理器OMAP-L137为核心，其主频为300MHz，不但具有容量较大的片内存储器，还具有丰富的外设资源，如具有LCD控制器、网口、USB口及3个通用异步串行口等。由于测天模拟器所需计算量相对较大，所以考虑选用具有哈佛结构的DSP处理器。哈佛结构是指DSP的数据及程序存储器分别具有单独的数据与地址总线，即多总线结构，这就使得DSP具有巨大的并行数据吞吐量和强大的实时数据处理能力。另一方面，测天模拟器所要进行的计算多为浮点型，而且计算精度要求高、实时处理速度要求快，这就使得一般的微处理器很难胜任此项工作，而具有浮点架构的DSP成为首选。另外，为完成模拟星空图像的生成，需要连接LCD显示屏，OMAP-L137自身即带有LCD控制器，可与LCD显示屏无缝连接，省去了搭建LCD控制电路的工作。综合考虑以上因素，选用OMAP-L137作为本系统的微处理器。

轴角编码器是一种测量旋转角度的传感器，由其完成角位移的数字编码工作。常用的轴角编码器有机械式、光电式及电磁式。考虑到体积小、测角精度高、可靠性高等客观要求，本系统选用由旋转变压器及解码器构成的电磁式轴角测量编码器。旋转变压器采用日本多摩川TS2620N21E11型。解码器采用美国模拟器件公司生产的AD2S82A型可变精度转换器，由其将旋转变压器传递过来的电压信号转换为微处理器可以接收、处理的数字信号。本系统使用两路轴角编码器，其中一路与六分仪的主旋转轴相连接，另一路与六分仪微调鼓形轮相连接，由这两路轴角编码器共同完成六分仪轴角的高精度测量。由于解码器是以并行方式输出数据的，输出数据引脚为AD_D0～AD_D15，而OMAP-L137并没有专门配备并行接口，所以在系统设计中，对于每一路轴角编码器数据，我们分别通过OMAP-L137的16根通用输入输出引脚GPIO来完成并行数据的传输工作。解码器的控制信号引脚ENABLE、INHIBIT与BUSY也通过OMAP-L137的GPIO引脚与DSP相连接。轴角编码器与DSP相连接的电路如图3所示。

三轴罗盘用以测量六分仪的姿态，即通过方位角、横倾角、纵倾角的测量来反映六分仪在空间所处姿态。三轴罗盘安装于六分仪上靠近镜筒的位置，与六分仪架体相连接，所测角度为欧拉角。三轴罗盘采用PNI公司的TCM3型低功耗、高性能电子罗盘。罗盘所测数据通过通用串行口传送至DSP。串口电路图如图4所示。

可以选用的GPS模块用于接收GPS信号，以得到当地经、纬度数据及时间信息，为模拟计算提供地理位置及时间参考点。GPS模块选用u-blox公司生产的NEO-5M模块，该模块性价比高、体积小、耗电少、易于集成设计。GSP模块也通过通用串口与DSP相连接，具体如图5所示。GPS模块直接设计于DSP主控电路板上。

显示模组用以接收计算单元的显示控制器传送来的模拟星空图像数据，同时实时显示出图像。LCD显示屏选用3.5英寸640*480分辨率的NEC TFT-LCD显示器NL4864HL11-01B。LCD显示屏的数据与控制信号线分别与DSP的LCD控制器的相应引脚相连接，连接电路如图5所示。LCD显示屏安装于六分仪镜筒前方适当位置，DSP主控电路板安放于LCD显示屏后面。

室内测天模拟器的总体思路是编写程序计算一定时间、一定地点、一定视场角和视轴中心高度方位下的星空图像，并使用倾角传感器、轴角编码器、嵌入式计算机、显示模组等硬件加以实现，使之能够显示与望远镜前端的显示模组之中，模拟真实的星空图像，并且可以随着视轴中心、分度弧读数、时间的变化而变化，从而模拟了真实的测星过程。

本系统嵌入式系统软件是在德州仪器的DSP芯片集成开发环境CCStudio v3.3下采用C语言与汇编语言混合编程的。CCS集编辑、编译、链接、软件仿真、硬件调试及实时跟踪等功能于一体，为DSP程序的设计与开发提供了极大方便。本软件的具体工作流程归纳如下：

1.设备初始化

(1)DSP及其外设初始化。

(2)初始化LCD显示屏。之后，显示“设备正在初始化”。

(3)初始化轴角编码器。

(4)初始化三轴罗盘。

(5)初始化GPS模块。之后，LCD显示屏显示“设备初始化成功”。

(6)将存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区赋预设初值。

(7)使能各中断，包括定时器中断、串口中断。

2.进入while循环，等待各种中断，根据不同的中断进入相应的中断服务程序

(1)定时器中断。该中断每40ms产生一次，若中断产生，则进入定时器中断服务程序。

(2)三轴罗盘所连串口的中断。若三轴罗盘所连串口中断产生，则进入其中断服务程序。

(3)GPS模块所连串口的中断。若GPS模块所连串口中断产生，则进入其中断服务程序。

3.中断服务程序

(1)定时器中断服务程序。读取存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区，进行模拟星图相关计算，计算完毕后将得到的星图数据送入LCD的显示缓冲区。

(2)三轴罗盘所连串口的中断服务程序。由串口接收三轴罗盘数据，并将之存入存储三轴罗盘数据的存储区。读取轴角编码器数据，并将之存入存储轴角编码器数据的存储区。

(3)GPS模块所连串口的中断服务程序。由串口接收GPS数据，并将之存入存储GPS模块数据的存储区。

如此运行，LCD显示屏即实时动态显示模拟的星空图像。

Claims (3)

1.一种六分仪测天模拟器，其特征在于：

三轴电子罗盘固定于六分仪架体上，三轴电子罗盘的其中一轴与望远镜的光轴指向保持一致，用来测量出模拟器的方位、横摇、纵摇三轴姿态，用来确定直射视场的视场中心空间方位及其旋转角；轴角编码器安放在动镜转轴和鼓形轮转轴上面，与三轴电子罗盘信号相融合，用来确定反射视场的视场中心空间方位及其旋转角；

视场中影像分为两个部分，直射视场影像与反射视场影像，直射视场的中心为望远镜的光轴中心，反射视场的中心由望远镜的光轴指向和固定镜与动镜之间的夹角共同确定，固定镜与动镜之间的夹角由两个轴角编码器转动的角度求得；

显示模组装于六分仪上，用于虚拟星空视景及水天线视景的显示，显示模组包括显示屏及光学组件；

GPS模块，用于接收GPS信号，以得到当地经、纬度数据及时间信息，为模拟计算提供当地地理位置及时间参考点；

计算单元为外置计算机，或者是置于六分仪内的嵌入式系统，计算单元通过信号线与轴角编码器、三轴电子罗盘、GPS模块以及显示模组连接，轴角编码器、三轴电子罗盘和GPS模块的信号作为输入信号传递到计算单元中，经过计算单元的处理，生成外部实景的模拟视频，送至显示模组显示。

2.如权利要求1所述的一种六分仪测天模拟器，其特征在于：计算单元通过不同的接口电路采集轴角编码器、三轴电子罗盘和GPS模块传送来的信息，然后进行计算，之后将计算结果以星空图像的形式显示于显示模组的显示屏上。

3.一种六分仪测天模拟器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：设备初始化，计算单元及其外设初始化；初始化显示屏，之后，显示“设备正在初始化”；初始化轴角编码器；初始化三轴罗盘；初始化GPS模块；之后，显示屏显示“设备初始化成功”；

将存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区赋预设初值；

使能各中断，包括定时器中断、串口中断；

步骤2：进入while循环，等待各种中断，根据不同的中断进入相应的中断服务程序；定时器中断，定时中断每40ms产生一次，若中断产生，则进入定时器中断服务程序；读取存储轴角编码器数据、三轴罗盘数据及GPS模块数据的存储区，进行模拟星图相关计算，计算完毕后将得到的星图数据送入显示屏的显示缓冲区；

三轴罗盘所连串口的中断，若三轴罗盘所连串口中断产生，则进入其中断服务程序；由串口接收三轴罗盘数据，并将之存入存储三轴罗盘数据的存储区；读取轴角编码器数据，并将之 存入存储轴角编码器数据的存储区；

GPS模块所连串口的中断，若GPS模块所连串口中断产生，则进入其中断服务程序；由串口接收GPS数据，并将之存入存储GPS模块数据的存储区；

显示屏实时动态显示模拟的星空图像。