CN105892062A - 天文观测设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种天文观测设备，天文观测设备为一头戴式设备，该头戴式设备包括：传感器、Wi‑Fi模块、处理器和投影仪，其中，传感器用于获取佩戴者的头部姿态数据，并将头部姿态数据通过Wi‑Fi模块发送至处理器；处理器用于根据头部姿态数据解算出佩戴者的目测方位信息，目测方位信息包括佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角，根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置信息生成佩戴者当前视线前方的星空图像，将星空图像通过Wi‑Fi模块发送至投影仪，投影仪用于将处理器输出的星空图像进行投影。可根据观测者的目测方向呈现目测位置的星空图像，从而实现真实星空与星空图像的对应，提高了准确性和辨识度，同时也提高了用户体验。

Description

天文观测设备

技术领域

本发明涉及天文观测技术领域，尤其涉及一种天文观测设备。

背景技术

随着现代科学技术的发展，越来越多的人将目光投向了星空，无限的宇宙中那些遥远的星星蕴含了无限的可能，对于天文爱好者和初入天文领域的非专业人士而言，纸质星空图像、依存在PC或移动设备上的天文观测辅助类软件(如电子星空图像软件)是其观测星空的最主要的工具。

现有的电子星空图像软件可分为两类，一类是固定式星空模拟，通过观测者输入位置信息或者通过GPS定位获得观测者所在的位置信息后，根据位置信息和相应的条件生成模拟的静态星空图像，使得观测者能够通过静态星空图像了解星空中天体的相对位置以及相关信息，观测者可以使用这类软件进行查询、模拟、预测等。另一类是跟随式星空模拟，将电子星空图像软件以APP的形式装在移动设备中，通过传感器感知用户姿态模拟相应的星空图像。

可以看出，现有的电子星空图像软件存在以下缺点：真实星空很难与星空图像对应，准确性和辨识度低；当需要作记录时，往往会手忙脚乱，会丢失目标所在方向。

发明内容

本发明提供一种天文观测设备，以解决现有的天文观测辅助类软件存在的上述问题。

本发明提供的天文观测设备，所述天文观测设备为一头戴式设备，所述头戴式设备包括传感器、Wi-Fi模块、处理器和投影仪，其中，

所述传感器用于获取佩戴者的头部姿态数据，并将所述头部姿态数据通过所述Wi-Fi模块发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述头部姿态数据解算出所述佩戴者的目测方位信息，所述目测方位信息包括所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角；

根据所述目测方位信息和所述佩戴者所处的地理位置生成所述佩戴者当前视线前方的星空图像；

将所述星空图像通过所述Wi-Fi模块发送至所述投影仪；

所述投影仪用于将所述处理器输出的所述星空图像进行投影。

进一步地，所述传感器包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述头部姿态数据为所述三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据，所述处理器具体用于：

根据三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据通过基于四元数的磁力角速度与重力MARG姿态计算算法计算出所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角。

进一步地，所述处理器具体用于：

根据当前时间和所述地理位置在预存的天文数据库中确定出当前时间所述地理位置的星空状态；

根据所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角与所述当前时间所述地理位置的星空状态确定出所述佩戴者当前视线前方的星空分布图，并生成所述星空图像。

进一步地，还包括：

固定在所述天文观测设备上的透明板，所述投影仪具体用于将所述处理器输出的星空图像投影到所述透明板上。

进一步地，还包括：

第一反射式红外光电传感器，用于根据所述佩戴者的第一手势指令向天文望远镜发送控制信号，以使所述天文望远镜根据所述控制信号转动到所述星空图像上的天体相应的位置。

进一步地，所述第一反射式红外光电传感器包括并排放置且由隔离板隔离的红外发射二极管和红外接收三级管。

进一步地，还包括：

第二反射式红外光电传感器，用于根据所述佩戴者的第二手势指令向所述处理器发送信息获取信号，以使所述处理器根据所述信息获取信号向所述投影仪发送所述目测方位信息和所述地理位置信息；

所述投影仪还用于将所述目测方位信息和所述地理位置信息进行投影以显示给所述佩戴者。

进一步地，还包括：

摄像头模组，用于根据所述处理器发送的指令拍摄环境和所述星空图像。

本发明提供的天文观测设备，通过将传感器、Wi-Fi模块、处理器和投影仪设置在一头戴式设备上，佩戴者戴上该头戴式设备后，由传感器获取佩戴者的头部姿态数据，并将头部姿态数据通过Wi-Fi模块发送至处理器，然后处理器根据头部姿态数据解算出佩戴者的目测方位信息，根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置信息生成佩戴者当前视线前方的星空图像，将星空图像通过Wi-Fi模块发送至投影仪，最后由投影仪将处理器输出的星空图像进行投影，显示给佩戴者。由于使用可穿戴的方式，解放了观测者的双手，在观测过程中需要作记录时很方便，且可根据观测者的目测方向呈现目测位置的星空图像，从而实现真实星空与星空图像的对应，提高了准确性和辨识度，同时也提高了用户体验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明天文观测设备实施例一的结构示意图；

图2为本发明天文观测设备实施例一中传感器的硬件结构示意图；

图3为本发明天文观测设备实施例一中插件流程示意图；

图4为本发明天文观测设备实施例二中的反射式红外光电传感器的硬件结构示意图；

图5为本发明天文观测设备实施例三的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明天文观测设备实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的天文观测设备为一头戴式设备，例如头盔，本实施例的头戴式设备可以包括：传感器11、Wi-Fi模块12、处理器13和投影仪14，其中，传感器11用于获取佩戴者的头部姿态数据，并将头部姿态数据通过Wi-Fi模块12发送至处理器13。处理器13用于：根据头部姿态数据解算出佩戴者的目测方位信息，目测方位信息包括佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角，根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置生成佩戴者当前视线前方的星空图像，将星空图像通过Wi-Fi模块12发送至投影仪14。投影仪14用于将处理器13输出的星空图像进行投影。

具体地，传感器11由三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪组成，图2为本发明天文观测设备实施例一中传感器的硬件结构示意图，如图2所示，三轴磁力计是利用地磁场来定位北极的工具，本发明中三轴磁力计采用的是含有倾角补偿的，基于各向异性磁组技术的磁组效应传感器构成的磁力计。三轴加速度计是测量运载体加速度的仪表，由检测质量、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。三轴陀螺仪最大的作用就是测量角速度，以判别物体的运动状态，三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪可由I2C(Inter－Integrated Circuit)总线相连连接到处理器13(图2示Galileo开发板)。头部姿态数据为三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据。处理器13具体用于：根据三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据通过基于四元数的磁力角速度与重力(magnetic angular rate and gravity，简称：MARG)姿态计算算法计算出佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角。

处理器13根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置生成佩戴者当前视线前方的星空图像，具体可以为：根据当前时间和地理位置在模拟星空(Stellarium)软件预存的天文数据库中确定出当前时间地理位置的星空状态。根据佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角与当前时间地理位置的星空状态确定出佩戴者当前视线前方的星空分布图，并生成星空图像。

具体地，处理器13在本实施例中可以是英特尔公司的伽利略(Galileo)开发板和海湾小径型处理器(Bay Trail)平台两者的结合，由Galileo开发板接收头部姿态数据并解算出佩戴者的目测方位信息后发送给Bay Trail平台(通过Wi-Fi传输)，由Bay Trail平台根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置信息生成佩戴者当前视线前方的星空图像，其中的佩戴者所处的地理位置信息可以是预先由观测者输入到Bay Trail平台的，也可以是由GPS模块获取地理位置信息后发送到Bay Trail平台，GPS模块与Bay Trail平台之间通过USB连接。Bay Trail平台是新一代的凌动(Atom)处理器。

在本发明的具体实现中，可以是通过Galileo开发板执行上述处理器的具体操作，即解算出佩戴者的目测方位信息。具体地，头部姿态数据的采集和解算由Galileo开发板上的Arduino虚拟机程序完成，基本流程包括数据读取-数据解算-信息发送三者循环的过程。数据解算使用了积分算法，并且利用四元数使得计算过程更加友好，利用最速梯度下降的优化方法快速锁定当前姿态，基本的处理流程包括：

S11、缓存旧的姿态数据。

S12、通过三轴加速度计获取高度角和翻滚角，通过三轴磁力计获取方位角。

S13、通过三轴陀螺仪获取姿态变化量。

S14、减去一定比例β的磁角速率分量，通过积分运算得到新的姿态即目测方位信息。

其中，Bay Trail平台根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置信息生成佩戴者当前视线前方的星空图像，本发明中是采用在Bay Trail平台上使用现有的Stellarium软件的源代码为基础根据实际需要而改进后的Stellarium星空模拟软件，在现有Stellarium软件上增加插件(plugins Modules)程序和核心模块的修改。Stellarium是一款开源的模拟天文软件，其使用开放图形库(Open Graphics Library，简称：OpenGL)技术对星空进行实时渲染，Stellarium是一个虚拟天文台，选定时间与地点，即可以看见如同使用眼睛、双筒望远镜或是小型天文望远镜所见的星空。Stellarium在运行时会将绝大部分星空图像、星历以及轨迹信息导入到内存中，可以提高运行效率，本发明中Bay Trail平台为Stellarium软件提供了更多的硬件接口，以便于功能扩展。

图3为本发明天文观测设备实施例一中插件流程示意图，如图3所示，包括：

S21、插件初始化。

插件初始化包括初始化界面，去除背景中的地貌，银河，大气，将视角设置为60度，开启网络编程接口(winsock)实时监听端口，开启接受控制线程。

S22、判断客户端是否接入。若是则执行S23，若否则继续判断。

S23、接收客户端数据。

S24、根据接收的数据进行相应处理。

具体主要为两种，第一种是更新位置，定位到新的地址，旋转角度，寻找中心；第二种是更改控制参数，控制是否显示信息。

S25、接着判断连接是否断开，若是则返回执行S22，若否则执行S23。

S24中，具体地，通过GPS传感器传回的经度，纬度，海拔，可以确定地球上的一个具体位置，通过获取系统时间，结合Stellarium预存的天文数据库，可以得到当前地点当前时间的星空状态，通过三态传感器传回的方位角、高度角和翻滚角，可以确定观测者当前视线前方的星空分布。由于Stellarium不是为移动平台开发的，要将该软件移植到移动设备上，就需要进行坐标变换，使得软件显示的图像与观测者眼前的图像一致。具体的坐标换算如下：

1、获取GPS坐标，结合系统时间，确定当前星空状态。

2、获取方位角、高度角，将其转换为j2000坐标，并设置屏幕显示中心为该坐标。

3、获取翻滚角(Roll)，进行坐标旋转，使得图像跟随移动设备一起旋转。

第三步中的坐标旋转本质上是改变星星在屏幕上显示的位置，假设屏幕水平放置时(Roll＝0)星星a在屏幕上的位置为(x，y)，当屏幕旋转角度ψ，那么该星星a在屏幕上显示的位置相应地变成了(x1，y1)，其中：

x1＝x×cos(ψ)-y×sin(ψ)

y1＝y×cos(ψ)+x×sin(ψ)

这样就达到了旋转的目的。

接着，进行了坐标变换之后，还要寻找视野中心，Stellarium能够在一个设定的范围内(视角)，找出符合要求的(亮度，距离)星星，该开源软件中具有一个强大的函数clever_find可以实现该功能，我们所需要做的，是获取当前视野中心，并调用该函数。clever_find找到的星星实体用qobject保存，并使用智能指针qpointer实现链表数据结构，在多个线程的调用时会出现指针悬挂。为了防止指针悬挂，本发明中放弃了在插件中调用clever_find函数，转而在主线程的Stelapp.draw()函数中调用，并定义一个find_center_flag来控制是否调用函clever_find。同时，本发明中还定义了一个参数text_show来控制星体信息的现实，客户端发送的指令可以控制这个参数，进一步控制信息显示。

Bay Trail平台生成了图像后，通过投影仪将Bay Trail平台显示的星空图像完整的投影到头戴式设备面前的屏幕上，进一步地，本实施例的天文观测设备还包括：固定在天文观测设备上的透明板，投影仪具体用于将处理器输出的星空图像投影到透明板上。透明板的使用可以使真实星空的光线穿过投影膜被使用者看到，这样达到一种现实星空与虚拟星空相结合的效果，现实星空印证了模拟的准确性，利用光影重塑增强了现实星空的存在感。具体地，投影仪开启并代开Wi-Fi模式，接着Bay Trail平台连接投影仪的Wi-Fi热点，开启Wi-Fi软件投影屏幕图像。本发明中使用的微型投影仪例如可以是现代(HD-HYNUDAL)生产的无线Wi-Fi高清通用微型便携式投影仪。该投影仪采用屏幕镜像技术，将电脑显示的图像打包后通过无线信道发送给投影仪并显示。该投影仪自带电源，可以支持3小时以上的投影时间。

本发明中的天文观测设备的数据通信形式可分为三个部分，以Galileo为中心的主要数据采集部分、以Bay Trail平台为中心的核心计算及处理部分、以微型投影仪为中心的显示部分。各个部分内部的数据是通过总线、串口等有线的形式传输，而各部分之间，为了达到可穿戴和便携的要求，采用无线的形式传输数据，即通过Wi-Fi传输。Wi-Fi的连接形式为，Bay Trail平台连接微型投影仪的Wi-Fi热点，这样Bay Trail平台可以搜索到同一网段内的投影设备并进行投影，同时自己开启一个Wi-Fi热点，让Galileo开发板连接到这个热点，并源源不断的把头部姿态数据发送给Bay Trail平台。所有无线传输均建立在传输控制协议(Transfer Control Protocol，简称：TCP)协议上，保证了传输的可靠性。

为了准确高效的进行无线传输，本发明中定义了Galileo开发板给BayTrail平台传送数据的格式协议，对数据格式进行了规范。数据格式为：“$‘COMM’！‘DATA’#”其中‘$’为数据头，代表一段数据的起始点；‘COMM’为指令位，目前占一个字节；‘！’为指令位与数据位的间隔符；‘DATA’为数据位，占若干个字节，每个数据后跟‘*’结尾，以便区分多个数据；‘#’为数据尾，代表一段数据的结束点。当前应用到的指令位有0和1，0表示传输姿态数据信息，1表示传输控制天体信息显示或关闭的指令信息。

本发明中的头戴式设备的主体是一个头盔，头盔上面用支架固定微型投影仪和Galileo开发板及以Galileo开发板为核心的周边固件，这样就保证Galileo解算出来的方位与眼睛看的方位和投影仪显示方位一致，达到预期效果。头盔上还要用支架固定一个投影屏幕，屏幕为贴有80％以上透明度的投影贴膜的全透明的亚克力板。Galileo开发板的供电由移动电源提供，移动电源可以放在背包中、头盔后部或者绑在大臂上。通过可穿戴的设计，极大减轻了观测者的负担，省去了不必要的麻烦。

本实施例提供的天文观测设备，通过将传感器、Wi-Fi模块、处理器和投影仪设置在一头戴式设备上，佩戴者戴上该头戴式设备后，由传感器获取佩戴者的头部姿态数据，并将头部姿态数据通过Wi-Fi模块发送至处理器，然后处理器根据头部姿态数据解算出佩戴者的目测方位信息，根据目测方位信息和佩戴者所处的地理位置信息生成佩戴者当前视线前方的星空图像，将星空图像通过Wi-Fi模块发送至投影仪，最后由投影仪将处理器输出的星空图像进行投影，显示给佩戴者。由于使用可穿戴的方式，解放了观测者的双手，在观测过程中需要作记录时很方便，且可根据观测者的目测方向呈现目测位置的星空图像，可实现真实星空与星空图像的对应，提高了准确性和辨识度，同时也提高了用户体验。

可选的，本发明的天文观测设备还包括第一反射式红外光电传感器，用于根据佩戴者的第一手势指令向天文望远镜发送控制信号，以使天文望远镜根据控制信号转动到星空图像上的天体相应的位置。具体地，图4为本发明天文观测设备实施例二中的反射式红外光电传感器的硬件结构示意图，如图4所示，反射式红外光电传感器包含一个红外发射二极管和一个红外接收三极管，两管并排放置且由隔离板隔离，通过模拟信号采样输入到Galileo开发板，当反射式红外光电传感器前方无障碍时，红外发射二极管发出的红外光无法反射到红外接收三极管中。使用反射式红外光电传感器来感知是否有物体靠近，该反射式红外光电传感器固定在头盔上，可用手接近反射式红外光电传感器以达到人机交互功能。

进一步地，本发明的天文观测设备还包括第二反射式红外光电传感器，用于根据佩戴者的第二手势指令向处理器发送信息获取信号，以使处理器根据信息获取信号向投影仪14发送目测方位信息和地理位置信息，投影仪14还用于将目测方位信息和地理位置信息进行投影以显示给佩戴者。

更进一步地，对于复杂的人机交互，可以将许多反射式红外光电传感器组成传感器阵列，分析阵列中的所有传感器数据可以分辨出手势的走向，位置等复杂的人机交互信息。

反射式红外光电传感器的结构简单，使用方便，但是存在明显缺陷。第一，在有红外光源的干扰下，会导致传感器给出的结果不是我们想要的结果。第二，当有环境物体接近时，传感器也会误以为是用户发出的交互信息。为了避免出现上述两种情况，本发明中做如下应对措施。第一，使反射式红外光电传感器远离系统本身的红外光源，如红外摄像头上的红外光源，并在程序中添加检验代码，如检测的电压值过高的话系统便可以认为有红外光源干扰。第二，将电压阈值调高，只有当以合适的近距离靠近红外光电传感器时，系统才会认为是一次有效的触发，同时将红外传感器尽量放置在远离自然障碍物，只有人手可以触及到的地方。

在上述实施例中，进一步地，还可以包括：摄像头模组，用于根据处理器发送的指令拍摄环境和星空图像。摄像头模组可以添加光学镜头，实现对深空天体的拍摄。摄像头模组通过TTL串口与Galileo开发板上的接口相连，摄像头的图像获取由运行在Galileo的Linux系统Yocto中的Python程序来完成。对该Python程序的调用控制在Arduino程序中。Arduino程序根据人机交互信号来控制拍照。Python程序读取的是经过摄像头模块压缩处理后的图像，摄像头模组使用标准JPEG的压缩方式，这样做使图片的传输速度变快，便可以从摄像头模组接收到更高质量的图片。获取的JPEG文件保存在Galileo开发板的SD卡中，可以根据需要回传给Bay Trail平台。摄像头模组可以用来记录环境和星空影像，图像质量以清晰分辨景物与星空为准。

图5为本发明天文观测设备实施例三的整体结构示意图，如图5所示，本实施例的天文观测设备包括：传感器21、红外摄像头22、反射式红外光电传感器23、GPS模块26、投影仪27以及Galileo开发板24和Bay Trail平台25，传感器21通过I2C总线连接到Galileo开发板24，红外摄像头22通过TTL串口连接到Galileo开发板24，反射式红外光电传感器23感测到的指令通过模拟信号输入到Galileo开发板24，Galileo开发板24与Bay Trail平台25之间的信息传输通过Wi-Fi传输，GPS模块26通过USB连接到BayTrail平台25，Bay Trail平台25将星空图像通过Wi-Fi传输到投影仪27。

本实施例提供的天文观测设备，由于使用可穿戴的方式，解放了观测者的双手，在观测过程中需要作记录时很方便，且可根据观测者的目测方向呈现目测位置的星空图像，利用星空投影，使模拟星空和真实星空实时的一一对应，辨识精确，提高了准确性和辨识度，同时也提高了用户体验。通过反射式红外光电传感器的设计，可使天文望远镜根据用户发送的手势指令转动到星空图像上的天体相应的位置，实现人机交互。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种天文观测设备，其特征在于，所述天文观测设备为一头戴式设备，所述头戴式设备包括传感器、Wi-Fi模块、处理器和投影仪，其中，

所述传感器用于获取佩戴者的头部姿态数据，并将所述头部姿态数据通过所述Wi-Fi模块发送至所述处理器；

所述处理器用于：根据所述头部姿态数据解算出所述佩戴者的目测方位信息，所述目测方位信息包括所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角；

根据所述目测方位信息和所述佩戴者所处的地理位置生成所述佩戴者当前视线前方的星空图像；

将所述星空图像通过所述Wi-Fi模块发送至所述投影仪；

所述投影仪用于将所述处理器输出的所述星空图像进行投影。

2.根据权利要求1所述的天文观测设备，其特征在于，所述传感器包括三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪，所述头部姿态数据为所述三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据，所述处理器具体用于：

根据三轴磁力计、三轴加速度计和三轴陀螺仪测出的数据通过基于四元数的磁力角速度与重力MARG姿态计算算法计算出所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角。

3.根据权利要求1所述的天文观测设备，其特征在于，所述处理器具体用于：

根据当前时间和所述地理位置在预存的天文数据库中确定出当前时间所述地理位置的星空状态；

根据所述佩戴者目测方向的方位角、高度角和翻滚角与所述当前时间所述地理位置的星空状态确定出所述佩戴者当前视线前方的星空分布图，并生成所述星空图像。

4.根据权利要求1-3任一项所述的天文观测设备，其特征在于，还包括：

固定在所述天文观测设备上的透明板，所述投影仪具体用于将所述处理器输出的星空图像投影到所述透明板上。

5.根据权利要求1-3任一项所述的天文观测设备，其特征在于，还包括：

第一反射式红外光电传感器，用于根据所述佩戴者的第一手势指令向天文望远镜发送控制信号，以使所述天文望远镜根据所述控制信号转动到所述星空图像上的天体相应的位置。

6.根据权利要求5所述的天文观测设备，其特征在于，所述第一反射式红外光电传感器包括并排放置且由隔离板隔离的红外发射二极管和红外接收三级管。

7.根据权利要求5所述的天文观测设备，其特征在于，还包括：

第二反射式红外光电传感器，用于根据所述佩戴者的第二手势指令向所述处理器发送信息获取信号，以使所述处理器根据所述信息获取信号向所述投影仪发送所述目测方位信息和所述地理位置信息；

所述投影仪还用于将所述目测方位信息和所述地理位置信息进行投影以显示给所述佩戴者。

8.根据权利要求1-7任一项所述的天文观测设备，其特征在于，还包括：

摄像头模组，用于根据所述处理器发送的指令拍摄环境和所述星空图像。