CN115793227B - 一种日夜两用自动观星方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种日夜两用自动观星方法，S1、定位自动观星装置：将自动观星装置安装在望远镜的寻星镜位置，将自动观星装置调整至与望远镜同轴，所述自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元；S2、校正望远镜绝对坐标位置：GPS进行定位，将九轴传感器换算为三维角度，其中九轴传感器监测到的仰俯角以及偏摆角对应代表望远镜所在地坪坐标系的仰俯角及方位角，从而根据九轴传感器监测到的角度来校正望远镜的绝对坐标位置；S3、天体目标定位；S4、天体目标的影像处理：本发明具有如下优点：无需对托架进行天体校正，保证自动观星过程中的及时精准追踪效果。

Description

一种日夜两用自动观星方法

技术领域

本发明属于天文领域，具体涉及一种日夜两用自动观星方法。

背景技术

望远镜是一种用于观察远距离物体的目视光学仪器，能把远物很小的张角按一定倍率放大，使之在像空间具有较大的张角，使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变清晰可辨。所以，望远镜是天文和地面观测中不可缺少的工具。

目前市面上用于天文望远镜的在使用前都需要对托架去做天体的校正，并且需要手动将望远镜对准目标物才可以进行追踪，追踪后由于天体目标具有一定移动性，而现有技术中对天体目标的持续修正移动速度无法得到精准调控和及时修正，从而无法始终保证自动观星过程中的及时精准追踪效果。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种日夜两用自动观星方法，无需对托架进行天体校正，保证自动观星过程中的及时精准追踪效果。

发明的目的通过以下技术方案来实现：一种日夜两用自动观星方法，具体步骤包括：

S1、定位自动观星装置：将自动观星装置安装在望远镜的寻星镜位置，将自动观星装置调整至与望远镜同轴，所述自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元；

S2、校正望远镜绝对坐标位置：GPS进行定位，将九轴传感器换算为三维角度，其中九轴传感器监测到的仰俯角以及偏摆角对应代表望远镜所在地坪坐标系的仰俯角及方位角，从而根据九轴传感器监测到的角度来校正望远镜的绝对坐标位置；

S3、天体目标定位：操作者选择欲观测的天体目标，借由GPS定位成功后的资讯，得到该天体目标的坐标位置，自动观星装置通过有线或无线的方式控制转动望远镜托架，使天体目标靠近自动观星装置的CMOS影像传感器单元位置；

S4、天体目标的影像处理：

（a）、抓取天体目标的一张影像，将该影像做成直条图，再通过自动临界值法，寻找合适的临界值，公式为

；

其中，m0、m1、m2分别是全体、物体1、物体2的平均灰阶值，而n1、n2分别是物体1和物体2的像素数，σ则是所需要的临界值，可用此临界值做二值化使用；

（b）、透过先收缩后膨胀的方式，去除二值化后的杂讯；

（c）、进行影像特征参数分割，将二值化后的影像做标签化，即将相连的像素做相同的标签；标签完成后，可以根据每个标签的特征找出天体目标，以月亮为例，可以根据月亮的面积、真圆度、周长来判断，面积即是相同边签的像素总和，真圆度公式为：e = 4πs/c²，其中，e为真圆度，s为面积，c为周长；

（d）、找到天体目标后，依照天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到需要调整的偏移量，重心位置取得的方式即天体目标所有标签位置(xi,yi)(i = 0,..,n-1)的平均值，公式表示如下:

其中 (x_avg,y_avg) 为目标所有标签的重心位置，n为目标标签的总数；

而CMOS影像的中心点，即是二维坐标的(x₀,y₀)，所以目标与中心的偏移量(x_offset,y_offset)公式表示如下:

；

（e）、将偏移量二维坐标（x_offset，y_offset）换算至实际可视角度，CMOS影像传感器的整体可视角度，公式为:

，/>

；

其中AoV为可视角度，h为CMOS尺寸，f为焦距长；

由于望远镜转度以其为中心进行的圆周转动，所以实际偏移可视角度公式为：

；

根据实际偏移可视角度θ(rx,ry)，可以直接控制托架移动相应角度，完成影像回授控制的工作；

（f）、完成目标物至影像中心后，可以开始追踪目标物，计算出目标物此时此地的移动速度，并控制托架以相同速度与方向追踪，此时会加入影像回授控制持续修正移动速度。

本发明的进一步改进在于：步骤S4的（a）中，影像以灰阶，1280 x 960像素做处理。

本发明的进一步改进在于：步骤S4的（b）中，所述收缩是指某像素的邻近像素中，若有一个像素为0，则该像素也为0，所谓膨胀是指某像素的邻近像素中，若有一个像素为1，则该像素为1。

本发明的进一步改进在于：步骤S4的（c）中，将二值化后的影像做标签化的具体步骤包括，

i、先扫描影像，如果发现没有附加标签的像素P，即附加新的标签；

ii、和像素P相连的像素附加相同的标签号码；

iii、对已附加标签的像素，将与其连接的所有像素，附加相同号码；

iv、重复以上动作，直到没有应当附加标签的像素为止。

本发明的进一步改进在于：步骤S4的（e）中，CMOS影像传感器采用1/3 – inch的CMOS影像传感器，焦距搭配2.1mm镜头，可视水平角度为97.6度，俯仰角度约为81.2度。

本发明的进一步改进在于：步骤S4的（f）中，修整移动速度的具体步骤包括：

I、此时目标物在影像中心，以二维坐标为圆点，新增一个目标物4倍面积的区域；

II、新增区域与圆点分出一个四象限出来，如果目标物偏移任一一个象限，可以根据各象限的像素灰阶值加总做运算，计算出偏移的（x，y）值，公式如下：

；

其中，S(x,y)为偏移速度，PDch1-ch4为各象限的像素灰阶值加总，Kp为调整速度因子，会根据镜头焦距不同而需要做调整，根据计算出的偏移速度，可以及时修正实际目标速度，达到及时的追踪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元，在自动观星追踪前不需要对望远镜托架进行天体校正，可以透过内部GPS单元、九轴传感器单元，得到天体目标的具体位置，再控制望远镜托架移动到目标物大致方位后，由CMOS影像传感器单元做影像处理回授控制，从而实现日夜两用自动观星的智能效果。

2、本发明通过CMOS影像传感器单元对天体目标的影像处理，对临界值做二值化处理，透过先收缩后膨胀的方式，去除二值化杂讯，然后对影像特征参数分割，根据天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到他标准偏移量，最后将调整偏移量换算至实际可视角度，直接控制望远镜托架移动相应角度，从而开始追踪目标物，加入影像回授控制持续修正移动速度，使用CMOS原始影像的灰阶值，并以四象限调控方向进行修正，根据计算出的偏移速度，即使修正实际目标速度，达到即使追踪目标星体，提高调节精准度，保证自动观星过程中的及时精准追踪效果。

附图说明

图1为本发明中自动观星装置的硬件架构图。

图2为本发明步骤S4的（a）中影像灰阶直条图。

图3为本发明步骤S4的（b）中去除二值化杂讯的示意图。

图4为本发明步骤S4的（c）中对二值化的影像做标签化的示意图。

图5为本发明步骤S4（d）中根据天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到需要调整的偏移量的示意图。

图6为本发明步骤S4的步骤I中，在修整移动速度中新增区域的示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语指示方位或位置关系，如为基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构或单元必须具有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有 “连接”“设有”“具有”等术语应作广义去理解，例如可以是固定连接，可以是拆卸式连接，或一体式连接，可以说机械连接，也可以是直接相连，可以通过中间媒介相连，对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的基本含义。

本发明一种日夜两用自动观星方法的一种实施方式，具体步骤包括：

S1、定位自动观星装置：将自动观星装置安装在望远镜的寻星镜位置，将自动观星装置调整至与望远镜同轴，如图1所示，自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元；

S2、校正望远镜绝对坐标位置：GPS进行定位，将九轴传感器换算为三维角度，其中九轴传感器监测到的仰俯角以及偏摆角对应代表望远镜所在地坪坐标系的仰俯角及方位角，从而根据九轴传感器监测到的角度来校正望远镜的绝对坐标位置；

S3、天体目标定位：操作者选择欲观测的天体目标，借由GPS定位成功后的资讯，得到该天体目标的坐标位置，自动观星装置通过有线或无线的方式控制转动望远镜托架，使天体目标靠近自动观星装置的CMOS影像传感器单元位置；

S4、天体目标的影像处理：

（a）、抓取天体目标的一张影像，如图2所述，将该影像做成直条图，再通过自动临界值法，寻找合适的临界值，公式为

；

其中，m0、m1、m2分别是全体、物体1、物体2的平均灰阶值，而n1、n2分别是物体1和物体2的像素数，σ则是所需要的临界值，可用此临界值做二值化使用；

（b）、透过先收缩后膨胀的方式，如图3所示，去除二值化后的杂讯；

（c）、进行影像特征参数分割，将二值化后的影像做标签化，即将相连的像素做相同的标签；标签完成后，可以根据每个标签的特征找出天体目标，以月亮为例，可以根据月亮的面积、真圆度、周长来判断，面积即是相同边签的像素总和，真圆度公式为：e = 4πs/c²，其中，e为真圆度，s为面积，c为周长；

（d）、找到天体目标后，如图5所示，依照天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到需要调整的偏移量，重心位置取得的方式即天体目标所有标签位置(xi,yi)(i =0,..,n-1)的平均值，公式表示如下:

其中(x_avg,y_avg)为目标所有标签的重心位置，n为目标标签的总数；

而CMOS影像的中心点，即是二维坐标的(x₀,y₀)，所以目标与中心的偏移量(x_offset,y_offset)公式表示如下:

；

（e）、将偏移量二维坐标（x_offset，y_offset）换算至实际可视角度，CMOS影像传感器的整体可视角度，公式为:

，/>

；

其中AoV为可视角度，h为CMOS尺寸，f为焦距长；

由于望远镜转度以其为中心进行的圆周转动，所以实际偏移可视角度公式为：

；

根据实际偏移可视角度θ(rx,ry)，可以直接控制托架移动相应角度，完成影像回授控制的工作；

（f）、完成目标物至影像中心后，可以开始追踪目标物，计算出目标物此时此地的移动速度，并控制托架以相同速度与方向追踪，此时会加入影像回授控制持续修正移动速度。

进一步的，步骤S4的（a）中，影像以灰阶，1280 x 960像素做处理。

进一步的，步骤S4的（b）中，所述收缩是指某像素的邻近像素中，若有一个像素为0，则该像素也为0，所谓膨胀是指某像素的邻近像素中，若有一个为像素1，则该像素为1。

进一步的，步骤S4的（c）中，如图4所示，将二值化后的影像做标签化的具体步骤包括，

i、先扫描影像，如果发现没有附加标签的像素P，即附加新的标签；

ii、和像素P相连的像素附加相同的标签号码；

iii、对已附加标签的像素，将与其连接的所有像素，附加相同号码；

iv、重复以上动作，直到没有应当附加标签的像素为止。

进一步的，步骤S4的（e）中，CMOS影像传感器采用1/3 – inch的CMOS影像传感器，焦距搭配2.1mm镜头，可视水平角度为97.6度，俯仰角度约为81.2度。

进一步的，步骤S4的（f）中，修整移动速度的具体步骤包括：

I、此时目标物在影像中心，如图6所示，以二维坐标为圆点，新增一个目标物4倍面积的区域；

II、新增区域与圆点分出一个四象限出来，如果目标物偏移任一一个象限，可以根据各象限的像素灰阶值加总做运算，计算出偏移的（x，y）值，公式如下：

；

其中，S(x,y)为偏移速度，PDch1-ch4为各象限的像素灰阶值加总，Kp为调整速度因子，会根据镜头焦距不同而需要做调整，根据计算出的偏移速度，可以及时修正实际目标速度，达到及时的追踪。

本发明的自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元，在自动观星追踪前不需要对望远镜托架进行天体校正，可以透过内部GPS单元、九轴传感器单元，得到天体目标的具体位置，再控制望远镜托架移动到目标物大致方位后，由CMOS影像传感器单元做影像处理回授控制，从而实现日夜两用自动观星的智能效果。

本发明通过CMOS影像传感器单元对天体目标的影像处理，对临界值做二值化处理，透过先收缩后膨胀的方式，去除二值化杂讯，然后对影像特征参数分割，根据天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到他标准偏移量，最后将调整偏移量换算至实际可视角度，直接控制望远镜托架移动相应角度，从而开始追踪目标物，加入影像回授控制持续修正移动速度，使用CMOS原始影像的灰阶值，并以四象限调控方向进行修正，根据计算出的偏移速度，即使修正实际目标速度，达到即使追踪目标星体，提高调节精准度，保证自动观星过程中的及时精准追踪效果。

本发明中未全部公开的内容为本领域技术人员公知的现有常识，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种日夜两用自动观星方法，其特征在于： 具体步骤包括：

S1、定位自动观星装置：将自动观星装置安装在望远镜的寻星镜位置，将自动观星装置调整至与望远镜同轴，所述自动观星装置包括记忆体单元、无线模组单元、CMOS影像传感器单元、九轴传感器单元、控制芯片单元以及GPS单元；

S2、校正望远镜绝对坐标位置：GPS进行定位，将九轴传感器换算为三维角度，其中九轴传感器监测到的仰俯角以及偏摆角对应代表望远镜所在地坪坐标系的仰俯角及方位角，从而根据九轴传感器监测到的角度来校正望远镜的绝对坐标位置；

S3、天体目标定位：操作者选择欲观测的天体目标，借由GPS定位成功后的资讯，得到该天体目标的坐标位置，自动观星装置通过有线或无线的方式控制转动望远镜托架，使天体目标靠近自动观星装置的CMOS影像传感器单元位置；

S4、天体目标的影像处理：

（a）、抓取天体目标的一张影像，将该影像做成直条图，再通过自动临界值法，寻找合适的临界值，公式为

；

其中，m0、m1、m2分别是全体、物体1、物体2的平均灰阶值，而n1、n2分别是物体1和物体2的像素数，σ则是所需要的临界值，可用此临界值做二值化使用；

（b）、透过先收缩后膨胀的方式，去除二值化后的杂讯；

（c）、进行影像特征参数分割，将二值化后的影像做标签化，即将相连的像素做相同的标签；标签完成后，可以根据每个标签的特征找出天体目标，以月亮为例，可以根据月亮的面积、真圆度、周长来判断，面积即是相同边签的像素总和，真圆度公式为：e = 4πs/c ²，其中，e为真圆度，s为面积，c为周长；

（d）、找到天体目标后，依照天体目标的重心位置和CMOS影像的中心点得到需要调整的偏移量，重心位置取得的方式即天体目标所有标签位置(xi,yi)(i = 0,..,n-1)的平均值，公式表示如下:

；

其中(x_avg,y_avg)为目标所有标签的重心位置，n为目标标签的总数；

而CMOS影像的中心点，即是二维坐标的(x₀,y₀) ，所以目标与中心的偏移量 (x_offset,y_offset) 公式表示如下:

；

（e）、将偏移量二维坐标（x_offset，y_offset）换算至实际可视角度，CMOS影像传感器的整体可视角度，公式为:

，/>

；

其中AoV为可视角度，h为CMOS尺寸，f为焦距长；

由于望远镜转度以其为中心进行的圆周转动，所以实际偏移可视角度公式为：

；

根据实际偏移可视角度θ(rx,ry)，可以直接控制托架移动相应角度，完成影像回授控制的工作；

（f）、完成目标物至影像中心后，可以开始追踪目标物，计算出目标物此时此地的移动速度，并控制托架以相同速度与方向追踪，此时会加入影像回授控制持续修正移动速度。

2.根据权利要求1所述一种日夜两用自动观星方法，其特征在于：所述步骤S4的（a）中，影像以灰阶，1280 x 960像素做处理。

3.根据权利要求2所述一种日夜两用自动观星方法，其特征在于：所述步骤S4的（b）中，所述收缩是指某像素的邻近像素中，若有一个像素为0，则该像素也为0，所谓膨胀是指某像素的邻近像素中，若有一个像素为1，则该像素为1。

4.根据权利要求3所述一种日夜两用自动观星方法，其特征在于： 所述步骤S4的（c）中，将二值化后的影像做标签化的具体步骤包括，

i、先扫描影像，如果发现没有附加标签的像素P，即附加新的标签；

ii、和像素P相连的像素附加相同的标签号码；

iii、对已附加标签的像素，将与其连接的所有像素，附加相同号码；

iv、重复以上动作，直到没有应当附加标签的像素为止。

5.根据权利要求4所述一种日夜两用自动观星方法，其特征在于：所述步骤S4的（e）中，CMOS影像传感器采用1/3 – inch的CMOS影像传感器，焦距搭配2.1mm镜头，可视水平角度为97.6度，俯仰角度约为81.2度。

6.根据权利要求5所述一种日夜两用自动观星方法，其特征在于：所述步骤S4的（f）中，修整移动速度的具体步骤包括：

I、此时目标物在影像中心，以二维坐标为圆点，新增一个目标物4倍面积的区域；

II、新增区域与圆点分出一个四象限出来，如果目标物偏移任一一个象限，可以根据各象限的像素灰阶值加总做运算，计算出偏移的（x，y）值，公式如下：

；

其中，S(x,y)为偏移速度，PDch1-ch4为各象限的像素灰阶值加总，Kp为调整速度因子，会根据镜头焦距不同而需要做调整，根据计算出的偏移速度，可以及时修正实际目标速度，达到及时的追踪。

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