專利名稱：數(shù)字式液浮磁羅盤及其測量姿態(tài)角的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液浮磁羅盤。
背景技術(shù)：
磁羅盤是個(gè)人導(dǎo)航、定位儀器中最重要的傳感器，目前主流的磁羅盤傳感器是基于磁阻原理的固體傳感器，通過mems工藝集成在微娃芯片上。由于mems工藝3D加工能力有限，無法在垂直方向制作高精度的磁傳感器，所以三維微硅磁羅盤傳感器在俯仰角和偏航角大于30°以后，測量分辨率和精度下降迅速。液浮磁羅盤，內(nèi)嵌一個(gè)裝有磁針的浮球，浮球與外殼通過一層液膜隔離，根據(jù)地磁原理，磁針始終與地磁矢量保持一致。由于液膜可以隔離外殼的干擾力矩，外殼處于任何狀態(tài)都不會(huì)影響浮球的運(yùn)動(dòng)，也不會(huì)降低羅盤的指向性和精度，相對微硅磁羅盤傳感器具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和精度。隨著數(shù)字光電技術(shù)的發(fā)展，液浮磁羅盤信息的有效便捷采集，對擴(kuò)展液浮磁羅盤應(yīng)用領(lǐng)域，提高個(gè)人導(dǎo)航、定位系統(tǒng)的精度及環(huán)境適應(yīng)性具有非常重要的意義
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種數(shù)字式液浮磁羅盤，其解決了微硅磁羅盤在大俯仰角和大偏航角下分辨率和精度下降的缺點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種數(shù)字液浮磁羅盤，其特殊之處在于:包括解算單元、臺(tái)體1、設(shè)置在臺(tái)體內(nèi)的浮球2、設(shè)置在浮球2內(nèi)部已磁化的磁針3、設(shè)置在浮球內(nèi)部且位于磁針3下方的配重塊5、固定在臺(tái)體上且正對浮球球心的C攝像頭6、B攝像頭7、A攝像頭9 ;所述浮球與臺(tái)體間設(shè)置一層非導(dǎo)電液膜；所述浮球表面配重塊重心定義為南極，磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線8，正交節(jié)圓定義為赤道4，所述浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息；所述C攝像頭6、B攝像頭7、A攝像頭9以間隔緯度60度安放在臺(tái)體橫剖面上，并與浮球外殼的子午面重合，緯度分別為-60°，0° ,60° ;所述C攝像頭6、B攝像頭7、A攝像頭9攝像頭分別采集外殼本初子午線上-60°，0° ,60°所對應(yīng)浮球的色塊圖像，所述C攝像頭6、B攝像頭
7、A攝像頭9分別與解算單元連接。一種數(shù)字液浮磁羅盤，其特殊之處在于:包括解算單元、臺(tái)體1、設(shè)置在臺(tái)體內(nèi)的浮球2、設(shè)置在浮球2內(nèi)部已磁化的磁針3、設(shè)置在浮球內(nèi)部且位于磁針3下方的配重塊5、固定在臺(tái)體上且正對浮球球心的B攝像頭7 ;所述浮球與臺(tái)體間設(shè)置一層非導(dǎo)電液膜；所述浮球表面配重塊重心定義為南極，磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線8，正交節(jié)圓定義為赤道4，所述浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息；所述B攝像頭安放在臺(tái)體橫剖面上且位于浮球外殼的子午面上，緯度為0°出攝像頭采集外殼本初子午線上0°所對應(yīng)浮球的色塊圖像；，所述B攝像頭7與解算單元連接。
數(shù)字液浮磁羅盤測量姿態(tài)角的方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:I利用臺(tái)體和浮球間的液膜隔離外殼的干擾力矩，利用浮球表面配重塊重心定義為南極，將磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線8，正交節(jié)圓定義為赤道4 ;將浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息；2應(yīng)用安放在臺(tái)體橫剖面上且位于浮球外殼的子午面上的攝像頭，通過采集浮球上的色塊信息，計(jì)算浮球的偏航角、俯仰角、橫滾角:2.1偏航角Y測量:當(dāng)臺(tái)體水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針的帶動(dòng)下沿著赤道逆向旋轉(zhuǎn)，最終使磁針指向地磁北。同時(shí)，臺(tái)體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉(zhuǎn)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在X軸上橫移。讀取零點(diǎn)赤道上的經(jīng)度信息，即為偏航角Y ；2.2俯仰角α測量:當(dāng)臺(tái)體縱向旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)，。同時(shí),浮球表面的赤道隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為赤道以原點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算過原點(diǎn)的緯線與y軸夾角，即為俯仰角α ;2.3橫滾角β測量:當(dāng)臺(tái)體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)。，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在y軸上平移。讀取與零點(diǎn)重合的經(jīng)線內(nèi)所對應(yīng)的維度信息，即為橫滾角β。上述步驟2中還可在子午面 ±60°緯度上添加2個(gè)攝像頭，捕捉浮球橫滾角超過±30°時(shí)的色塊信息，計(jì)算浮球姿態(tài)角，并通過框架角坐標(biāo)變換矩陣換算成赤道攝像頭對應(yīng)坐標(biāo)系下的姿態(tài)角:
at cos β O sin β α0β； = O I O β0 Y1 - β O cos β γ0式中=CIdPdy τ-----固定框架角坐標(biāo)系參數(shù)；α 0, β 0, γ0——?jiǎng)涌蚣芙亲鴺?biāo)系參數(shù)；β----------動(dòng)坐標(biāo)系相對固定坐標(biāo)系的橫滾角。本專利具有如下優(yōu)點(diǎn):1、數(shù)字化輸出羅盤信息。應(yīng)用攝像頭采集液浮羅盤內(nèi)浮球的姿態(tài)圖像，通過對圖像進(jìn)行分析計(jì)算，將磁北極(偏航角)的信息以數(shù)字的形式輸出。2、可以測量傾角。浮球在配重塊的作用下，維持磁針始終處于水平面，通過圖像的分析計(jì)算，可以計(jì)算臺(tái)體的傾角(橫滾角和俯仰角)。3、大傾角下輸出。通過3個(gè)攝像頭消除高緯度色塊信息量下降的缺點(diǎn)，可以在大傾角(±90° )下提高液浮羅盤位置信號(hào)的測量分辨率和精度。


圖1是本專利的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本專利偏航角的測試原理圖；圖3是本專利橫滾角的測試原理圖；圖4是本專利俯仰角的測試原理圖5是本專利全角度的測試原理圖。其中:1-臺(tái)體，2-浮球，3-磁針，4-赤道，5-配重塊，6-攝像頭C，7-攝像頭B，8_本初子午線，9-攝像頭A。
具體實(shí)施例方式數(shù)字式液浮羅盤是運(yùn)用攝像頭采集液浮羅盤信息的電子產(chǎn)品，包括臺(tái)體、攝像頭A、攝像頭B、攝像頭C、浮液、浮球。浮球表面配重塊重心定義為南極，磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線，正交節(jié)圓定義為赤道4，在南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息。攝像頭A、B、C安放在臺(tái)體橫剖面上，與浮球外殼所處子午面(YZ平面)重合，緯度分別為-60°，0° ,60° ;每個(gè)攝像頭采集浮球的色塊圖像，搜集該區(qū)域的經(jīng)緯度。浮球與臺(tái)體之間用非導(dǎo)電的液體隔離干擾力矩，當(dāng)浮球內(nèi)的磁針與地磁北存在偏角時(shí)，磁針與地磁場相互作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)浮球旋轉(zhuǎn)，使浮球內(nèi)部的磁針指向地磁北。同時(shí)配重塊在重力的驅(qū)動(dòng)下，始終維持磁針?biāo)诔嗟榔矫嫣幱谒矫妗]本發(fā)明原理如下:1.1]偏航角Y (磁北極)測量:當(dāng)臺(tái)體水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針的帶動(dòng)下沿著赤道逆向旋轉(zhuǎn)(Ζ軸)，最終使磁針指向地磁北。同時(shí)，臺(tái)體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉(zhuǎn)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在X軸上橫移。讀取零點(diǎn)赤道上的經(jīng)度信息，即為偏航角Y。1.2]俯仰角α (傾角縱向分量)測量:當(dāng)臺(tái)體縱向旋轉(zhuǎn)時(shí),浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)，。同時(shí)，浮球表面的赤道隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為赤道以原點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算過原點(diǎn)的緯線與I軸夾角，即為俯仰角α。1.3]橫滾角β (傾角橫向分量)測量:當(dāng)臺(tái)體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)。，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在y軸上平移。讀取與零點(diǎn)重合的經(jīng)線內(nèi)所對應(yīng)的維度信息，即為橫滾角β。1.4]全角度測量:當(dāng)臺(tái)體任意旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)而最終穩(wěn)定，根據(jù)框架角坐標(biāo)系的定義，可以將臺(tái)體的轉(zhuǎn)動(dòng)分解為俯仰、橫滾和偏航。讀取攝像頭B內(nèi)經(jīng)緯線信息，計(jì)算過原點(diǎn)的緯線與7軸夾角為俯仰角α，該緯線與原點(diǎn)交點(diǎn)的維度信息為橫滾角β，該點(diǎn)的經(jīng)度信息為偏航角Y。1.5]大傾角測量:當(dāng)橫滾角β超過±30°時(shí),浮球色帶進(jìn)入攝像頭A或C的讀取范圍，通過框架角坐標(biāo)變換矩陣，可以將攝像頭A或C讀取的框架角信息轉(zhuǎn)換成與攝像頭B定義固定坐標(biāo)系一致的框架角信息。具體公式如下:
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字液浮磁羅盤，其特征在于:包括解算單元、臺(tái)體(I)、設(shè)置在臺(tái)體內(nèi)的浮球(2)、設(shè)置在浮球(2)內(nèi)部已磁化的磁針(3)、設(shè)置在浮球內(nèi)部且位于磁針(3)下方的配重塊(5)、固定在臺(tái)體上且正對浮球球心的C攝像頭(6)、B攝像頭(7)、A攝像頭(9);所述浮球與臺(tái)體間設(shè)置一層非導(dǎo)電液膜；所述浮球表面配重塊重心定義為南極，磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線(8)，正交節(jié)圓定義為赤道(4)，所述浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息；所述C攝像頭(6)、B攝像頭(7)、A攝像頭(9)以間隔緯度60度安放在臺(tái)體橫剖面上，并與浮球外殼的子午面重合，緯度分別為-60°，0° ,60° ;所述C攝像頭(6)、B攝像頭(7)、A攝像頭(9)攝像頭分別采集外殼本初子午線上-60°，0°，60°所對應(yīng)浮球的色塊圖像，所述C攝像頭(6)、B攝像頭(7)、A攝像頭(9)分別與解算單兀連接。
2.一種數(shù)字液浮磁羅盤，其特征在于:包括解算單元、臺(tái)體(I)、設(shè)置在臺(tái)體內(nèi)的浮球(2)、設(shè)置在浮球(2)內(nèi)部已磁化的磁針(3)、設(shè)置在浮球內(nèi)部且位于磁針(3)下方的配重塊(5)、固定在臺(tái)體上且正對浮球球心的B攝像頭(7);所述浮球與臺(tái)體間設(shè)置一層非導(dǎo)電液膜；所述浮球表面配重塊重心定義為南極，磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線(8)，正交節(jié)圓定義為赤道(4)，所述浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息；所述B攝像頭安放在臺(tái)體橫剖面上且位于浮球外殼的子午面上，緯度為0°出攝像頭采集外殼本初子午線上0°所對應(yīng)浮球的色塊圖像；，所述B攝像頭(7)與解算單元連接。
3.采用權(quán)利要求 1或2所述數(shù)字液浮磁羅盤測量姿態(tài)角的方法，其特征在于:包括以下步驟: I利用臺(tái)體和浮球間的液膜隔離外殼的干擾力矩，利用浮球表面配重塊重心定義為南極，將磁針與南極所處球面節(jié)圓定義為本初子午線(8)，正交節(jié)圓定義為赤道(4);將浮球表面南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息； 2應(yīng)用安放在臺(tái)體橫剖面上且位于浮球外殼的子午面上的攝像頭，通過采集浮球上的色塊信息，計(jì)算浮球的偏航角、俯仰角、橫滾角: 2.1偏航角Y測量:當(dāng)臺(tái)體水平旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針的帶動(dòng)下沿著赤道逆向旋轉(zhuǎn)，最終使磁針指向地磁北。同時(shí)，臺(tái)體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉(zhuǎn)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在X軸上橫移。讀取零點(diǎn)赤道上的經(jīng)度信息，即為偏航角Y ; 2.2俯仰角α測量:當(dāng)臺(tái)體縱向旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)，。同時(shí)，浮球表面的赤道隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為赤道以原點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算過原點(diǎn)的緯線與y軸夾角，即為俯仰角α ; 2.3橫滾角β測量:當(dāng)臺(tái)體繞X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺(tái)體繞穩(wěn)定浮球帶動(dòng)攝像頭B沿Y軸逆向旋轉(zhuǎn)。，在攝像頭B內(nèi)顯示的圖像為經(jīng)線在y軸上平移。讀取與零點(diǎn)重合的經(jīng)線內(nèi)所對應(yīng)的維度信息，即為橫滾角β。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)字液浮磁羅盤測量姿態(tài)角的方法，其特征在于:所述步驟2中還可在子午面±60°緯度上添加2個(gè)攝像頭，捕捉浮球橫滾角超過±30°時(shí)的色塊信息，計(jì)算浮球姿態(tài)角，并通過框架角坐標(biāo)變換矩陣換算成赤道攝像頭對應(yīng)坐標(biāo)系下的姿態(tài)角:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字式液浮羅盤，包括臺(tái)體、三個(gè)攝像頭、浮液、浮球。三個(gè)攝像頭安放在臺(tái)體橫剖面上，與浮球零位位置時(shí)所處子午面(YZ平面)重合，每個(gè)攝像頭采集浮球經(jīng)緯度±30°范圍的圖像。在南北緯30°內(nèi)噴涂均勻分布的不同顏色的色塊，每個(gè)色塊通過色度和灰度定義標(biāo)記自身所處位置的經(jīng)緯度信息。本發(fā)明數(shù)字液浮磁羅盤測量姿態(tài)角的方法，通過在浮球與臺(tái)體之間非導(dǎo)電的液體隔離干擾力矩，當(dāng)浮球內(nèi)的磁針與地磁北存在偏角時(shí)，磁針與地磁場相互作用產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)浮球旋轉(zhuǎn)，使浮球內(nèi)部的磁針指向地磁北；應(yīng)用3個(gè)攝像頭采集液浮羅盤的偏航角、俯仰角和橫滾角信息，在大傾角下維持穩(wěn)定測量精度，相對mems磁羅盤具有更大。
文檔編號(hào)G01C17/08GK103234532SQ20131012372
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者王珊珊, 黃銘, 金寵, 李三忠 申請人:黃銘, 金寵, 王珊珊, 李三忠