數字式液浮磁羅盤及其測量姿態角的方法

2023-06-30 07:29:41 1

專利名稱：數字式液浮磁羅盤及其測量姿態角的方法
技術領域：
本發明涉及一種液浮磁羅盤。
背景技術：
磁羅盤是個人導航、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於磁阻原理的固體傳感器，通過mems工藝集成在微娃晶片上。由於mems工藝3D加工能力有限，無法在垂直方向製作高精度的磁傳感器，所以三維微矽磁羅盤傳感器在俯仰角和偏航角大於30°以後，測量解析度和精度下降迅速。液浮磁羅盤，內嵌一個裝有磁針的浮球，浮球與外殼通過一層液膜隔離，根據地磁原理，磁針始終與地磁矢量保持一致。由於液膜可以隔離外殼的幹擾力矩，外殼處於任何狀態都不會影響浮球的運動，也不會降低羅盤的指向性和精度，相對微矽磁羅盤傳感器具有更強的環境適應性和精度。隨著數字光電技術的發展，液浮磁羅盤信息的有效便捷採集，對擴展液浮磁羅盤應用領域，提高個人導航、定位系統的精度及環境適應性具有非常重要的意義
發明內容

本發明目的是提供一種數字式液浮磁羅盤，其解決了微矽磁羅盤在大俯仰角和大偏航角下解析度和精度下降的缺點。本發明的技術解決方案是:一種數字液浮磁羅盤，其特殊之處在於:包括解算單元、臺體1、設置在臺體內的浮球2、設置在浮球2內部已磁化的磁針3、設置在浮球內部且位於磁針3下方的配重塊5、固定在臺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 ;所述浮球與臺體間設置一層非導電液膜；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圓定義為本初子午線8，正交節圓定義為赤道4，所述浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息；所述C攝像頭6、B攝像頭7、A攝像頭9以間隔緯度60度安放在臺體橫剖面上，並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攝像頭分別採集外殼本初子午線上-60°，0° ,60°所對應浮球的色塊圖像，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。一種數字液浮磁羅盤，其特殊之處在於:包括解算單元、臺體1、設置在臺體內的浮球2、設置在浮球2內部已磁化的磁針3、設置在浮球內部且位於磁針3下方的配重塊5、固定在臺體上且正對浮球球心的B攝像頭7 ;所述浮球與臺體間設置一層非導電液膜；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圓定義為本初子午線8，正交節圓定義為赤道4，所述浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息；所述B攝像頭安放在臺體橫剖面上且位於浮球外殼的子午面上，緯度為0°出攝像頭採集外殼本初子午線上0°所對應浮球的色塊圖像；，所述B攝像頭7與解算單元連接。
數字液浮磁羅盤測量姿態角的方法，其特殊之處在於:包括以下步驟:I利用臺體和浮球間的液膜隔離外殼的幹擾力矩，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圓定義為本初子午線8，正交節圓定義為赤道4 ;將浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息；2應用安放在臺體橫剖面上且位於浮球外殼的子午面上的攝像頭，通過採集浮球上的色塊信息，計算浮球的偏航角、俯仰角、橫滾角:2.1偏航角Y測量:當臺體水平旋轉時，浮球在磁針的帶動下沿著赤道逆向旋轉，最終使磁針指向地磁北。同時，臺體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在X軸上橫移。讀取零點赤道上的經度信息，即為偏航角Y ；2.2俯仰角α測量:當臺體縱向旋轉時，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉，。同時,浮球表面的赤道隨之轉動，在攝像頭B內顯示的圖像為赤道以原點為中心轉動。計算過原點的緯線與y軸夾角，即為俯仰角α ;2.3橫滾角β測量:當臺體繞X軸旋轉時，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉。，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在y軸上平移。讀取與零點重合的經線內所對應的維度信息，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個攝像頭，捕捉浮球橫滾角超過±30°時的色塊信息，計算浮球姿態角，並通過框架角坐標變換矩陣換算成赤道攝像頭對應坐標系下的姿態角:
at cos β O sin β α0β； = O I O β0 Y1 - β O cos β γ0式中=CIdPdy τ-----固定框架角坐標系參數；α 0, β 0, γ0——動框架角坐標系參數；β----------動坐標系相對固定坐標系的橫滾角。本專利具有如下優點:1、數位化輸出羅盤信息。應用攝像頭採集液浮羅盤內浮球的姿態圖像，通過對圖像進行分析計算，將磁北極(偏航角)的信息以數字的形式輸出。2、可以測量傾角。浮球在配重塊的作用下，維持磁針始終處於水平面，通過圖像的分析計算，可以計算臺體的傾角(橫滾角和俯仰角)。3、大傾角下輸出。通過3個攝像頭消除高緯度色塊信息量下降的缺點，可以在大傾角(±90° )下提高液浮羅盤位置信號的測量解析度和精度。


圖1是本專利的結構示意圖；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。
具體實施例方式數字式液浮羅盤是運用攝像頭採集液浮羅盤信息的電子產品，包括臺體、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圓定義為本初子午線，正交節圓定義為赤道4，在南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息。攝像頭A、B、C安放在臺體橫剖面上，與浮球外殼所處子午面(YZ平面)重合，緯度分別為-60°，0° ,60° ;每個攝像頭採集浮球的色塊圖像，搜集該區域的經緯度。浮球與臺體之間用非導電的液體隔離幹擾力矩，當浮球內的磁針與地磁北存在偏角時，磁針與地磁場相互作用產生偏轉力矩，驅動浮球旋轉，使浮球內部的磁針指向地磁北。同時配重塊在重力的驅動下，始終維持磁針所在赤道平面處於水平面。I]本發明原理如下:1.1]偏航角Y (磁北極)測量:當臺體水平旋轉時，浮球在磁針的帶動下沿著赤道逆向旋轉(Ζ軸)，最終使磁針指向地磁北。同時，臺體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在X軸上橫移。讀取零點赤道上的經度信息，即為偏航角Y。1.2]俯仰角α (傾角縱向分量)測量:當臺體縱向旋轉時,浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉，。同時，浮球表面的赤道隨之轉動，在攝像頭B內顯示的圖像為赤道以原點為中心轉動。計算過原點的緯線與I軸夾角，即為俯仰角α。1.3]橫滾角β (傾角橫向分量)測量:當臺體繞X軸旋轉時，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉。，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在y軸上平移。讀取與零點重合的經線內所對應的維度信息，即為橫滾角β。1.4]全角度測量:當臺體任意旋轉時，浮球在磁針和配重塊的帶動下旋轉而最終穩定，根據框架角坐標系的定義，可以將臺體的轉動分解為俯仰、橫滾和偏航。讀取攝像頭B內經緯線信息，計算過原點的緯線與7軸夾角為俯仰角α，該緯線與原點交點的維度信息為橫滾角β，該點的經度信息為偏航角Y。1.5]大傾角測量:當橫滾角β超過±30°時,浮球色帶進入攝像頭A或C的讀取範圍，通過框架角坐標變換矩陣，可以將攝像頭A或C讀取的框架角信息轉換成與攝像頭B定義固定坐標系一致的框架角信息。具體公式如下:
權利要求
1.一種數字液浮磁羅盤，其特徵在於:包括解算單元、臺體(I)、設置在臺體內的浮球(2)、設置在浮球(2)內部已磁化的磁針(3)、設置在浮球內部且位於磁針(3)下方的配重塊(5)、固定在臺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);所述浮球與臺體間設置一層非導電液膜；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圓定義為本初子午線(8)，正交節圓定義為赤道(4)，所述浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息；所述C攝像頭(6)、B攝像頭(7)、A攝像頭(9)以間隔緯度60度安放在臺體橫剖面上，並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)攝像頭分別採集外殼本初子午線上-60°，0°，60°所對應浮球的色塊圖像，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。
2.一種數字液浮磁羅盤，其特徵在於:包括解算單元、臺體(I)、設置在臺體內的浮球(2)、設置在浮球(2)內部已磁化的磁針(3)、設置在浮球內部且位於磁針(3)下方的配重塊(5)、固定在臺體上且正對浮球球心的B攝像頭(7);所述浮球與臺體間設置一層非導電液膜；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圓定義為本初子午線(8)，正交節圓定義為赤道(4)，所述浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息；所述B攝像頭安放在臺體橫剖面上且位於浮球外殼的子午面上，緯度為0°出攝像頭採集外殼本初子午線上0°所對應浮球的色塊圖像；，所述B攝像頭(7)與解算單元連接。
3.採用權利要求 1或2所述數字液浮磁羅盤測量姿態角的方法，其特徵在於:包括以下步驟: I利用臺體和浮球間的液膜隔離外殼的幹擾力矩，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圓定義為本初子午線(8)，正交節圓定義為赤道(4);將浮球表面南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息； 2應用安放在臺體橫剖面上且位於浮球外殼的子午面上的攝像頭，通過採集浮球上的色塊信息，計算浮球的偏航角、俯仰角、橫滾角: 2.1偏航角Y測量:當臺體水平旋轉時，浮球在磁針的帶動下沿著赤道逆向旋轉，最終使磁針指向地磁北。同時，臺體上的攝像頭B繞浮球表面的赤道色帶旋轉，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在X軸上橫移。讀取零點赤道上的經度信息，即為偏航角Y ; 2.2俯仰角α測量:當臺體縱向旋轉時，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉，。同時，浮球表面的赤道隨之轉動，在攝像頭B內顯示的圖像為赤道以原點為中心轉動。計算過原點的緯線與y軸夾角，即為俯仰角α ; 2.3橫滾角β測量:當臺體繞X軸旋轉時，浮球在磁針和配重塊作用下最終指向重力方向，臺體繞穩定浮球帶動攝像頭B沿Y軸逆向旋轉。，在攝像頭B內顯示的圖像為經線在y軸上平移。讀取與零點重合的經線內所對應的維度信息，即為橫滾角β。
4.根據權利要求3所述的數字液浮磁羅盤測量姿態角的方法，其特徵在於:所述步驟2中還可在子午面±60°緯度上添加2個攝像頭，捕捉浮球橫滾角超過±30°時的色塊信息，計算浮球姿態角，並通過框架角坐標變換矩陣換算成赤道攝像頭對應坐標系下的姿態角:
全文摘要
本發明涉及一種數字式液浮羅盤，包括臺體、三個攝像頭、浮液、浮球。三個攝像頭安放在臺體橫剖面上，與浮球零位位置時所處子午面(YZ平面)重合，每個攝像頭採集浮球經緯度±30°範圍的圖像。在南北緯30°內噴塗均勻分布的不同顏色的色塊，每個色塊通過色度和灰度定義標記自身所處位置的經緯度信息。本發明數字液浮磁羅盤測量姿態角的方法，通過在浮球與臺體之間非導電的液體隔離幹擾力矩，當浮球內的磁針與地磁北存在偏角時，磁針與地磁場相互作用產生偏轉力矩，驅動浮球旋轉，使浮球內部的磁針指向地磁北；應用3個攝像頭採集液浮羅盤的偏航角、俯仰角和橫滾角信息，在大傾角下維持穩定測量精度，相對mems磁羅盤具有更大。
文檔編號G01C17/08GK103234532SQ20131012372
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月10日 優先權日2013年4月10日
發明者王珊珊, 黃銘, 金寵, 李三忠 申請人:黃銘, 金寵, 王珊珊, 李三忠