太阳城集团

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一种太阳敏感器及其进行姿态测量的方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201410255407.9

申请日:

2014.06.10

公开号:

CN103983237A

公开日:

2014.08.13

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 1/00申请日:20140610|||公开
IPC分类号: G01C1/00 主分类号: G01C1/00
申请人: 北京航空航天大学
发明人: 樊巧云; 高鑫洋; 张广军
地址: 100083 北京市海淀区学院路37号
优先权:
专利代理机构: 北京派特恩知识产权代理有限公司 11270 代理人: 张颖玲;王黎延
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法律状态
申请(专利)号:

CN201410255407.9

授权太阳城集团号:

||||||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2019.02.19|||2017.03.01|||2014.08.13

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明公开了一种太阳敏感器,包括:光学掩膜,带有V字形狭缝,用于通过所述V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到线阵图像传感器;线阵图像传感器,用于对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值到单片机;所述单片机,用于驱动所述线阵图像传感器并逐个读取各像素的模拟电压值;根据各像素的模拟电压值,提取第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。本发明既具有小型化和集成化的结构,又能够快速、精确地测量出太阳光线在两轴方向的姿态角;且功耗低、成本低。

权利要求书

权利要求书
1.  一种太阳敏感器,其特征在于,所述太阳敏感器包括:光学掩膜、线阵图像传感器、单片机;所述线阵图像传感器连接于所述光学掩膜和所述单片机之间;其中,
所述光学掩膜,带有V字形狭缝,用于通过所述V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到所述线阵图像传感器,其中,所述第一条太阳光线及第二条太阳光线在所述线阵图像传感器的成像面上形成两个交点,每个交点在所述成像面上分布多个像素;
所述线阵图像传感器,用于对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值到所述单片机;
所述单片机,用于驱动所述线阵图像传感器并逐个读取各像素的模拟电压值;根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。

2.  根据权利要求1所述的太阳敏感器,其特征在于,所述单片机具体用于:
驱动所述线阵图像传感器并逐个读取各像素的模拟电压值;
通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值;
根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与所述成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及第二条太阳光线与所述成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团;
根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,并结合太阳敏感器的成像模型测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。

3.  根据权利要求1或2所述的太阳敏感器,其特征在于,所述太阳敏感器还包括:
接口转换芯片,与所述单片机连接,用于将所述太阳光线在两轴方向的姿 态角传输至与所述单片机连接的主计算机。

4.  一种太阳敏感器进行姿态测量的方法,其特征在于,所述方法包括:
通过太阳敏感器中光学掩膜的V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线;
对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值;
根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;
根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。

5.  根据权利要求4所述的方法,其特征在于,所述根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团,包括:
通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值;
根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二条太阳光线与成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团。

6.  根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二条太阳光线与成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团,包括:
预设数字灰度阈值,数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素确认为第一交点或第二交点所在像素,数字灰度值小于所述数字灰度阈值的像素确认为背景像素;
对数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素,按照如下公式提取出所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi为第一交点或第二交点对应的各像素点i的像素坐标,g(xi)表示第一交点或第二交点对应的各像素点i的数字灰度值,n为第一交点或第二交点的像素点总数,x表示提取的第一交点或第二交点在x轴方向的中心位置坐标。

7.  根据权利要求4至6任一项所述的方法,其特征在于,所述根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角,包括:
结合太阳敏感器的成像模型,第一交点相对x轴方向变化时,根据第一交点在x轴方向的中心位置坐标xa,获取沿x轴的相对距离Δxa;第二交点相对x轴方向变化时,根据第二交点在x轴方向的中心位置坐标xb,获取沿x轴的相对距离Δxb;
按公式测量出太阳光线相对x轴方向变化时的姿态角α;
第一交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxc;第二交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxd;
按公式测量出太阳光线相对y轴方向变化时的姿态角β;其中,h为光学掩膜平面与成像面之间的距离。

8.  根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:考虑误差补偿模型时,根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,并按照如下公式测算出太阳光线在两轴方向的姿态角:
α=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxa-x0)+(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxb-x0)2h)+α0]]>
β=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxc-x0)-(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxd-x0)2htanδ/2)+β0]]>
其中,δ为所述V字形狭缝的夹角;O0(x0,0)为所述V字形狭缝的几何中心 透射在成像面的坐标;h为光学掩膜平面与成像面之间的距离;所述成像面在x、y轴方向上的倾斜误差夹角分别记为α0、β0,绕z轴的旋转误差夹角记为

说明书

说明书一种太阳敏感器及其进行姿态测量的方法
技术领域
本发明涉及航空航天领域姿态测量控制系统中的姿态测量技术,尤其涉及一种太阳敏感器及其进行姿态测量的方法。
背景技术
太阳敏感器是卫星上重要的姿态测量光学敏感器;太阳敏感器通过测量太阳相对卫星本体坐标系的位置来确定卫星的姿态,从而为卫星的姿态定位提供参考。
现有技术中,太阳敏感器按工作原理主要可分为如下几种:基于光电池的模拟式太阳敏感器、基于光电码盘的编码式太阳敏感器、基于二维线阵式图像传感器的数字太阳敏感器、余弦式太阳敏感器、基于面阵图像传感器的面阵式数字太阳敏感器和微型面阵式数字太阳敏感器等。
发明人在实现本发明的过程中,发现现有的太阳敏感器至少存在以下缺陷:
1)模拟式太阳敏感器、编码式太阳敏感器、基于二维线阵式图像传感器的数字式太阳敏感器三种敏感器的重量一般在500g以上,体积与功耗较大、精度低,且容易受地球反照光等杂光的影响。
2)余弦式太阳敏感器,其小型化指标适合微小卫星应用,但是精度太低,且容易受地球反照光等杂光影响,工作可靠性低。
3)随着电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)技术的日益成熟,以面阵CCD或CMOS为图像传感器的面阵式数字太阳敏感器逐渐取代了模拟式太阳敏感器,面阵式数字太阳敏感器不易受杂光干扰,且精度高,重量、体积较模拟式太阳敏感器有了较大幅度的降低,其重量一般在200g-300g,但是对 于微小卫星,其体积和重量还是太大了,而且其成本较高,不适合低成本、中低精度的微小卫星应用;为了满足微小卫星的应用要求,研制出了重量只有几十克的微型面阵式数字太阳敏感器,但微型面阵式数字太阳敏感器需要特殊的光电集成工艺,关键芯片需要定制,且芯片定制成本高,从而使这种太阳敏感的使用受到限制。
由此可见,目前亟需一种重量轻、功耗低、成本低且精度高的太阳敏感器,能够应用于纳卫星、皮卫星等微小卫星的姿态测量与控制系统之中。
发明内容
有鉴于此,本发明实施例期望提供一种太阳敏感器及其进行姿态测量的方法,既具有小型化和集成化的结构,又能够快速、精确地测量出太阳光线的姿态角;且功耗低、成本低。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供了一种太阳敏感器,该太阳敏感器包括:光学掩膜、线阵图像传感器、单片机;所述线阵图像传感器连接于所述光学掩膜和所述单片机之间;其中,
所述光学掩膜,带有V字形狭缝,用于通过所述V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到所述线阵图像传感器,其中,所述第一条太阳光线及第二条太阳光线在所述线阵图像传感器的成像面上形成两个交点,每个交点在所述成像面上分布多个像素;
所述线阵图像传感器,用于对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值到所述单片机;
所述单片机,用于驱动所述线阵图像传感器并逐个读取各像素的模拟电压值;根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
上述方案中,所述单片机具体用于:
驱动所述线阵图像传感器并逐个读取各像素的模拟电压值;
通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值;
根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与所述成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及第二条太阳光线与所述成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团;
根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,并结合太阳敏感器的成像模型测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
上述方案中,所述太阳敏感器还包括:
接口转换芯片,与所述单片机连接,用于将所述太阳光线在两轴方向的姿态角传输至与所述单片机连接的主计算机。
基于上述的太阳敏感器,本发明实施例还提供了一种太阳敏感器进行姿态测量的方法,该方法包括:
通过太阳敏感器中光学掩膜的V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线;
对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值;
根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;
根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
上述方案中,所述根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团,包括:
通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值;
根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二条太阳光线与成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团。
上述方案中,所述根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二条太阳光线与成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团,包括:
预设数字灰度阈值,数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素确认为第一交点或第二交点所在像素,数字灰度值小于所述数字灰度阈值的像素确认为背景像素;
对数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素,按照如下公式提取出所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi为第一交点或第二交点对应的各像素点i的像素坐标,g(xi)表示第一交点或第二交点对应的各像素点i的数字灰度值,n为第一交点或第二交点的像素点总数,x表示提取的第一交点或第二交点在x轴方向的中心位置坐标。
上述方案中,所述根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角,包括:
结合太阳敏感器的成像模型,第一交点相对x轴方向变化时,根据第一交点在x轴方向的中心位置坐标xa,获取沿x轴的相对距离Δxa;第二交点相对x轴方向变化时,根据第二交点在x轴方向的中心位置坐标xb,获取沿x轴的相对距离Δxb;
按公式测量出太阳光线相对x轴方向变化时的姿态角α;
第一交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxc;第二交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxd;
按公式测量出太阳光线相对y轴方向变化时的姿态角β;其中,h为光学掩膜平面与成像面之间的距离。
上述方案中,所述方法还包括:考虑误差补偿模型时,根据所述第一交点 的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,并按照如下公式测算出太阳光线在两轴方向的姿态角:
α=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxa-x0)+(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxb-x0)2h)+α0]]>
β=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxc-x0)-(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxd-x0)2htanδ/2)+β0]]>
其中,δ为所述V字形狭缝的夹角;O0(x0,0)为所述V字形狭缝的几何中心透射在成像面的坐标;h为光学掩膜平面与成像面之间的距离;所述成像面在x、y轴方向上的倾斜误差夹角分别记为α0、β0,绕z轴的旋转误差夹角记为
本发明实施例所提供的太阳敏感器及其进行姿态测量的方法,与现有技术相比,取得了如下进步:
1)本发明实施例采用的光学掩膜、线阵图像传感器与51系列单片机均为小型化器件、重量轻、体积小,且高度集成化,具体的,本发明实施例中太阳敏感器的重量为23g、体积为34mm×34mm×15mm、功耗为100mW;从而使本发明实施例的太阳敏感器在结构方面具有小型化和集成化的优点。
2)本发明实施例采用51系列单片机技术实现逻辑控制和姿态测量,由于51系列单片机的处理速度快,因此,本发明实施例中太阳敏感器的数据更新率大于10Hz;另外,本发明实施例中考虑了误差补充模型,从而使太阳敏感器的精度达到0.05°(RMS)。综上所述,本发明实施例的太阳敏感器在性能方面能够达到速度快、精度高且功耗低的效果。
附图说明
图1为本发明实施例太阳敏感器的结构示意图;
图2为本发明实施例太阳敏感器进行姿态测量的方法流程示意图;
图3为本发明实施例太阳光线在V字形狭缝的两条狭缝同时以最大角度入 射的示意图;
图4为本发明实施例单片机驱动线阵图像传感器的驱动时序示意图;
图5a为本发明实施例太阳光线相对x轴方向变化时的示意图;
图5b为本发明实施例太阳光线相对y轴方向变化时的示意图;
图6a为本发明实施例线阵图像传感器的成像面在x、y轴方向上的倾斜误差夹角示意图;
图6b为本发明实施例线阵图像传感器的成像面在z轴方向上的旋转误差夹角示意图。
具体实施方式
本发明实施例中,通过太阳敏感器中光学掩膜的V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线;对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值;根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。如此,本发明实施例能快速且精确地测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
图1为本发明实施例中提供的太阳敏感器的结构示意图,如图1所示,该太阳敏感器包括:光学掩膜100、线阵图像传感器101、单片机102;所述线阵图像传感器101连接于所述光学掩膜100和所述单片机102之间;其中,
所述光学掩膜100,带有V字形狭缝,用于通过所述V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到所述线阵图像传感器,其中,所述第一条太阳光线及第二条太阳光线在所述线阵图像传感器的成像面上形成两个交点,每个交点在所述成像面上分布多个像素;
所述线阵图像传感器101,用于对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值到所述单片机102;
所述单片机102,用于驱动所述线阵图像传感器101并逐个读取各像素的模拟电压值;根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
进一步地,所述太阳敏感器还包括:
接口转换芯片103,与所述单片机相连接,用于将所述太阳光线在两轴方向的姿态角传输至与所述单片机102连接的主计算机。
本发明实施例对接口转换芯片103的型号不作具体限定,可根据实际需求设定;优选的,可采用RS-485接口转换芯片,能够方便且可靠地将所述太阳光线在两轴方向的姿态角传输至主计算机。
上述太阳敏感器以所述单片机102为信号处理核心,本发明实施例提供的太阳敏感器进行姿态测量过程具体实现如下所述:
首先,所述光学掩膜100通过自身带有的V字形狭缝的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线及第二条太阳光线到所述线阵图像传感器101;太阳敏感器上电后,所述单片机102进行初始化,初始化结束后按照线阵图像传感器的驱动时序要求输出驱动信号;
所述线阵图像传感器101受所述单片机102驱动,对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值,同时所述单片机102读取各像素的模拟电压值;
然后,所述单片机102通过模数转换模块将各像素模拟电压值转换为数字灰度值;
最后,所述单片机102根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线对应的第二交点的中心位置太阳城集团;根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,并结合太阳敏感器的成像模型测算出太阳光线在两轴方向的姿态角,按照与所述主计算机的串口协议通过接口转换芯片103将所述太 阳光线在两轴方向的姿态角传输至主计算机。
基于上述的太阳敏感器,本发明实施例提出的一种太阳敏感器进行姿态测量的方法,如图2所示,该方法包括:
步骤S200:通过太阳敏感器中光学掩膜100的V字形狭缝200的两条缝分别滤波并引入第一条太阳光线201及第二条太阳光线202。
本步骤采用带有V字形狭缝的光学掩膜100实现,所述光学掩膜100通过所述V字形狭缝200的两条缝分别对第一条太阳光线201及第二条太阳光线202进行滤波后透射到线阵图像传感器101。
具体的,所述光学掩膜100通过自身带有的V字形狭缝200的两条缝分别对第一条太阳光线201及第二条太阳光线202进行滤波,使其满足所述线阵图像传感器101在正常工作状态下对光强的需求;滤波后的第一条太阳光线201及第二条太阳光线202透射到所述线阵CCD像传感器101上,与所述线阵图像传感器101的成像面相交形成两个交点,每个交点在所述成像面上分布多个像素。
在实际应用中,所述光学掩膜100应覆盖整个视场范围内,以使通过V字形狭缝200的太阳光线总能透射在所述线阵图像传感器101的成像面上。本发明实施例中所述V字形狭缝的夹角为90°,若考虑通过V字形狭缝200的太阳光线透射在所述线阵图像传感器101的成像面上的极限情况,即:两条太阳光线在V字形狭缝200的两条狭缝同时以最大角度入射,如图3所示,则所述V字形狭缝200的宽度l满足如下关系:
14a/23]]>
其中,a为线阵图像传感器101的长度;
本发明实施例中,若线阵图像传感器101的长度取16.248mm,则据此确定的所述V字形狭缝200的宽度l的最大值为10.832mm;
所述V字形狭缝200的宽度l与所述光学掩膜100到所述线阵图像传感器101的距离h应满足如下关系:
14≥tan(FOV2)*h]]>
其中,FOV为所述光学掩膜100的视场范围;
本发明实施例中,可根据用户实际需求设置光学掩膜100的视场范围,优选的,可以设置光学掩膜100的视场范围为120°×120°,据此确定的h的最小值为1.56mm,这里取1.5mm。
本发明实施例中,根据太阳辐射强度和线阵图像传感器光谱响应曲线,确定所述带有V字形狭缝200的光学掩膜100的透射率为10%。
步骤S201:对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值。
本步骤采用线阵图像传感器101实现,线阵图像传感器分为线阵CCD图像传感器和线阵CMOS图像传感器;优选的,选择体积小、功耗低以及外围处理电路简单的线阵图像传感器;本发明实施例中,采用线阵CCD图像传感器实现。
所述线阵图像传感器101受所述单片机102的驱动,对入射的太阳光线进行光电转换,并逐个输出各像素的模拟电压值到所述单片机102。
下面对所述单片机102如何驱动线阵图像传感器101进行说明。
本发明实施例中,所述单片机102驱动线阵图像传感器101的驱动时序如图4所示,单片机102中在计数器的值与特定寄存器的值相等时,将输出的CLK时钟信号的电平置高,在计数器溢出时,将输出的CLK时钟信号的电平置低,所述单片机102输出CLK时钟信号以驱动线阵图像传感器101,为驱动线阵图像传感器101提供正常工作的时钟信号;单片机102输出的SI信号作为线阵图像传感器101的复位信号,SI信号过后的第18个时钟周期内线阵图像传感器101处于复位状态,从第19个时钟周期至下一个SI信号到来之前的太阳城集团为曝光太阳城集团,若满足在线阵图像传感器101的复位太阳城集团段内进行算法的运行而不影响曝光太阳城集团,则需要延长复位的时长。本发明实施例中,通过对计数器中的比较器的控制,能够满足其时序要求;具体的,当SI信号到来之后,关闭计数器中的比较器,使输出的CLK时钟信号置于低 电平,从而达到延长曝光太阳城集团的目的;若需要重新启动CLK时钟信号,则将计数器中的比较器重新启用。
步骤S202:根据各像素的模拟电压值,提取所述第一条太阳光线201对应的第一交点的中心位置太阳城集团和所述第二条太阳光线202对应的第二交点的中心位置太阳城集团。
本步骤采用单片机102实现;优选的,采用51系列单片机实现。
本步骤中,所述单片机102驱动所述线阵图像传感器101并逐个读取各像素的模拟电压值之后,首先通过模数转换将各像素的模拟电压值转换为数字灰度值;然后根据各像素的数字灰度值及预设的数字灰度阈值,提取所述第一条太阳光线与成像面相交的第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二条太阳光线与成像面相交的第二交点的中心位置太阳城集团,具体实现方式如下:
预设数字灰度阈值,数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素确认为第一交点或第二交点的像素,数字灰度值小于所述数字灰度阈值的像素确认为背景像素;
对数字灰度值大于所述数字灰度阈值的像素,按照如下公式提取出所述第一交点的中心位置太阳城集团,及所述第二交点的中心位置太阳城集团:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi为第一交点或第二交点对应的各像素点i的像素坐标,g(xi)表示第一交点或第二交点对应的各像素点i的数字灰度值,n为第一交点或第二交点的像素点总数,x表示提取的第一交点或第二交点在x轴方向的中心位置坐标。
这里,成像面即为线阵图像传感器101的光电转换平面。
这里,所述单片机102能够自适应地设定数字灰度阈值,预设的数字灰度阈值首先初始化为0,然后向上进行步长为64的粗调,其中,模拟电压最大值所对应的数字灰度值为4096;当预设的数字灰度阈值达到可使所述太阳敏感器找出第一交点或第二交点的临界值时,继而向下进行步长为1的微调,直到再次达到临界值,将此时的数字灰度阈值作为最佳的自适应数字灰度阈值。本发 明实施例中,通过预设合理的数字灰度阈值,能够准确且快速地提取第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团。
步骤S203:根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,测算出太阳光线在两轴方向的姿态角。
本步骤同样采用单片机102实现,并通过接口转换芯片103将所述太阳光线在两轴方向的姿态角传输至主计算机;优选的,采用51系列单片机实现。
本步骤中,根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及所述第二交点的中心位置太阳城集团,并结合太阳敏感器的成像模型测算出太阳光线在两轴方向的姿态角,具体实现方式如下:
如图5a所示,第一交点相对x轴方向变化时,根据第一交点在x轴方向的中心位置坐标xa,获取沿x轴的相对距离Δxa;第二交点相对x轴方向变化时,根据第二交点在x轴方向的中心位置坐标xb,获取沿x轴的相对距离Δxb;
按公式测量出太阳光线相对x轴方向变化时的姿态角α;
如图5b所示,第一交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxc;第二交点相对y轴方向变化时,获取沿x轴的相对距离Δxd;
按公式测量出太阳光线相对y轴方向变化时的姿态角β;
其中,h为光学掩膜100平面与成像面之间的距离。
进一步地,由于所述太阳敏感器在加工和装配过程中会不可避免的引入误差,故需要对误差进行分析和补偿;所述太阳敏感器的误差主要有:
1)所述V字形狭缝200夹角的理论设计值为90°,但由于加工误差的存在,实际夹角记为δ;
2)在所述光学掩膜100所在平面建立坐标系,如图6所示,在理想情况下,所述V字形狭缝的几何中心O0在所述线阵图像传感器101的成像面上的投影应与O(0,0)重合,但由于装配误差的存在,实际坐标记为O0(x0,0);
3)光学掩膜100平面与所述成像面之间的距离,理论设计值为1.56mm, 但由于装配误差的存在,实际值记为h;
4)在理想情况下,光学掩膜100平面与所述成像面应完全平行,且无绕z轴的旋转,但由于装配误差的存在,使所述成像面与其理想位置之间存倾斜误差和旋转误差,在x、y轴方向上的倾斜误差夹角记α0、β0,在如图6a所示;绕z轴的旋转误差记为如图6b所示;
考虑误差补偿模型时,根据所述第一交点的中心位置太阳城集团及第二交点的中心位置太阳城集团,并按照如下公式测算出太阳光线在两轴方向的姿态角α、β:
α=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxa-x0)+(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxb-x0)2h)+α0]]>
β=arctan((cos(δ/2-φ0)cosδ/2Δxc-x0)-(cos(δ/2+φ0)cosδ/2Δxd-x0)2htanδ/2)+β0]]>
其中,δ为所述V字形狭缝200的夹角;O0(x0,0)为所述V字形狭缝200的几何中心透射在成像面的坐标;h为光学掩膜100平面与成像面之间的距离;所述成像面在x、y轴方向上的倾斜误差夹角分别记为α0、β0,绕z轴的旋转误差夹角记为
本发明实施例中,太阳敏感器采用带有V字形狭缝200的光学掩膜100、线阵CCD图像传感器101、51系列单片机102实现,该太阳敏感器的各项指标能达到:重量23g、体积34mm×34mm×15mm、功耗100mW、精度0.05°(RMS)、视场120°×120°、数据更新率>10Hz。由此可见,本发明实施例中的太阳敏感器在结构方面具有小型化和集成化的优点;在性能方面能够达到速度快、精度高、视场大且功耗低的有益效果。
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例,本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其它的实施方式,同样属于本发明的技术创新范围。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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一种 太阳 敏感 及其 进行 姿态 测量 方法
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