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一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201410255407.9

申請日:

2014.06.10

公開號:

CN103983237A

公開日:

2014.08.13

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G01C 1/00申請日:20140610|||公開
IPC分類號: G01C1/00 主分類號: G01C1/00
申請人: 北京航空航天大學
發明人: 樊巧云; 高鑫洋; 張廣軍
地址: 100083 北京市海淀區學院路37號
優先權:
專利代理機構: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270 代理人: 張穎玲;王黎延
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201410255407.9

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.02.19|||2017.03.01|||2014.08.13

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種太陽敏感器,包括:光學掩膜,帶有V字形狹縫,用于通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到線陣圖像傳感器;線陣圖像傳感器,用于對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值到單片機;所述單片機,用于驅動所述線陣圖像傳感器并逐個讀取各像素的模擬電壓值;根據各像素的模擬電壓值,提取第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據第一交點的中心位置信息及第二交點中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。本發明既具有小型化和集成化的結構,又能夠快速、精確地測量出太陽光線在兩軸方向的姿態角;且功耗低、成本低。

權利要求書

權利要求書
1.  一種太陽敏感器,其特征在于,所述太陽敏感器包括:光學掩膜、線陣圖像傳感器、單片機;所述線陣圖像傳感器連接于所述光學掩膜和所述單片機之間;其中,
所述光學掩膜,帶有V字形狹縫,用于通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器,其中,所述第一條太陽光線及第二條太陽光線在所述線陣圖像傳感器的成像面上形成兩個交點,每個交點在所述成像面上分布多個像素;
所述線陣圖像傳感器,用于對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機;
所述單片機,用于驅動所述線陣圖像傳感器并逐個讀取各像素的模擬電壓值;根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。

2.  根據權利要求1所述的太陽敏感器,其特征在于,所述單片機具體用于:
驅動所述線陣圖像傳感器并逐個讀取各像素的模擬電壓值;
通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;
根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與所述成像面相交的第一交點的中心位置信息,及第二條太陽光線與所述成像面相交的第二交點的中心位置信息;
根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,并結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。

3.  根據權利要求1或2所述的太陽敏感器,其特征在于,所述太陽敏感器還包括:
接口轉換芯片,與所述單片機連接,用于將所述太陽光線在兩軸方向的姿 態角傳輸至與所述單片機連接的主計算機。

4.  一種太陽敏感器進行姿態測量的方法,其特征在于,所述方法包括:
通過太陽敏感器中光學掩膜的V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線;
對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值;
根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;
根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。

5.  根據權利要求4所述的方法,其特征在于,所述根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息,包括:
通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;
根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息。

6.  根據權利要求5所述的方法,其特征在于,所述根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息,包括:
預設數字灰度閾值,數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點所在像素,數字灰度值小于所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素;
對數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素,按照如下公式提取出所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi為第一交點或第二交點對應的各像素點i的像素坐標,g(xi)表示第一交點或第二交點對應的各像素點i的數字灰度值,n為第一交點或第二交點的像素點總數,x表示提取的第一交點或第二交點在x軸方向的中心位置坐標。

7.  根據權利要求4至6任一項所述的方法,其特征在于,所述根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角,包括:
結合太陽敏感器的成像模型,第一交點相對x軸方向變化時,根據第一交點在x軸方向的中心位置坐標xa,獲取沿x軸的相對距離Δxa;第二交點相對x軸方向變化時,根據第二交點在x軸方向的中心位置坐標xb,獲取沿x軸的相對距離Δxb;
按公式測量出太陽光線相對x軸方向變化時的姿態角α;
第一交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxc;第二交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxd;
按公式測量出太陽光線相對y軸方向變化時的姿態角β;其中,h為光學掩膜平面與成像面之間的距離。

8.  根據權利要求7所述的方法,其特征在于,所述方法還包括:考慮誤差補償模型時,根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,并按照如下公式測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角:
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為所述V字形狹縫的夾角;O0(x0,0)為所述V字形狹縫的幾何中心 透射在成像面的坐標;h為光學掩膜平面與成像面之間的距離;所述成像面在x、y軸方向上的傾斜誤差夾角分別記為α0、β0,繞z軸的旋轉誤差夾角記為

說明書

說明書一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法
技術領域
本發明涉及航空航天領域姿態測量控制系統中的姿態測量技術,尤其涉及一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法。
背景技術
太陽敏感器是衛星上重要的姿態測量光學敏感器;太陽敏感器通過測量太陽相對衛星本體坐標系的位置來確定衛星的姿態,從而為衛星的姿態定位提供參考。
現有技術中,太陽敏感器按工作原理主要可分為如下幾種:基于光電池的模擬式太陽敏感器、基于光電碼盤的編碼式太陽敏感器、基于二維線陣式圖像傳感器的數字太陽敏感器、余弦式太陽敏感器、基于面陣圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器和微型面陣式數字太陽敏感器等。
發明人在實現本發明的過程中,發現現有的太陽敏感器至少存在以下缺陷:
1)模擬式太陽敏感器、編碼式太陽敏感器、基于二維線陣式圖像傳感器的數字式太陽敏感器三種敏感器的重量一般在500g以上,體積與功耗較大、精度低,且容易受地球反照光等雜光的影響。
2)余弦式太陽敏感器,其小型化指標適合微小衛星應用,但是精度太低,且容易受地球反照光等雜光影響,工作可靠性低。
3)隨著電荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)或互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)技術的日益成熟,以面陣CCD或CMOS為圖像傳感器的面陣式數字太陽敏感器逐漸取代了模擬式太陽敏感器,面陣式數字太陽敏感器不易受雜光干擾,且精度高,重量、體積較模擬式太陽敏感器有了較大幅度的降低,其重量一般在200g-300g,但是對 于微小衛星,其體積和重量還是太大了,而且其成本較高,不適合低成本、中低精度的微小衛星應用;為了滿足微小衛星的應用要求,研制出了重量只有幾十克的微型面陣式數字太陽敏感器,但微型面陣式數字太陽敏感器需要特殊的光電集成工藝,關鍵芯片需要定制,且芯片定制成本高,從而使這種太陽敏感的使用受到限制。
由此可見,目前亟需一種重量輕、功耗低、成本低且精度高的太陽敏感器,能夠應用于納衛星、皮衛星等微小衛星的姿態測量與控制系統之中。
發明內容
有鑒于此,本發明實施例期望提供一種太陽敏感器及其進行姿態測量的方法,既具有小型化和集成化的結構,又能夠快速、精確地測量出太陽光線的姿態角;且功耗低、成本低。
為達到上述目的,本發明的技術方案是這樣實現的:
本發明實施例提供了一種太陽敏感器,該太陽敏感器包括:光學掩膜、線陣圖像傳感器、單片機;所述線陣圖像傳感器連接于所述光學掩膜和所述單片機之間;其中,
所述光學掩膜,帶有V字形狹縫,用于通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器,其中,所述第一條太陽光線及第二條太陽光線在所述線陣圖像傳感器的成像面上形成兩個交點,每個交點在所述成像面上分布多個像素;
所述線陣圖像傳感器,用于對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機;
所述單片機,用于驅動所述線陣圖像傳感器并逐個讀取各像素的模擬電壓值;根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
上述方案中,所述單片機具體用于:
驅動所述線陣圖像傳感器并逐個讀取各像素的模擬電壓值;
通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;
根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與所述成像面相交的第一交點的中心位置信息,及第二條太陽光線與所述成像面相交的第二交點的中心位置信息;
根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,并結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
上述方案中,所述太陽敏感器還包括:
接口轉換芯片,與所述單片機連接,用于將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至與所述單片機連接的主計算機。
基于上述的太陽敏感器,本發明實施例還提供了一種太陽敏感器進行姿態測量的方法,該方法包括:
通過太陽敏感器中光學掩膜的V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線;
對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值;
根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;
根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
上述方案中,所述根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息,包括:
通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;
根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息。
上述方案中,所述根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息,包括:
預設數字灰度閾值,數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點所在像素,數字灰度值小于所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素;
對數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素,按照如下公式提取出所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi為第一交點或第二交點對應的各像素點i的像素坐標,g(xi)表示第一交點或第二交點對應的各像素點i的數字灰度值,n為第一交點或第二交點的像素點總數,x表示提取的第一交點或第二交點在x軸方向的中心位置坐標。
上述方案中,所述根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角,包括:
結合太陽敏感器的成像模型,第一交點相對x軸方向變化時,根據第一交點在x軸方向的中心位置坐標xa,獲取沿x軸的相對距離Δxa;第二交點相對x軸方向變化時,根據第二交點在x軸方向的中心位置坐標xb,獲取沿x軸的相對距離Δxb;
按公式測量出太陽光線相對x軸方向變化時的姿態角α;
第一交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxc;第二交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxd;
按公式測量出太陽光線相對y軸方向變化時的姿態角β;其中,h為光學掩膜平面與成像面之間的距離。
上述方案中,所述方法還包括:考慮誤差補償模型時,根據所述第一交點 的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,并按照如下公式測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角:
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為所述V字形狹縫的夾角;O0(x0,0)為所述V字形狹縫的幾何中心透射在成像面的坐標;h為光學掩膜平面與成像面之間的距離;所述成像面在x、y軸方向上的傾斜誤差夾角分別記為α0、β0,繞z軸的旋轉誤差夾角記為
本發明實施例所提供的太陽敏感器及其進行姿態測量的方法,與現有技術相比,取得了如下進步:
1)本發明實施例采用的光學掩膜、線陣圖像傳感器與51系列單片機均為小型化器件、重量輕、體積小,且高度集成化,具體的,本發明實施例中太陽敏感器的重量為23g、體積為34mm×34mm×15mm、功耗為100mW;從而使本發明實施例的太陽敏感器在結構方面具有小型化和集成化的優點。
2)本發明實施例采用51系列單片機技術實現邏輯控制和姿態測量,由于51系列單片機的處理速度快,因此,本發明實施例中太陽敏感器的數據更新率大于10Hz;另外,本發明實施例中考慮了誤差補充模型,從而使太陽敏感器的精度達到0.05°(RMS)。綜上所述,本發明實施例的太陽敏感器在性能方面能夠達到速度快、精度高且功耗低的效果。
附圖說明
圖1為本發明實施例太陽敏感器的結構示意圖;
圖2為本發明實施例太陽敏感器進行姿態測量的方法流程示意圖;
圖3為本發明實施例太陽光線在V字形狹縫的兩條狹縫同時以最大角度入 射的示意圖;
圖4為本發明實施例單片機驅動線陣圖像傳感器的驅動時序示意圖;
圖5a為本發明實施例太陽光線相對x軸方向變化時的示意圖;
圖5b為本發明實施例太陽光線相對y軸方向變化時的示意圖;
圖6a為本發明實施例線陣圖像傳感器的成像面在x、y軸方向上的傾斜誤差夾角示意圖;
圖6b為本發明實施例線陣圖像傳感器的成像面在z軸方向上的旋轉誤差夾角示意圖。
具體實施方式
本發明實施例中,通過太陽敏感器中光學掩膜的V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線;對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值;根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。如此,本發明實施例能快速且精確地測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行說明。
圖1為本發明實施例中提供的太陽敏感器的結構示意圖,如圖1所示,該太陽敏感器包括:光學掩膜100、線陣圖像傳感器101、單片機102;所述線陣圖像傳感器101連接于所述光學掩膜100和所述單片機102之間;其中,
所述光學掩膜100,帶有V字形狹縫,用于通過所述V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器,其中,所述第一條太陽光線及第二條太陽光線在所述線陣圖像傳感器的成像面上形成兩個交點,每個交點在所述成像面上分布多個像素;
所述線陣圖像傳感器101,用于對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機102;
所述單片機102,用于驅動所述線陣圖像傳感器101并逐個讀取各像素的模擬電壓值;根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
進一步地,所述太陽敏感器還包括:
接口轉換芯片103,與所述單片機相連接,用于將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至與所述單片機102連接的主計算機。
本發明實施例對接口轉換芯片103的型號不作具體限定,可根據實際需求設定;優選的,可采用RS-485接口轉換芯片,能夠方便且可靠地將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至主計算機。
上述太陽敏感器以所述單片機102為信號處理核心,本發明實施例提供的太陽敏感器進行姿態測量過程具體實現如下所述:
首先,所述光學掩膜100通過自身帶有的V字形狹縫的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線及第二條太陽光線到所述線陣圖像傳感器101;太陽敏感器上電后,所述單片機102進行初始化,初始化結束后按照線陣圖像傳感器的驅動時序要求輸出驅動信號;
所述線陣圖像傳感器101受所述單片機102驅動,對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值,同時所述單片機102讀取各像素的模擬電壓值;
然后,所述單片機102通過模數轉換模塊將各像素模擬電壓值轉換為數字灰度值;
最后,所述單片機102根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線對應的第二交點的中心位置信息;根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,并結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角,按照與所述主計算機的串口協議通過接口轉換芯片103將所述太 陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至主計算機。
基于上述的太陽敏感器,本發明實施例提出的一種太陽敏感器進行姿態測量的方法,如圖2所示,該方法包括:
步驟S200:通過太陽敏感器中光學掩膜100的V字形狹縫200的兩條縫分別濾波并引入第一條太陽光線201及第二條太陽光線202。
本步驟采用帶有V字形狹縫的光學掩膜100實現,所述光學掩膜100通過所述V字形狹縫200的兩條縫分別對第一條太陽光線201及第二條太陽光線202進行濾波后透射到線陣圖像傳感器101。
具體的,所述光學掩膜100通過自身帶有的V字形狹縫200的兩條縫分別對第一條太陽光線201及第二條太陽光線202進行濾波,使其滿足所述線陣圖像傳感器101在正常工作狀態下對光強的需求;濾波后的第一條太陽光線201及第二條太陽光線202透射到所述線陣CCD像傳感器101上,與所述線陣圖像傳感器101的成像面相交形成兩個交點,每個交點在所述成像面上分布多個像素。
在實際應用中,所述光學掩膜100應覆蓋整個視場范圍內,以使通過V字形狹縫200的太陽光線總能透射在所述線陣圖像傳感器101的成像面上。本發明實施例中所述V字形狹縫的夾角為90°,若考慮通過V字形狹縫200的太陽光線透射在所述線陣圖像傳感器101的成像面上的極限情況,即:兩條太陽光線在V字形狹縫200的兩條狹縫同時以最大角度入射,如圖3所示,則所述V字形狹縫200的寬度l滿足如下關系:
14a/23]]>
其中,a為線陣圖像傳感器101的長度;
本發明實施例中,若線陣圖像傳感器101的長度取16.248mm,則據此確定的所述V字形狹縫200的寬度l的最大值為10.832mm;
所述V字形狹縫200的寬度l與所述光學掩膜100到所述線陣圖像傳感器101的距離h應滿足如下關系:
14≥tan(FOV2)*h]]>
其中,FOV為所述光學掩膜100的視場范圍;
本發明實施例中,可根據用戶實際需求設置光學掩膜100的視場范圍,優選的,可以設置光學掩膜100的視場范圍為120°×120°,據此確定的h的最小值為1.56mm,這里取1.5mm。
本發明實施例中,根據太陽輻射強度和線陣圖像傳感器光譜響應曲線,確定所述帶有V字形狹縫200的光學掩膜100的透射率為10%。
步驟S201:對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值。
本步驟采用線陣圖像傳感器101實現,線陣圖像傳感器分為線陣CCD圖像傳感器和線陣CMOS圖像傳感器;優選的,選擇體積小、功耗低以及外圍處理電路簡單的線陣圖像傳感器;本發明實施例中,采用線陣CCD圖像傳感器實現。
所述線陣圖像傳感器101受所述單片機102的驅動,對入射的太陽光線進行光電轉換,并逐個輸出各像素的模擬電壓值到所述單片機102。
下面對所述單片機102如何驅動線陣圖像傳感器101進行說明。
本發明實施例中,所述單片機102驅動線陣圖像傳感器101的驅動時序如圖4所示,單片機102中在計數器的值與特定寄存器的值相等時,將輸出的CLK時鐘信號的電平置高,在計數器溢出時,將輸出的CLK時鐘信號的電平置低,所述單片機102輸出CLK時鐘信號以驅動線陣圖像傳感器101,為驅動線陣圖像傳感器101提供正常工作的時鐘信號;單片機102輸出的SI信號作為線陣圖像傳感器101的復位信號,SI信號過后的第18個時鐘周期內線陣圖像傳感器101處于復位狀態,從第19個時鐘周期至下一個SI信號到來之前的時間為曝光時間,若滿足在線陣圖像傳感器101的復位時間段內進行算法的運行而不影響曝光時間,則需要延長復位的時長。本發明實施例中,通過對計數器中的比較器的控制,能夠滿足其時序要求;具體的,當SI信號到來之后,關閉計數器中的比較器,使輸出的CLK時鐘信號置于低 電平,從而達到延長曝光時間的目的;若需要重新啟動CLK時鐘信號,則將計數器中的比較器重新啟用。
步驟S202:根據各像素的模擬電壓值,提取所述第一條太陽光線201對應的第一交點的中心位置信息和所述第二條太陽光線202對應的第二交點的中心位置信息。
本步驟采用單片機102實現;優選的,采用51系列單片機實現。
本步驟中,所述單片機102驅動所述線陣圖像傳感器101并逐個讀取各像素的模擬電壓值之后,首先通過模數轉換將各像素的模擬電壓值轉換為數字灰度值;然后根據各像素的數字灰度值及預設的數字灰度閾值,提取所述第一條太陽光線與成像面相交的第一交點的中心位置信息,及所述第二條太陽光線與成像面相交的第二交點的中心位置信息,具體實現方式如下:
預設數字灰度閾值,數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素確認為第一交點或第二交點的像素,數字灰度值小于所述數字灰度閾值的像素確認為背景像素;
對數字灰度值大于所述數字灰度閾值的像素,按照如下公式提取出所述第一交點的中心位置信息,及所述第二交點的中心位置信息:
x=Σi=1n(xi·g(xi))Σi=1ng(xi)]]>
其中,xi為第一交點或第二交點對應的各像素點i的像素坐標,g(xi)表示第一交點或第二交點對應的各像素點i的數字灰度值,n為第一交點或第二交點的像素點總數,x表示提取的第一交點或第二交點在x軸方向的中心位置坐標。
這里,成像面即為線陣圖像傳感器101的光電轉換平面。
這里,所述單片機102能夠自適應地設定數字灰度閾值,預設的數字灰度閾值首先初始化為0,然后向上進行步長為64的粗調,其中,模擬電壓最大值所對應的數字灰度值為4096;當預設的數字灰度閾值達到可使所述太陽敏感器找出第一交點或第二交點的臨界值時,繼而向下進行步長為1的微調,直到再次達到臨界值,將此時的數字灰度閾值作為最佳的自適應數字灰度閾值。本發 明實施例中,通過預設合理的數字灰度閾值,能夠準確且快速地提取第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息。
步驟S203:根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角。
本步驟同樣采用單片機102實現,并通過接口轉換芯片103將所述太陽光線在兩軸方向的姿態角傳輸至主計算機;優選的,采用51系列單片機實現。
本步驟中,根據所述第一交點的中心位置信息及所述第二交點的中心位置信息,并結合太陽敏感器的成像模型測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角,具體實現方式如下:
如圖5a所示,第一交點相對x軸方向變化時,根據第一交點在x軸方向的中心位置坐標xa,獲取沿x軸的相對距離Δxa;第二交點相對x軸方向變化時,根據第二交點在x軸方向的中心位置坐標xb,獲取沿x軸的相對距離Δxb;
按公式測量出太陽光線相對x軸方向變化時的姿態角α;
如圖5b所示,第一交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxc;第二交點相對y軸方向變化時,獲取沿x軸的相對距離Δxd;
按公式測量出太陽光線相對y軸方向變化時的姿態角β;
其中,h為光學掩膜100平面與成像面之間的距離。
進一步地,由于所述太陽敏感器在加工和裝配過程中會不可避免的引入誤差,故需要對誤差進行分析和補償;所述太陽敏感器的誤差主要有:
1)所述V字形狹縫200夾角的理論設計值為90°,但由于加工誤差的存在,實際夾角記為δ;
2)在所述光學掩膜100所在平面建立坐標系,如圖6所示,在理想情況下,所述V字形狹縫的幾何中心O0在所述線陣圖像傳感器101的成像面上的投影應與O(0,0)重合,但由于裝配誤差的存在,實際坐標記為O0(x0,0);
3)光學掩膜100平面與所述成像面之間的距離,理論設計值為1.56mm, 但由于裝配誤差的存在,實際值記為h;
4)在理想情況下,光學掩膜100平面與所述成像面應完全平行,且無繞z軸的旋轉,但由于裝配誤差的存在,使所述成像面與其理想位置之間存傾斜誤差和旋轉誤差,在x、y軸方向上的傾斜誤差夾角記α0、β0,在如圖6a所示;繞z軸的旋轉誤差記為如圖6b所示;
考慮誤差補償模型時,根據所述第一交點的中心位置信息及第二交點的中心位置信息,并按照如下公式測算出太陽光線在兩軸方向的姿態角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為所述V字形狹縫200的夾角;O0(x0,0)為所述V字形狹縫200的幾何中心透射在成像面的坐標;h為光學掩膜100平面與成像面之間的距離;所述成像面在x、y軸方向上的傾斜誤差夾角分別記為α0、β0,繞z軸的旋轉誤差夾角記為
本發明實施例中,太陽敏感器采用帶有V字形狹縫200的光學掩膜100、線陣CCD圖像傳感器101、51系列單片機102實現,該太陽敏感器的各項指標能達到:重量23g、體積34mm×34mm×15mm、功耗100mW、精度0.05°(RMS)、視場120°×120°、數據更新率>10Hz。由此可見,本發明實施例中的太陽敏感器在結構方面具有小型化和集成化的優點;在性能方面能夠達到速度快、精度高、視場大且功耗低的有益效果。
本發明所述的方法并不限于具體實施方式中所述的實施例,本領域技術人員根據本發明的技術方案得出其它的實施方式,同樣屬于本發明的技術創新范圍。
顯然,本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣,倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內,則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

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一種 太陽 敏感 及其 進行 姿態 測量 方法
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