專利名稱：電子日晷羅盤及利用該羅盤的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種羅盤，具體地涉及一種利用太陽投射的影子來精確測 量并顯示方向或位置的電子日晷羅盤以及利用該羅盤進行測量的方法。
背景技術：
在很多領域，例如建筑、裝飾、航海、軍事等，都需要精確地確定方 向。 一般來說，在上述領域中利用磁針來確定方向，例如磁羅盤。磁羅盤 利用地球本身具有磁南極和磁北極的性質(zhì)，通過帶有指針的可以旋轉(zhuǎn)的裝 置來指示方向。在實際應用中，》茲羅盤附近的地球磁場可能會受到其他磁 場或者附近含鐵的金屬的干擾，因此有效的磁場#卜償對獲得精確的方位是 非常必要的。
PHILIPS公司生產(chǎn)的半導體器件KMZ52是一種專門用于電子磁羅盤 的二位磁場傳感器，利用磁阻(MR)技術，并用翻轉(zhuǎn)技術消除信號偏移。 現(xiàn)有技術中具有利用這種傳感器設計的電子指南針，例如《電子產(chǎn)品世界》 2005年第4期中公開的、用電路來補償?shù)厍虼艌龊蛡鞲衅鱇MZ52本身特 性S1起的精度不準確的電子指南針。
另外一種測定方向的裝置為陀螺羅盤，基于速度陀螺的原理，在不同 方位上測量地球自轉(zhuǎn)角速度的分量，通過計算地球自轉(zhuǎn)角速度的方法來測 定子午線的方位，或在地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的陀螺力矩作用下，使陀螺轉(zhuǎn)子軸向 子午線趨近，繞子午線擺動，從而確定北向。

發(fā)明內(nèi)容
無論是利用磁針，還是利用電子指南針來測量方向，均因為地球磁場
本身的性質(zhì)以及實際上其他磁場和含鐵金屬的存在而影響測量的準確性。 同時，地球磁極與真實方位之間存在一定的角度偏差。即使利用電路的方 法進行了補償，準確性仍然不理想，同時可能會因為測量器件本身的電學 特性引入新的影響精度因素。利用陀螺羅盤的裝置結構復雜，成本高，且 存在速度偏差。因此需要一種脫離地磁，仍然能夠精確確定方向的裝置和 方法。
本發(fā)明提供一種羅盤裝置，包括外殼，定位針，日晷針，傳感器和電 路裝置，其中日晷針為筆直針狀物，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位針 旋轉(zhuǎn)的平面垂直，傳感器固定于外殼上，在定位針旋轉(zhuǎn)至與日晷針日影重 合時，感測被測物體的測量角度值，設置在羅盤裝置內(nèi)部的電路裝置將上 述測量值與固有日影角度進行比較，并將差值信息通過顯示裝置輸出，顯 示凈皮測物體的方位角。
本發(fā)明的另一個方面在于，所述羅盤裝置還包括旋轉(zhuǎn)盤，其中定位針 的中心與旋轉(zhuǎn)盤的中心同軸，且定位針與旋轉(zhuǎn)盤之間的位置關系保持固
定，所述的傳感器包括光源和光敏元件兩部分。
本發(fā)明還提供一種羅盤裝置，包括，外殼，定位針，日晷針，參考盤 和固有日影角度計算裝置，其中日晷針為筆直針狀物，固定于定位針的旋
轉(zhuǎn)軸心，與定位針旋轉(zhuǎn)的平面垂直，該參考盤具有1-360度的角度信息， 可以與定位針同軸旋轉(zhuǎn)，在定位針旋轉(zhuǎn)至與日晷針日影重合時，感測被測 物體的測量角度值，將上述測量值與固有日影角度進行比較，計算出被測 物體的方位角。
本發(fā)明還提供一種利用羅盤裝置測量位置的方法，包括如下步驟
將包括外殼，定位針，日晷針，傳感器和電路裝置的羅盤裝置放置在 太陽光下，和將筆直針狀物的日晷針，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位 針旋轉(zhuǎn)的平面垂直，和旋轉(zhuǎn)定位針，使其轉(zhuǎn)向被測物體，和再次旋轉(zhuǎn)定位 針，使其與日晷針日影重合，和利用傳感器輸出被測物體與固有日影角度 差值的角度信息，和運用電路裝置，顯示被測物體的方位角。
地球軸心的北部，被稱為真北，真北與地J茲的磁北不同。由于本發(fā)明 所量度的方位是以地^求軸心南北兩方向所帶來的方位和角度，而并不是地
磁所帶來的方位和角度，因此本發(fā)明所量度的方向為真北方向，是地球本 體內(nèi)真正的方4立。
本發(fā)明能夠利用太陽的影子來確定被測物體的方位角，所確定的方位 精確度高，排除了地磁的干擾，采用電子方式可以使計算更加快捷，閱讀 方位數(shù)據(jù)更加便利。利用本發(fā)明提供的電子日晷羅盤裝置結構簡單，成本
相對4交低。


結合下列附圖，將對本發(fā)明進行進一步的細節(jié)描述
附圖1為本發(fā)明的電子日晷羅盤一種實施方式的立體附圖2為根據(jù)本發(fā)明 一種實施方式的羅盤裝置結構關系配合示意附圖3為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的羅盤裝置結構分解示意附圖4為根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的電路裝置示意附圖5為根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的電子日晷羅盤裝置工作流程附圖6為根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式的電子日晷羅盤裝置在日光下 工作的示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的電子日晷羅盤裝置1一種實施方式的立體 圖，其外殼為長方體，包括定位針101和日晷針102。定位針101為扁的 直長條形并且具有兩端， 一端較尖銳。從定位針正面的中心開始，向尖銳 端的方向使用現(xiàn)有技術中的各種方法，例如，抹漬法，形成與定位針顏色 不同的有色直線107，優(yōu)選地為白色油漆線。日晷針102為細長的筆直針 狀物，可將其固定于定位針101的中心，使日晷針102垂直于定位針101 正面的表面。在電子日晷羅盤裝置1不工作的時候可將日晷針102乂人定位 針中心耳又出。可選擇地，在定位針101的中心形成白色絲印水滴形狀，水 滴的頂部指向定位針的尖銳端103。可以利用現(xiàn)有技術中的多種自然或者
合成材料，例如有機玻璃、金屬、合金、木、竹，來制備定位針101,優(yōu)
選地為透明的聚甲基丙烯酸甲脂，可以利用CNC機加工而成。
如圖2和圖3所示，電子日晷羅盤裝置1還包括上表盤201、主機殼 202和同步旋轉(zhuǎn)盤203。上表盤201與同步旋轉(zhuǎn)盤203均為圓盤形狀。定 位針的背面具有主軸204，以如圖3所示的方式，將上表盤201、主機殼 202、同步旋轉(zhuǎn)盤203連接于定位針101的主轉(zhuǎn)軸204。主轉(zhuǎn)軸204的末 端具有與同步旋轉(zhuǎn)盤203正面中心相配合的形狀，使定位針101與同步旋 轉(zhuǎn)盤203之間的相對位置保持固定，即定位針101旋轉(zhuǎn)的時候，同步旋轉(zhuǎn) 盤203跟隨定位針101 —起旋轉(zhuǎn)。可替換地，將主轉(zhuǎn)軸204固定于同步 旋轉(zhuǎn)盤203上，并依次將主機殼202、上表盤201、定位針101套于主轉(zhuǎn) 軸204上，利用相似的方法，將定位針I(yè)OI與同步旋轉(zhuǎn)盤203結合，使定 位針與同步旋轉(zhuǎn)盤203 —起旋轉(zhuǎn)。如圖3所示，在主機殼202內(nèi)，同步旋 轉(zhuǎn)盤203的兩側，沿著同步旋轉(zhuǎn)盤203半徑的方向，固定多個傳感器304， 優(yōu)選的傳感器由光源、光敏元件兩部分組成，光源和光敏元件中一種固定 在主機殼202內(nèi)的分隔板301上，沿同一半徑布置，與圓心的距離不同， 光源和光敏元件中的另一種固定在與前一種對應的羅盤裝置1的外殼上， 位于同步旋轉(zhuǎn)盤203的另一側(未示出)，其中光敏元件可以為光敏二極 管或光敏晶體管。如圖2所示，在同步旋轉(zhuǎn)盤203上，通過透明與非透明 的區(qū)域，形成多組條型編碼209,以便用于輸出格雷碼(gray code) , 二 進制碼或BCD碼。由于同步旋轉(zhuǎn)盤203與定位針101同步旋轉(zhuǎn)，所述的 傳感器304可以感測到定位針101旋轉(zhuǎn)帶來的同步旋轉(zhuǎn)盤203旋轉(zhuǎn)的角度 變化，從而測量定位針101的角度信息。
可選擇地，在上表盤201表面印有參考位置信息，例如，從圓心輻射 出的射線，將整個圓盤均勻地表面分割為四個區(qū)域；在所分的四條區(qū)域線 上順時針依次標記北、南、西、東的標記，其中將O度標記于含有"北，， 的區(qū)域線上，然后順時針依次均勻標記1-360度。采用這種參考信息，可 以使用戶在不利用電路裝置的情況下，從上表盤201直接讀出定位針101 移動的角度，從而確定位置?？蛇x4奪的，還可在上表盤201的表面同時標 記有天干、地支的信息，例如，可在圓盤表面形成多個圍繞圓心的同心圓，
從0度兩側各7.5度的地方開始將這些同心圓均勻地分為24個部分，從0 度兩側各7.5度的地方所圍成的區(qū)域開始，順時針依次標記子、癸；丑、 艮、寅；曱、卯、乙；辰、巽、巳；丙、午、丁；未、坤、申；庚、酉、
辛；戌、乾、亥；壬，其中將子、癸；丑、卯、乙；辰、午、丁；未、酉、 辛；戌、十二個部分標記為"陰"，其他部分標記為"陽"；將乾、子、
艮、卯、巽、午、坤、酉的八個部分標記為"天"，將癸；寅；乙；巳； ??；申；辛；亥的/\個部分標記為"人"，其余八個部分標記為'4也"； 將其中壬，子、癸標記為"坎"；丑、艮、寅標記為"艮，，；曱、卯、乙 標記為"震"；辰、巽、巳標記為"巽"；丙、午、丁標記為"離"；未、 坤、申標記為"坤"；庚、酉、辛標記為"兌"；戌、乾、亥標記為"乾，，。 對上述信息的標記，有利于在閱讀到位置信息的同時，參考有關天干、地 支的信息內(nèi)容。
可以利用現(xiàn)有技術中任何適合的材料來制備所述的上表盤，例如有機 玻璃、塑料、金屬、合金等，優(yōu)選地使用涂有啞銀漆的丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯來制備；可以利用一體成型或者分別成型的方法來制備定位針101和 主轉(zhuǎn)軸204;可利用例如塑料來制備主機殼202;可以利用現(xiàn)有技術中任 何絕緣的、并易于固定傳感器的材料來制備所述的分隔板301,例如透明 的有機玻璃；可以利用現(xiàn)有技術中的任何材料來制造同步旋轉(zhuǎn)盤203，只 要所述傳感器304能夠在同步旋轉(zhuǎn)盤203移動的時候感測到信號變化。
固有日影角度是指在某一時刻、某一經(jīng)綿度位置處的真近點角(tme anomaly),是測量點處本身所固有的性質(zhì)，隨時間、經(jīng)綿度而變化的，不 隨其他因素而改變，所述時間、經(jīng)綿度為本地信息?，F(xiàn)有技術中存在多種 計算所述角度的方法。例如使用 Clear Sky Institute,在網(wǎng)站 http:〃www.ckarskyinstitute.com/xephem/上公開方法，或英國日晷協(xié)會 (British Sundial Society )在《也們的網(wǎng)3占http:〃www.sundialsoc.org.uk/戶斤7/^ 開的方法。在這里，將上述網(wǎng)站中于本申請申請日前所公開的內(nèi)容作為現(xiàn) 有技術結合入本申請中。
例如圖3所示，電子日晷羅盤裝置l還包括將傳感器304輸出的數(shù)據(jù) 進行處理、顯示的裝置。包括，計算電路401,存儲器402，輸入(日期
時間經(jīng)綽度)裝置403，顯示屏404和減法器405四部分。其中計算電路 401可以為單片機，例如微處理機控制器(MCU )或?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC )，
用于存儲計算固有日影角度e的方程式。最終獲得固有日影角度e。
通過輸入裝置403將測量點的日期、時間和經(jīng)煒度的資料輸入方程式 中計算e;存儲器402可以為電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)，或 者固定存儲器(nonvolatile memory),用來存儲日期、時間和所在時區(qū)經(jīng) 煒度的信息；輸入裝置403可以為按鈕輸入；顯示屏404可以為液晶顯示 屏；如圖4所示，輸入裝置403將日期、時間及經(jīng)綿度信息輸入存儲器 402中，存儲器402將上述信息輸入計算電路401得到固有日影角度e, 將0與傳感器304所讀取的測量點與日影之間的角度差cp輸入減法器405 ， 輸出真實的方位角a，顯示于顯示屏404上，通過選擇按鈕，顯示屏404 還可以顯示存儲器402中所存儲的信息和固有日影角度e。利用低壓直流 電給上述裝置供電，優(yōu)選地為9-12V直流電、并利用開關對整個電^^裝置 進行控制。
可選擇地，本發(fā)明還可以采用一般的GPS定位系統(tǒng)406獲得當?shù)匦?息，然后通過查表法獲得當?shù)氐慕?jīng)綿度，通過給定的時間計算固有日影角 度。利用GPS系統(tǒng)的優(yōu)點在于，在使用電子日晷羅盤裝置的時候，使用 者不需要自行輸入，便可自動獲得經(jīng)綿度信息。
為了使測試的效果更加精確，本發(fā)明提供的電子日晷羅盤裝置1還可 以有選擇地增加校準裝置包括，水平儀113，放置于電子日晷羅盤裝置 l的表面，優(yōu)選的為液泡水平儀，通過觀測液泡的位置，確定所述羅盤裝 置l是否水平放置；轉(zhuǎn)盤微調(diào)控制輪114,放置于羅盤裝置表面除底面外 的任何位置，與主轉(zhuǎn)軸204相連接，如前文所述由于同步旋轉(zhuǎn)盤203與定 位針101與主轉(zhuǎn)軸204同步旋轉(zhuǎn)，因此微調(diào)控制輪114可以通過控制主轉(zhuǎn) 軸204，使同步旋轉(zhuǎn)盤203和定位針101發(fā)生小角度的轉(zhuǎn)動?？刹捎矛F(xiàn)有 技術中的任何水平儀和微調(diào)控制輪來實現(xiàn)上述功能；至少兩個電子測距儀 (electronic distance measurement)(未示出),例3口超聲；皮觀W巨4義,纟工夕卜 測距儀，放置于電子日晷羅盤裝置1的表面上，用于在測量較近距離物體 位置的時候，分別測量羅盤裝置1至物體表面的距離，從而保證參考邊
116，如圖6所示，與被測物體(例如一個工作架)平4亍。
圖5,圖6顯示了本發(fā)明所述的電子日晷羅盤裝置1在充足的陽光下 使用的工作過程。在步驟501,將羅盤1的表面上的某個位置標記為測量 點115，對于測量距離較遠的物體，例如建筑物，使用者將該羅盤裝置1 的該測量點115面向需要測量的對象601，對于測量距離較近的物體，使 用者可通過電子測距儀的信息將該羅盤裝置的參考邊116與被測物體，例 如裝飾物，保持平行；步驟502,使用水平儀113將羅盤裝置1的位置校 正為水平，將定位針101轉(zhuǎn)向測量點115，此步驟的目的在于確定#1測物 體的位置，使傳感器304感測一個初始值；步驟503,旋轉(zhuǎn)定位針I(yè)OI, 使尖銳端103指向日晷針102在太陽下投射的日影；步驟504，對微調(diào)控 制輪114進行調(diào)節(jié)，使定位針101的尖銳端103和有色直線107與日晷針 102在太陽下所投射的日影相重合，步驟503和504的目的在于使傳感器 304感測到一個結束值，與步驟502的初始值相比較，使傳感器304能夠 獲得被測物體與日影之間的角度差cp;步驟505，傳感器304讀取日影與 測量點115之間的角度差cp，如上文所述，這個角度cp是日影固有角度e 和測量點本身角度a，即被測量的方位角度之間的差值，也就是(p二e-a， 要獲得被測量的方位角a還需要進行下一步；步驟506,啟動計算電路401， 將存儲器402中的日期、時間、所在時區(qū)經(jīng)綿度的資料輸入計算電路401 中或通過GPS定位系統(tǒng)確定經(jīng)煒度信息，計算出當?shù)毓逃械娜沼敖嵌萫, 最后將上述等式進行移項計算，獲得被測量的方位角a = e-cp。
盡管由此結合特定的實施例對本發(fā)明進行了描述，但是對本領域技術 人員來說，很多其他改變和變更以及其它使用是很明顯的。因此，本發(fā)明 不是由這里特別公開的內(nèi)容所限定。
權利要求
1.一種羅盤裝置，包括外殼，定位針，日晷針，傳感器和電路裝置，其中日晷針為筆直針狀物，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位針旋轉(zhuǎn)的平面垂直，傳感器固定于外殼上，在定位針旋轉(zhuǎn)至與日晷針日影重合時，感測被測物體的測量角度值，設置在羅盤裝置內(nèi)部的電路裝置將上述測量值與固有日影角度進行比較，并將差值信息通過顯示裝置輸出，顯示被測物體的方位角。
2. 如權利要求1所述的羅盤裝置，其特征在于，包括旋轉(zhuǎn)盤，其中 定位針的中心與旋轉(zhuǎn)盤的中心同軸，且定位針與旋轉(zhuǎn)盤之間的位置關系保 持固定，所述的傳感器包括光源和光敏元件兩部分。
3. 如權利要求1或2所述的羅盤裝置，其特征在于，所述電路裝置 包括計算電路，輸入裝置，減法器和顯示屏，其中將本地信息由輸入裝置 或GPS系統(tǒng)輸入計算電路，從而獲得固有日影角度，將計算電路中獲得 的固有日影角度和從所述傳感器獲得被測物體與固有日影角度差值的角 度信息輸入減法器，從而獲得被測物體的方位角，將方位角輸入顯示屏進 行顯示。
4. 如權利要求3所述的羅盤裝置，其特征在于，所述電路裝置還包 括存儲器，所述存儲器位于輸入裝置與計算電路之間，并與顯示屏直接相 連，可以存儲所輸入的本地信息，并將其直接顯示于顯示屏。
5. 如權利要求l, 2或4所述的羅盤裝置，其特征在于，包括位于定 位針和旋轉(zhuǎn)盤之間的上表盤和分隔板，分別固定于所述羅盤裝置上，所述 上表盤中心與所述定位針和旋轉(zhuǎn)盤的中心同軸，所述上表盤上記載1-360 度的參考角度信息，所述分隔板用于固定所述傳感器。
6. 如權利要求l， 2或4所述的任意一個羅盤裝置，其特征在于，所 述定位針為扁的直長條形， 一端較尖銳，并具有連接定位針中心和尖銳端 的線。
7. 如權利要求l， 2或4所述的任意一個羅盤裝置，其特征在于，包括水平儀、微調(diào)控制輪和/或電子測距儀，其中水平儀，微調(diào)控制輪和電 子測距儀均位于外殼上。
8. 如權利要求7所述的羅盤裝置，其特征在于，所述水平儀為液泡 水平儀，所述微調(diào)控制輪為兩個，所述電子測距儀至少為兩個。
9. 一種羅盤裝置，包括，外殼，定位針，日晷針，參考盤和固有曰影角度計算裝置，其中日晷針為筆直針狀物，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位針旋轉(zhuǎn)的平面垂直，該參考盤具有1-360度的角度信息，可以與定 位針同軸旋轉(zhuǎn)，在定位針旋轉(zhuǎn)至與日晷針日影重合時，感測被測物體的測 量角度值，將上述測量值與固有日影角度進行比較，計算出被測物體的方 位角。
10. 如權利要求9所述的羅盤裝置，其特征在于所述定位針為扁的直 長條形， 一端較尖銳，并具有連接定位針中心和尖銳端的線。
11. 如權利要求9或110所述的羅盤裝置，包括水平儀、微調(diào)控制輪 和/或電子測距儀，其中水平儀，微調(diào)控制輪和電子測距儀均位于外殼上。
12. 如權利要求11所述的羅盤裝置，其特征在于，所述水平儀為液 泡水平儀，所述微調(diào)控制輪為兩個，所述電子測距儀至少為兩個。
13. —種利用羅盤裝置測量位置的方法，包括如下步驟將包括外殼，定位針，日晷針，傳感器和電路裝置的羅盤裝置放置在 太陽光下，和將筆直針狀物的日晷針，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位針旋轉(zhuǎn)的 平面垂直，和旋轉(zhuǎn)定位針，使其轉(zhuǎn)向被測物體，和再次旋轉(zhuǎn)定位針，使其與日晷針日影重合，和利用傳感器輸出被測物體與固有日影角度差值的角度信息，和運用電路裝置，顯示被測物體的方位角。
14. 一種如權利要求13所述的測量位置的方法，其特征在于，包括 如下步驟 利用電路裝置中的計算電路計算固有日影角度，和 通過該差值信息和固有日影角度，計算被測物體的方位角。
15. —種如權利要求13或14所述的測量位置的方法，其特征在于， 包括如下步驟在測量開始之前，利用水平儀將羅盤裝置的位置校正為水平，和通過微調(diào)控制輪，使定位針與日晷針日影精確重合，和閱讀電子測距儀所顯示的信息，調(diào)整羅盤裝置的位置，使羅盤裝置與 被測物體平行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用太陽投射的影子來精確測量并顯示方向或位置的電子日晷羅盤以及利用該羅盤進行測量的方法。本發(fā)明的羅盤裝置包括外殼，定位針，日晷針，傳感器和電路裝置，其中日晷針為筆直針狀物，固定于定位針的旋轉(zhuǎn)軸心，與定位針旋轉(zhuǎn)的平面垂直，傳感器固定于外殼上，在定位針旋轉(zhuǎn)至與日晷針日影重合時，感測被測物體的測量角度值，設置在羅盤裝置內(nèi)部的電路裝置將上述測量值與固有日影角度進行比較，并將差值信息通過顯示裝置輸出，顯示被測物體的方位角。測量方法為利用上述裝置進行測量。本發(fā)明能夠利用太陽的影子來確定被測物體的方位角，所確定的方位精確度高，排除了地磁的干擾，采用電子方式可以使計算更加快捷，閱讀方位數(shù)據(jù)更加便利。
文檔編號G01C17/00GK101373137SQ200710143370
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月21日 優(yōu)先權日2007年8月21日
發(fā)明者楊文光 申請人:椗光堂發(fā)展有限公司