专利名称：电子日晷罗盘及利用该罗盘的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种罗盘，具体地涉及一种利用太阳投射的影子来精确测 量并显示方向或位置的电子日晷罗盘以及利用该罗盘进行测量的方法。
背景技术：
在很多领域，例如建筑、装饰、航海、军事等，都需要精确地确定方 向。 一般来说，在上述领域中利用磁针来确定方向，例如磁罗盘。磁罗盘 利用地球本身具有磁南极和磁北极的性质，通过带有指针的可以旋转的装 置来指示方向。在实际应用中，》兹罗盘附近的地球磁场可能会受到其他磁 场或者附近含铁的金属的干扰，因此有效的磁场#卜偿对获得精确的方位是 非常必要的。
PHILIPS公司生产的半导体器件KMZ52是一种专门用于电子磁罗盘 的二位磁场传感器，利用磁阻(MR)技术，并用翻转技术消除信号偏移。 现有技术中具有利用这种传感器设计的电子指南针，例如《电子产品世界》 2005年第4期中公开的、用电路来补偿地球磁场和传感器KMZ52本身特 性S1起的精度不准确的电子指南针。
另外一种测定方向的装置为陀螺罗盘，基于速度陀螺的原理，在不同 方位上测量地球自转角速度的分量，通过计算地球自转角速度的方法来测 定子午线的方位，或在地球自转产生的陀螺力矩作用下，使陀螺转子轴向 子午线趋近，绕子午线摆动，从而确定北向。
发明内容
无论是利用磁针，还是利用电子指南针来测量方向，均因为地球磁场
本身的性质以及实际上其他磁场和含铁金属的存在而影响测量的准确性。 同时，地球磁极与真实方位之间存在一定的角度偏差。即使利用电路的方 法进行了补偿，准确性仍然不理想，同时可能会因为测量器件本身的电学 特性引入新的影响精度因素。利用陀螺罗盘的装置结构复杂，成本高，且 存在速度偏差。因此需要一种脱离地磁，仍然能够精确确定方向的装置和 方法。
本发明提供一种罗盘装置，包括外壳，定位针，日晷针，传感器和电 路装置，其中日晷针为笔直针状物，固定于定位针的旋转轴心，与定位针 旋转的平面垂直，传感器固定于外壳上，在定位针旋转至与日晷针日影重 合时，感测被测物体的测量角度值，设置在罗盘装置内部的电路装置将上 述测量值与固有日影角度进行比较，并将差值信息通过显示装置输出，显 示净皮测物体的方位角。
本发明的另一个方面在于，所述罗盘装置还包括旋转盘，其中定位针 的中心与旋转盘的中心同轴，且定位针与旋转盘之间的位置关系保持固
定，所述的传感器包括光源和光敏元件两部分。
本发明还提供一种罗盘装置，包括，外壳，定位针，日晷针，参考盘 和固有日影角度计算装置，其中日晷针为笔直针状物，固定于定位针的旋
转轴心，与定位针旋转的平面垂直，该参考盘具有1-360度的角度信息， 可以与定位针同轴旋转，在定位针旋转至与日晷针日影重合时，感测被测 物体的测量角度值，将上述测量值与固有日影角度进行比较，计算出被测 物体的方位角。
本发明还提供一种利用罗盘装置测量位置的方法，包括如下步骤
将包括外壳，定位针，日晷针，传感器和电路装置的罗盘装置放置在 太阳光下，和将笔直针状物的日晷针，固定于定位针的旋转轴心，与定位 针旋转的平面垂直，和旋转定位针，使其转向被测物体，和再次旋转定位 针，使其与日晷针日影重合，和利用传感器输出被测物体与固有日影角度 差值的角度信息，和运用电路装置，显示被测物体的方位角。
地球轴心的北部，被称为真北，真北与地J兹的磁北不同。由于本发明 所量度的方位是以地^求轴心南北两方向所带来的方位和角度，而并不是地
磁所带来的方位和角度，因此本发明所量度的方向为真北方向，是地球本 体内真正的方4立。
本发明能够利用太阳的影子来确定被测物体的方位角，所确定的方位 精确度高，排除了地磁的干扰，采用电子方式可以使计算更加快捷，阅读 方位数据更加便利。利用本发明提供的电子日晷罗盘装置结构简单，成本
相对4交低。
结合下列附图，将对本发明进行进一步的细节描述
附图1为本发明的电子日晷罗盘一种实施方式的立体附图2为根据本发明 一种实施方式的罗盘装置结构关系配合示意附图3为根据本发明的一种实施方式的罗盘装置结构分解示意附图4为根据本发明一种实施方式的电路装置示意附图5为根据本发明一种实施方式的电子日晷罗盘装置工作流程附图6为根据本发明的一种实施方式的电子日晷罗盘装置在日光下 工作的示意图。
具体实施例方式
图1所示为根据本发明的电子日晷罗盘装置1一种实施方式的立体 图，其外壳为长方体，包括定位针101和日晷针102。定位针101为扁的 直长条形并且具有两端， 一端较尖锐。从定位针正面的中心开始，向尖锐 端的方向使用现有技术中的各种方法，例如，抹渍法，形成与定位针颜色 不同的有色直线107，优选地为白色油漆线。日晷针102为细长的笔直针 状物，可将其固定于定位针101的中心，使日晷针102垂直于定位针101 正面的表面。在电子日晷罗盘装置1不工作的时候可将日晷针102乂人定位 针中心耳又出。可选择地，在定位针101的中心形成白色丝印水滴形状，水 滴的顶部指向定位针的尖锐端103。可以利用现有技术中的多种自然或者
合成材料，例如有机玻璃、金属、合金、木、竹，来制备定位针101,优
选地为透明的聚甲基丙烯酸甲脂，可以利用CNC机加工而成。
如图2和图3所示，电子日晷罗盘装置1还包括上表盘201、主机壳 202和同步旋转盘203。上表盘201与同步旋转盘203均为圓盘形状。定 位针的背面具有主轴204，以如图3所示的方式，将上表盘201、主机壳 202、同步旋转盘203连接于定位针101的主转轴204。主转轴204的末 端具有与同步旋转盘203正面中心相配合的形状，使定位针101与同步旋 转盘203之间的相对位置保持固定，即定位针101旋转的时候，同步旋转 盘203跟随定位针101 —起旋转。可替换地，将主转轴204固定于同步 旋转盘203上，并依次将主机壳202、上表盘201、定位针101套于主转 轴204上，利用相似的方法，将定位针IOI与同步旋转盘203结合，使定 位针与同步旋转盘203 —起旋转。如图3所示，在主机壳202内，同步旋 转盘203的两侧，沿着同步旋转盘203半径的方向，固定多个传感器304， 优选的传感器由光源、光敏元件两部分组成，光源和光敏元件中一种固定 在主机壳202内的分隔板301上，沿同一半径布置，与圆心的距离不同， 光源和光敏元件中的另一种固定在与前一种对应的罗盘装置1的外壳上， 位于同步旋转盘203的另一侧(未示出)，其中光敏元件可以为光敏二极 管或光敏晶体管。如图2所示，在同步旋转盘203上，通过透明与非透明 的区域，形成多组条型编码209,以便用于输出格雷码(gray code) , 二 进制码或BCD码。由于同步旋转盘203与定位针101同步旋转，所述的 传感器304可以感测到定位针101旋转带来的同步旋转盘203旋转的角度 变化，从而测量定位针101的角度信息。
可选择地，在上表盘201表面印有参考位置信息，例如，从圆心辐射 出的射线，将整个圓盘均匀地表面分割为四个区域；在所分的四条区域线 上顺时针依次标记北、南、西、东的标记，其中将O度标记于含有"北，， 的区域线上，然后顺时针依次均匀标记1-360度。采用这种参考信息，可 以使用户在不利用电路装置的情况下，从上表盘201直接读出定位针101 移动的角度，从而确定位置。可选4奪的，还可在上表盘201的表面同时标 记有天干、地支的信息，例如，可在圆盘表面形成多个围绕圓心的同心圆，
从0度两侧各7.5度的地方开始将这些同心圆均匀地分为24个部分，从0 度两侧各7.5度的地方所围成的区域开始，顺时针依次标记子、癸；丑、 艮、寅；曱、卯、乙；辰、巽、巳；丙、午、丁；未、坤、申；庚、酉、
辛；戌、乾、亥；壬，其中将子、癸；丑、卯、乙；辰、午、丁；未、酉、 辛；戌、十二个部分标记为"阴"，其他部分标记为"阳"；将乾、子、
艮、卯、巽、午、坤、酉的八个部分标记为"天"，将癸；寅；乙；巳； 丁；申；辛；亥的/\个部分标记为"人"，其余八个部分标记为'4也"； 将其中壬，子、癸标记为"坎"；丑、艮、寅标记为"艮，，；曱、卯、乙 标记为"震"；辰、巽、巳标记为"巽"；丙、午、丁标记为"离"；未、 坤、申标记为"坤"；庚、酉、辛标记为"兌"；戌、乾、亥标记为"乾，，。 对上述信息的标记，有利于在阅读到位置信息的同时，参考有关天干、地 支的信息内容。
可以利用现有技术中任何适合的材料来制备所述的上表盘，例如有机 玻璃、塑料、金属、合金等，优选地使用涂有哑银漆的丙烯腈-丁二烯-苯 乙烯来制备；可以利用一体成型或者分别成型的方法来制备定位针101和 主转轴204;可利用例如塑料来制备主机壳202;可以利用现有技术中任 何绝缘的、并易于固定传感器的材料来制备所述的分隔板301,例如透明 的有机玻璃；可以利用现有技术中的任何材料来制造同步旋转盘203，只 要所述传感器304能够在同步旋转盘203移动的时候感测到信号变化。
固有日影角度是指在某一时刻、某一经绵度位置处的真近点角(tme anomaly),是测量点处本身所固有的性质，随时间、经绵度而变化的，不 随其他因素而改变，所述时间、经绵度为本地信息。现有技术中存在多种 计算所述角度的方法。例如使用 Clear Sky Institute,在网站 http:〃www.ckarskyinstitute.com/xephem/上公开方法，或英国日晷协会 (British Sundial Society )在《也们的网3占http:〃www.sundialsoc.org.uk/戶斤7/^ 开的方法。在这里，将上述网站中于本申请申请日前所公开的内容作为现 有技术结合入本申请中。
例如图3所示，电子日晷罗盘装置l还包括将传感器304输出的数据 进行处理、显示的装置。包括，计算电路401,存储器402，输入(日期
时间经绰度)装置403，显示屏404和减法器405四部分。其中计算电路 401可以为单片机，例如微处理机控制器(MCU )或专用集成电路(ASIC )，
用于存储计算固有日影角度e的方程式。最终获得固有日影角度e。
通过输入装置403将测量点的日期、时间和经炜度的资料输入方程式 中计算e;存储器402可以为电可擦可编程只读存储器(EEPROM)，或 者固定存储器(nonvolatile memory),用来存储日期、时间和所在时区经 炜度的信息；输入装置403可以为按钮输入；显示屏404可以为液晶显示 屏；如图4所示，输入装置403将日期、时间及经绵度信息输入存储器 402中，存储器402将上述信息输入计算电路401得到固有日影角度e, 将0与传感器304所读取的测量点与日影之间的角度差cp输入减法器405 ， 输出真实的方位角a，显示于显示屏404上，通过选择按钮，显示屏404 还可以显示存储器402中所存储的信息和固有日影角度e。利用低压直流 电给上述装置供电，优选地为9-12V直流电、并利用开关对整个电^^装置 进行控制。
可选择地，本发明还可以采用一般的GPS定位系统406获得当地信 息，然后通过查表法获得当地的经绵度，通过给定的时间计算固有日影角 度。利用GPS系统的优点在于，在使用电子日晷罗盘装置的时候，使用 者不需要自行输入，便可自动获得经绵度信息。
为了使测试的效果更加精确，本发明提供的电子日晷罗盘装置1还可 以有选择地增加校准装置包括，水平仪113，放置于电子日晷罗盘装置 l的表面，优选的为液泡水平仪，通过观测液泡的位置，确定所述罗盘装 置l是否水平放置；转盘微调控制轮114,放置于罗盘装置表面除底面外 的任何位置，与主转轴204相连接，如前文所述由于同步旋转盘203与定 位针101与主转轴204同步旋转，因此微调控制轮114可以通过控制主转 轴204，使同步旋转盘203和定位针101发生小角度的转动。可采用现有 技术中的任何水平仪和微调控制轮来实现上述功能；至少两个电子测距仪 (electronic distance measurement)(未示出),例3口超声；皮观W巨4义,纟工夕卜 测距仪，放置于电子日晷罗盘装置1的表面上，用于在测量较近距离物体 位置的时候，分别测量罗盘装置1至物体表面的距离，从而保证参考边
116，如图6所示，与被测物体(例如一个工作架)平4亍。
图5,图6显示了本发明所述的电子日晷罗盘装置1在充足的阳光下 使用的工作过程。在步骤501,将罗盘1的表面上的某个位置标记为测量 点115，对于测量距离较远的物体，例如建筑物，使用者将该罗盘装置1 的该测量点115面向需要测量的对象601，对于测量距离较近的物体，使 用者可通过电子测距仪的信息将该罗盘装置的参考边116与被测物体，例 如装饰物，保持平行；步骤502,使用水平仪113将罗盘装置1的位置校 正为水平，将定位针101转向测量点115，此步骤的目的在于确定#1测物 体的位置，使传感器304感测一个初始值；步骤503,旋转定位针IOI, 使尖锐端103指向日晷针102在太阳下投射的日影；步骤504，对微调控 制轮114进行调节，使定位针101的尖锐端103和有色直线107与日晷针 102在太阳下所投射的日影相重合，步骤503和504的目的在于使传感器 304感测到一个结束值，与步骤502的初始值相比较，使传感器304能够 获得被测物体与日影之间的角度差cp;步骤505，传感器304读取日影与 测量点115之间的角度差cp，如上文所述，这个角度cp是日影固有角度e 和测量点本身角度a，即被测量的方位角度之间的差值，也就是(p二e-a， 要获得被测量的方位角a还需要进行下一步；步骤506,启动计算电路401， 将存储器402中的日期、时间、所在时区经绵度的资料输入计算电路401 中或通过GPS定位系统确定经炜度信息，计算出当地固有的日影角度e, 最后将上述等式进行移项计算，获得被测量的方位角a = e-cp。
尽管由此结合特定的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术 人员来说，很多其他改变和变更以及其它使用是很明显的。因此，本发明 不是由这里特别公开的内容所限定。
权利要求
1.一种罗盘装置，包括外壳，定位针，日晷针，传感器和电路装置，其中日晷针为笔直针状物，固定于定位针的旋转轴心，与定位针旋转的平面垂直，传感器固定于外壳上，在定位针旋转至与日晷针日影重合时，感测被测物体的测量角度值，设置在罗盘装置内部的电路装置将上述测量值与固有日影角度进行比较，并将差值信息通过显示装置输出，显示被测物体的方位角。
2. 如权利要求1所述的罗盘装置，其特征在于，包括旋转盘，其中 定位针的中心与旋转盘的中心同轴，且定位针与旋转盘之间的位置关系保 持固定，所述的传感器包括光源和光敏元件两部分。
3. 如权利要求1或2所述的罗盘装置，其特征在于，所述电路装置 包括计算电路，输入装置，减法器和显示屏，其中将本地信息由输入装置 或GPS系统输入计算电路，从而获得固有日影角度，将计算电路中获得 的固有日影角度和从所述传感器获得被测物体与固有日影角度差值的角 度信息输入减法器，从而获得被测物体的方位角，将方位角输入显示屏进 行显示。
4. 如权利要求3所述的罗盘装置，其特征在于，所述电路装置还包 括存储器，所述存储器位于输入装置与计算电路之间，并与显示屏直接相 连，可以存储所输入的本地信息，并将其直接显示于显示屏。
5. 如权利要求l, 2或4所述的罗盘装置，其特征在于，包括位于定 位针和旋转盘之间的上表盘和分隔板，分别固定于所述罗盘装置上，所述 上表盘中心与所述定位针和旋转盘的中心同轴，所述上表盘上记载1-360 度的参考角度信息，所述分隔板用于固定所述传感器。
6. 如权利要求l， 2或4所述的任意一个罗盘装置，其特征在于，所 述定位针为扁的直长条形， 一端较尖锐，并具有连接定位针中心和尖锐端 的线。
7. 如权利要求l， 2或4所述的任意一个罗盘装置，其特征在于，包括水平仪、微调控制轮和/或电子测距仪，其中水平仪，微调控制轮和电 子测距仪均位于外壳上。
8. 如权利要求7所述的罗盘装置，其特征在于，所述水平仪为液泡 水平仪，所述微调控制轮为两个，所述电子测距仪至少为两个。
9. 一种罗盘装置，包括，外壳，定位针，日晷针，参考盘和固有曰影角度计算装置，其中日晷针为笔直针状物，固定于定位针的旋转轴心，与定位针旋转的平面垂直，该参考盘具有1-360度的角度信息，可以与定 位针同轴旋转，在定位针旋转至与日晷针日影重合时，感测被测物体的测 量角度值，将上述测量值与固有日影角度进行比较，计算出被测物体的方 位角。
10. 如权利要求9所述的罗盘装置，其特征在于所述定位针为扁的直 长条形， 一端较尖锐，并具有连接定位针中心和尖锐端的线。
11. 如权利要求9或110所述的罗盘装置，包括水平仪、微调控制轮 和/或电子测距仪，其中水平仪，微调控制轮和电子测距仪均位于外壳上。
12. 如权利要求11所述的罗盘装置，其特征在于，所述水平仪为液 泡水平仪，所述微调控制轮为两个，所述电子测距仪至少为两个。
13. —种利用罗盘装置测量位置的方法，包括如下步骤将包括外壳，定位针，日晷针，传感器和电路装置的罗盘装置放置在 太阳光下，和将笔直针状物的日晷针，固定于定位针的旋转轴心，与定位针旋转的 平面垂直，和旋转定位针，使其转向被测物体，和再次旋转定位针，使其与日晷针日影重合，和利用传感器输出被测物体与固有日影角度差值的角度信息，和运用电路装置，显示被测物体的方位角。
14. 一种如权利要求13所述的测量位置的方法，其特征在于，包括 如下步骤 利用电路装置中的计算电路计算固有日影角度，和 通过该差值信息和固有日影角度，计算被测物体的方位角。
15. —种如权利要求13或14所述的测量位置的方法，其特征在于， 包括如下步骤在测量开始之前，利用水平仪将罗盘装置的位置校正为水平，和通过微调控制轮，使定位针与日晷针日影精确重合，和阅读电子测距仪所显示的信息，调整罗盘装置的位置，使罗盘装置与 被测物体平行。
全文摘要
本发明涉及一种利用太阳投射的影子来精确测量并显示方向或位置的电子日晷罗盘以及利用该罗盘进行测量的方法。本发明的罗盘装置包括外壳，定位针，日晷针，传感器和电路装置，其中日晷针为笔直针状物，固定于定位针的旋转轴心，与定位针旋转的平面垂直，传感器固定于外壳上，在定位针旋转至与日晷针日影重合时，感测被测物体的测量角度值，设置在罗盘装置内部的电路装置将上述测量值与固有日影角度进行比较，并将差值信息通过显示装置输出，显示被测物体的方位角。测量方法为利用上述装置进行测量。本发明能够利用太阳的影子来确定被测物体的方位角，所确定的方位精确度高，排除了地磁的干扰，采用电子方式可以使计算更加快捷，阅读方位数据更加便利。
文档编号G01C17/00GK101373137SQ200710143370
公开日2009年2月25日 申请日期2007年8月21日 优先权日2007年8月21日
发明者杨文光 申请人:椗光堂发展有限公司