一种太阳影子定位系统及其定位方法

摘要

本发明公开了一种太阳影子定位系统，包括单片机、影长测量装置、光照方向信号采集装置、数据库和LCD显示器；光照方向信号采集装置通过模数转换器连接至单片机，影长测量装置通过模数转换器连接至单片机，影长测量装置包括步进电机和光敏电阻；光敏电阻设置在竖杆上；竖杆与步进电机转子固定连接，单片机连接至数据库，单片机还连接至LED显示器。本发明通过太阳照射后产生的影子进行精确定位，通过分析其内在空间几何关系，建立经纬度与影子长度关系的数学模型，利用优化算法可以找出经纬度，不需要向太空发射卫星，适用于无网络不方便进行卫星导航的人群，如野外勘探、旅游等方面，比GPS卫星定位系统具有更好的性价比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种定位装置，具体是一种太阳影子定位系统。

背景技术

当今社会实现定位，主要依赖卫星导航。而导航精度则依赖于卫星的个数，以及卫星探测的精度。GPS导航定位常常受到地区的限制，在一些地区由于信号的问题常常出现找不到信号的情况，而且GPS导航需要配备电池，一旦遇到没有电量的时候就无能为力；并且在使用卫星导航的过程中，当到达一个新的地方，找不到方向，没有路标，也没有定位仪和指南针，就很难确定自己的所在的方向经纬坐标；而自然界方位最忠实的向导，就是头顶的太阳。比如说，早晨6时，太阳从东方升起，一切物体的阴影都倒向西方；到中午12时,太阳位于正南，影子便指向北方；到下午6时,太阳到正西影子则指向东方。因此,可用太阳和物体的阴影概略地测定方向。知道太阳是由东向西移，而影子则是由西向东移。同样地，人们也可以通过影子的长度和所在方向，判断所处的位置和时间。如果我们能够利用好太阳光定位，那么在定位方面将会有巨大的突破，它可以取代传统的GPS定位，不需要向太空发射卫星，将省出一大部分开支用于其他的国民建设。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳影子定位系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种太阳影子定位系统，包括单片机、影长测量装置、光照方向信号采集装置、数据库和LCD显示器；所述光照方向信号采集装置通过模数转换器连接至单片机，所述影长测量装置通过模数转换器连接至单片机，影长测量装置包括步进电机和光敏电阻；光敏电阻设置在竖杆上；所述竖杆与步进电机转子固定连接，所述单片机连接至数据库，单片机还连接至LED显示器。

作为本发明进一步的方案：所述光敏电阻具有圆环结构，光敏电阻底面设置在基材上，基材也具有圆环结构，基材的形状与光敏电阻形状相一致，基材连接至竖杆。

作为本发明再进一步的方案：所述光敏电阻底面通过热干胶粘接在基材上。

作为本发明再进一步的方案：所述数据库内存储有几十年内某个时间下的影长对应的经纬度以地图的数据库。

作为本发明再进一步的方案：所述基材的内圈通过热干胶固定在竖杆上。

一种太阳影子定位系统的定位方法，其主要步骤如下：

第一步：通过光照方向信号采集装置采集到光线位置，并将光线位置通过模数转换器传送给单片机；采用线性圆形光敏电阻围绕竖杆上端顶部，并利用上端高精度的线性光敏电阻进行影子信号的采集，将光线位置作为信号经模数转换器传送给单片机；

第二步：单片机根据方向信号采集装置采集到光线位置，调整影长测量装置旋转至光线入射的补角方向，由于光敏电阻在光照射下会出现电压信号，而此时我们可以通过单片机检测出电压信号，根据线性光敏电阻上的电压值可以求出线性光敏电阻对应于光照下产生电压信号的电阻长度，继而测得影长；将测量后的影长信号经模数转换器再次送入单片机；

第三步：单片机根据影长测量装置传送的影长数据，通过改进的遗传算法将影长数据转化为经纬度数据，并调用其对应内存中的数据库内的经纬数据；之后单片机通过比对计算后的经纬数据和调用数据库内的经纬度位置的数据，将经纬度位置显示在LCD屏幕上，实现导航定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明主要是通过太阳照射后产生的影子进行精确定位，设计一个太阳影子定位器。通过分析其内在空间几何关系，建立经纬度与影子长度关系的数学模型，利用优化算法可以找出经纬度，不需要向太空发射卫星，将定位导航功能集成在一个小小的模块上，具有较高的定位精度。适用于无网络不方便进行卫星导航的人群，如野外勘探、旅游等方面，比GPS卫星定位系统具有更好的性价比。

附图说明

图1为太阳影子定位系统的结构示意图。

图2为太阳影子定位系统中经纬度计算原理示意图。

图3为太阳影子定位系统中太阳影长的遗传算法流程。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，一种太阳影子定位系统，包括单片机、影长测量装置、光照方向信号采集装置、数据库和LCD显示器；

所述光照方向信号采集装置通过模数转换器连接至单片机，

所述影长测量装置通过模数转换器连接至单片机，影长测量装置将影长信息转换为对应的电压信号，然后通过模数转换器转换后传送给单片机进行处理，

所述影长测量装置包括步进电机和光敏电阻；光敏电阻具有圆环结构，光敏电阻底面通过热干胶粘接在基材上，基材也具有圆环结构，基材的形状与光敏电阻形状一致，所述基材的内圈通过热干胶固定在竖杆上；所述竖杆与步进电机转子固定连接，步进电机转动带动光敏电阻转动，

电压信号与影长信息存在如下关系：

其中U_测为光照射时在照射顶点处的电压值，U₀、l₀分别为光敏电阻的电压与光敏电阻的长度。

所述单片机连接至数据库，单片机还连接至LED显示器，单片机通过改进的遗传算法将影长测量装置测量得到的影长转化为相应的经纬度值；并将转化后的经纬度值与数据库内存储的经纬度值进行比对，数据库内存储有几十年内某个时间下的影长对应的经纬度以地图的数据库，数据库中的数据预先在PC机上处理好并将其存在内存中；单片机调用内有经纬度位置的数据库，经数据库查找后，将计算后的经纬度位置显示在LCD显示器上，实现导航定位。所述单片机将测量的数据通过遗传算法处理计算得到经纬度；

一种太阳影子定位系统的定位方法其主要步骤如下：

第一步：通过光照方向信号采集装置采集到光线位置，并将光线位置通过模数转换器传送给单片机；采用线性圆形光敏电阻围绕竖杆上端顶部，并利用上端高精度的线性光敏电阻进行影子信号的采集，这里的信号为太阳光照射的方向，将其在平面内的投影与预设的起始点可以找出光线对应在圆形线性光敏电阻上的方向，将光线位置作为信号经模数转换器传送给单片机；

第二步：单片机根据方向信号采集装置采集到光线位置，调整影长测量装置旋转至光线入射的补角方向，由于光敏电阻在光照射下会出现电压信号，而此时我们可以通过单片机检测出电压信号，根据线性光敏电阻上的电压值可以求出线性光敏电阻对应于光照下产生电压信号的电阻长度，继而测得影长；影长测量装置在电机的转子上焊接有线性光敏电阻，让电机的转子带动线性光敏电阻旋转，此时太阳光便照射在这光敏电阻上，将测量后的影长信号经模数转换器再次送入单片机；

第三步：单片机根据影长测量装置传送的影长数据通过改进的遗传算法将影长数据转化为经纬度数据，并调用其对应内存中的数据库内的经纬数据；之后单片机通过比对计算后的经纬数据和调用数据库内的经纬度位置的数据，将经纬度位置显示在LCD屏幕上，实现导航定位。

利用影长计算经纬度的工作原理如下：

如图2中，H表示杆的高度，h表示太阳高度角，A表示太阳方位角，l表示影子长度，(x，y)表示影子顶点。

用δ表示赤纬角，Ω表示时角，Φ表示纬度，n表示从元旦到进行影子测量日的天数，则经过数学推导可以得到如下的关系：

(1)太阳高度角h和太阳方位角A确定：

h＝arcsin[sin(Φ)·sin(δ)+cos(Φ)cos(δ)·cos(Ω)]

A＝arcsin[cos(δ)·sin(Ω)/cos(h)](式1)

(2)时角Ω的确定：

Ω＝15°·(t-12)(式2)

(3)赤纬角δ的确定

(4)影长与经纬度的关系

则有：

通过该式即可得到经纬度与影长的数量关系。

本发明优化了单片机计算经纬度的算法，采用改进的遗传算法对以上算式进行优化，如下所示：

遗传算法采用计算机编程流程如图3所示：

首先随机给定相关参数，然后创建适应度函数，对参数进行编码，然后进行遗传操作，再进行交叉操作，最后判断是否循环结束，若循环结束则输出最优解，若循环不结束则回归到遗传操作步骤；

本发明的工作原理是：

当光线从某个方向照射时，光线会投射在圆形光敏电阻的某个方向上，在光的照射下，光敏电阻在照射处会产生一个电压信号，其会有一个对应的光线投射角度。将电压信号经整形滤波处理后传送给单片机，该电压信号与光投射角信号有确定的关系，从而起到光照方向信号的采集作用。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。