一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法，包括方位角转动机构、俯仰角转动机构、横滚角转动机构、摄像器以及赤道仪的智能控制器，采用智能控制器、驱动电机、旋转角度传感器的数控联动，实现补偿地球自转的效果，提供了一种新的对极轴方法。本发明专利技术省却了现有技术的可调节底座和相机云台，整体结构旋转自由度由6个减少为3个，结构更为紧凑轻便，刚度大，精度高，并且大大简化了对极轴操作，并且可以实现相机朝向的电动控制，避免了人手动作抖动可能带来的干扰。

A method of earth rotation motion compensation system for astronomical photography

【技术实现步骤摘要】
一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法
本专利技术涉及天文摄影器械
，具体是一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法。
技术介绍
在天文摄影活动中，拍摄对象为天空中的各种天体如恒星，星座，星云，太阳，月亮等，而拍摄装置(相机)固定于地球之上，由于天文摄影的对象其亮度较低，为了拍摄到它们的清晰影像,通常需要使用较长的曝光时间，而由于相机架设于地球之上，会随地球一起做绕地球极轴的自转运动，从而导致天体相对于相机也存在一个绕地球极轴相反方向的旋转运动，在长时间曝光中，这样的运动将导致天体对象在相机中的成像模糊和拖影，破坏摄影作品的画质；在现有技术中，赤道仪可以对地球自转进行补偿；现有技术中，如专利号为CN201410273603的一种赤道仪设计，其机构包括一个可调节底座，一个赤经轴转轴及其电机驱动装置，一个相机云台夹紧装置；其中，赤经轴转轴及其电机驱动装置安装在可调节底座之上，相机云台夹紧装置与赤经轴转轴固定连接，赤经轴电机驱动装置与赤经轴连接并可驱动赤经轴转动；在使用赤道仪进行地球自转补偿时，其步骤为:1.首先将可调节底座固定安装到三脚架上，与地面相对静止；2.调节可调节底座的方位角和俯仰角，使其上的赤经轴转轴与地球的自转轴平行；3.将相机云台装夹于云台夹紧装置上，调节相机云台角度，使得相机镜头对准所需拍摄的天体；4.启动赤经轴电机驱动装置，驱动赤经轴以地球自转角速度大小相同，方向相反的角速度匀速转动；5.按动相机快门进行拍照；步骤2称为对极轴操作,通常做法是利用与赤经轴平行安装的极轴镜或激光指星笔，找到天空中北极星的位置，然后将极轴镜或指星笔对准北极星，从而使赤经轴与地球自转极轴平行。这种技术方案的缺陷：1.整体结构包含太多的自由度，其中为了实现赤经轴对极轴的功能，可调节底座需要有2个旋转自由度分别调节赤经轴的方位角和俯仰角，赤经轴自身是1个旋转自由度，由于赤经轴必须与地球极轴保持平行，因此其朝向是固定的，而相机要实现对天空中不同朝向上的天体进行拍摄，则必须在赤经轴与相机之间，通过一个额外的相机云台进行串联连接，相机云台又引入了3个旋转自由度；因此整体结构多达6个自由度，带来了结构复杂，笨重，体积大，刚度差等缺点。2.由于现有赤道仪对地球自转的运动补偿，是通过将赤道仪的赤经转轴与地球自转极轴平行，然后驱动赤经轴按地球自转角速度大小相等方向相反的角速度旋转来实现的；因此在使用前必须进行对极轴操作；这要求使用者找到天空中的北极星，并且手动调整可调节底座的方位角和俯仰角两个自由度，通过观察极轴镜或指星笔与北极星的影像重合来实现；整个操作复杂耗时，且对准精度受到人眼观察误差的影响，此外，如果在南半球使用赤道仪，因为无法观察到北极星，导致对极轴操作无法进行，只能用更复杂的方式代替。3.在完成赤道仪对极轴操作后，为了对不同朝向的天空进行拍摄,不可避免需要手动调整相机云台的朝向以使相机指向新的方向，这个步骤中，人手动作的抖动，可能导致赤道仪赤经轴的朝向发生改变，不再与地球自转极轴平行，从而引入运动补偿的误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述存在的问题与不足，提供一种减少整体结构旋转自由度由，减少体积、实现电动控制、提高精度的用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法。本专利技术采用的技术方案是这样实现的：本专利技术一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法，其特征在于：包括如下步骤:(1).在赤道仪的安装底座上设置方位角转动机构、俯仰角转动机构、横滚角转动机构、摄像器以及赤道仪的智能控制器，所述方位角转动机构包括方位角转轴、方位角及俯仰角转轴箱体、第一驱动电机及第一旋转角度传感器；所述俯仰角转动机构包括俯仰角转轴、横滚角转轴箱体、第二驱动电机及第二旋转角度传感器；所述横滚角转动机构包括横滚角转轴、横滚角转轴箱体、第三驱动电机、第三旋转角度传感器及设置在横滚角转轴箱体上的摄像器快装夹紧装置；将安装底座安装到三脚架上，打开赤道仪电源，将摄像器与赤道仪的智能控制器建立通讯连接，然后用摄像器快装夹紧装置将摄像器夹紧；(2).控制赤道仪的方位角转轴、俯仰角转轴以及横滚角转轴转向旋转角度为零的位置点，也就是说,摄像方位角俯仰角横滚角器快装夹紧装置相对于方位角及俯仰角转轴箱体的；此时，摄像器快装夹紧装置和方位角及俯仰角转轴箱体，两者在本地东北天坐标系w下的具有完全相同的朝向；根据旋转矩阵与欧拉角的转换公式，此时摄像器快装夹紧装置与之固连的坐标系为c，方位角及俯仰角转轴箱体与之固连的坐标系为b，摄像器快装夹紧装置相对于方位角及俯仰角转轴箱体的旋转矩阵为单位矩阵I，此时摄像器的摄像头大致朝向天空；(3).控制摄像器的摄像头拍摄星空照片，通过图像处理算法，提取所拍星空照片上n个清晰的星点的像素坐标(Ui,Vi)(i＝1～n)，其中n大于等于6；(4).通过摄像器的定位功能,可能是GPS定位或者基站定位技术，获取当前赤道仪所处的经纬度定位数据，并且获取当前摄像器授时时间，然后从预先存储的星图数据库中，调出当前位置，当前时间所对应的天空各个明亮天体在本地东北天坐标系w中的空间三维坐标(Xj,Yj,Zj)(j＝1～m)；(5).通过PnP匹配算法，将星图数据库中的明亮天体三维坐标(Xj,Yj,Zj)(j＝1～m)与摄像器所拍摄的星空照片提取的清晰星点的图像坐标系下的像素坐标(Ui,Vi)(i＝1～n)进行算法匹配，最后计算得到此时摄像器快装夹紧装置在本地东北天坐标系w下的位姿从而可以得到此时摄像器快装夹紧装置在本地东北天坐标系w下的旋转矩阵(6).根据用户输入的指令，控制赤道仪的方位角转轴、俯仰角转轴以及横滚角转轴转向旋转角度使得摄像器指向所需拍摄的天空方向，根据旋转矩阵与欧拉角的转换公式，此时摄像器快装夹紧装置相对于方位角及俯仰角转轴箱体的旋转矩阵由步骤(3)可知,因此有此外，地球自转极轴在坐标系w下过w原点的平行单位向量可以由纬度计算得到；而坐标系c1下可以计算得到对应的平行单位向量其中(7).由智能控制器触发摄像器快门，开始曝光，此时间记为t0＝0,曝光持续时间为(8).同时，在这段时间段内，从t0时刻起，每间隔时间，取从t0到t时刻，地球自转角度为其中ω自转为地球自转角速度，为补偿该自转角度，需要将摄像器快装夹紧装置相对于平行单位向量旋转根据旋转矩阵与旋转向量的换算关系，其对应的旋转矩阵从而可以计算出然后根据旋转矩阵和欧拉角的转换关系，可以进一步计算出t时刻的赤道仪的三个旋转轴需要转向旋转角度由智能控制器控制赤道仪的三个旋转轴转向所需的旋转角度(9).循环执行步骤8直至然后控制摄像器关闭快门结束曝光；即可使得在这段的曝光时间内，摄像器快装夹紧装置相对于与地球固连的本地东北天坐标系w，绕平行于地球自转极轴,做角速度为(-w自转)的旋转运动,从而达到补偿地球自转的效果。步骤(1)-(5)中的摄像器采用智能手机，步骤(6)-(9)中的摄像器采用单反相机或微单相机，在步骤(1)中，打开智能手机APP，将智能手本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法，其特征在于：包括如下步骤:/n(1).在赤道仪的安装底座(2)上设置方位角转动机构、俯仰角转动机构、横滚角转动机构、摄像器以及赤道仪的智能控制器，所述方位角转动机构包括方位角转轴(21)、方位角及俯仰角转轴箱体(3)、第一驱动电机(31)及第一旋转角度传感器(32)；/n所述俯仰角转动机构包括俯仰角转轴(41)、横滚角转轴箱体(4)、第二驱动电机(33)及第二旋转角度传感器(34)；/n所述横滚角转动机构包括横滚角转轴(51)、横滚角转轴箱体(4)、第三驱动电机(42)、第三旋转角度传感器(34)及设置在横滚角转轴箱体(4)上的摄像器快装夹紧装置(5)；/n将安装底座(2)安装到三脚架(1)上，安装底座(2)打开赤道仪电源，将摄像器与赤道仪的智能控制器建立通讯连接，然后用摄像器快装夹紧装置(5)将摄像器夹紧；/n(2).控制赤道仪的方位角转轴(21)、俯仰角转轴(41)以及横滚角转轴(51)转向旋转角度为零的位置点，也就是说,摄像器快装夹紧装置(5)相对于方位角及俯仰角转轴箱体(3)的方位角

【技术特征摘要】
1.一种用于天文摄影的地球自转运动补偿系统方法，其特征在于：包括如下步骤:
(1).在赤道仪的安装底座(2)上设置方位角转动机构、俯仰角转动机构、横滚角转动机构、摄像器以及赤道仪的智能控制器，所述方位角转动机构包括方位角转轴(21)、方位角及俯仰角转轴箱体(3)、第一驱动电机(31)及第一旋转角度传感器(32)；
所述俯仰角转动机构包括俯仰角转轴(41)、横滚角转轴箱体(4)、第二驱动电机(33)及第二旋转角度传感器(34)；
所述横滚角转动机构包括横滚角转轴(51)、横滚角转轴箱体(4)、第三驱动电机(42)、第三旋转角度传感器(34)及设置在横滚角转轴箱体(4)上的摄像器快装夹紧装置(5)；
将安装底座(2)安装到三脚架(1)上，安装底座(2)打开赤道仪电源，将摄像器与赤道仪的智能控制器建立通讯连接，然后用摄像器快装夹紧装置(5)将摄像器夹紧；
(2).控制赤道仪的方位角转轴(21)、俯仰角转轴(41)以及横滚角转轴(51)转向旋转角度为零的位置点，也就是说,摄像器快装夹紧装置(5)相对于方位角及俯仰角转轴箱体(3)的方位角俯仰角横滚角此时，摄像器快装夹紧装置(5)和方位角及俯仰角转轴箱体(3)，两者在本地东北天坐标系w下的具有完全相同的朝向；根据旋转矩阵与欧拉角的转换公式，此时摄像器快装夹紧装置(5)与之固连的坐标系为c，方位角及俯仰角转轴箱体(3)与之固连的坐标系为b，摄像器快装夹紧装置(5)相对于方位角及俯仰角转轴箱体(3)的旋转矩阵为单位矩阵I，此时摄像器的摄像头大致朝向天空；
(3).控制摄像器的摄像头拍摄星空照片，通过图像处理算法，提取所拍星空照片上n个清晰的星点的像素坐标(Ui,Vi)(i＝1～n)，其中n大于等于6；
(4).通过摄像器的定位功能，获取当前赤道仪所处的经纬度定位数据，并且获取当前摄像器授时时间，然后从预先存储的星图数据库中，调出当前位置，当前时间所对应的天空各个明亮天体在本地东北天坐标系w中的空间三维坐标(Xj,Yj,Zj)(j＝1～m)；
(5).通过PnP匹配算法，将星图数据库中的明亮天体三维坐标(Xj,Yj,Zj)(j＝1～m)与摄像器所拍摄的星空照片提取的清晰星点的图像坐标系下的像素坐标(Ui,Vi)(i＝1～n)进行算法匹配，最后计算得到此时摄像器快装夹紧装置(5)在本地东北天坐标系w下的位姿从而可以得到此时摄像器快装夹紧装置(5)在本地东北天坐标系w下的旋转矩阵
(6).根据用户输入的指令，控制赤道仪的方位角转轴(21)、俯仰角转轴(41)以及横滚角转轴(51)转向旋转角度使得摄像器指向所需拍摄的天空方向，根据旋转矩阵与欧拉角的转换公式，此时摄像器快装夹紧装置(5)相对于方位角及俯仰角转轴箱体(3)的旋转矩阵由步骤(3)可知,因此有此外，地球自转极轴在坐标系w下过w原点的平行单位向量可以由纬度计算得到；而坐标系c1下可以计算得到对应的平行单位向量其中
(7).由智能控制器触发摄像器快门，开始曝光，此时间记为t0＝0,曝光持续时间为
(8).同时，在这段时间段内，从t0时刻起，每间隔时间，取从t0到t时刻，地球自转角度为其中ω自转为地球自转角速度，为补偿该自转角度，需要将摄像器快装夹紧装置(5)相对于平行单位向量旋转根据旋转矩阵与旋转向量的换算关系，其对应的旋转矩阵从而可以计算出然后根据旋转矩阵和欧拉角的转换关系，可以进一步计算出t时刻的赤道仪的三个旋转轴需要转向旋转角度由智能控制器控制赤道仪的三个旋转轴转向所需的旋转角度
(9).循环执行步骤8直至然后控制摄像器关闭快门结束曝光；即可使得在这段的曝光时间内，摄像器快装夹紧装置(5)相对于与地球固连的本地东北天坐标系w，绕平行于地球自转极轴,做角速度为(-w自转)的旋转运动,从而达到补偿地球自转的效果。


2.根据权利要求1所述的系统方法，其特征在于：所述步骤(1)-(5)中的摄像器采用智能手机(54)，步骤(6)...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄豪，
申请(专利权)人：黄豪，
类型：发明
国别省市：广东;44