本发明涉及一种使装置自动地指向朝向目标的方向的设备。更具 体地，本发明涉及一种设备，自动地传感目标以及要被指向的装置的 位置，并且根据这些位置，使用调节装置沿朝向目标的方向移动探照 灯。

存在通过机械、有线和无线电动装置手动遥控来定位探照灯的技 术。这种公知的专利包括Persha的美国专利No.3,979,649、Gohl等人 的No.5,490,046、Gohl等人的No.5,673,989以及Hamilton等人的 No.6,315,435。Hamilton公开了一种控制器，可以设置在针对探照灯 平台的导向(heading)的多个位置之一。另一种装置是以Jabsco的名 义出售的产品63022-0012。Jabsco公开了一种探照灯，可以由用户手 动地定向，因此被设置为前后扫描以照亮大约20度角宽的路径。
以上参考所描述的装置在其工作中有不足。所有这种装置具有探 照灯，探照灯沿相对于探照灯平台的导向固定的导向维持或扫描光束 的位置。然而，在技术中这不是有用的，因为非常少的探照灯的应用 包括位置固定的平台。相反地，这种平台是动态的并且移动。
此外，目标也许相对于固定或移动的探照灯平台移动。现有技术 的探照灯控制器仅能够在这些条件下暂时地将光束定位在目标上，并 且需要来自用户的经常性的手动调节。这时耗时的，并且使用户不能 关注于其他重要的任务。
因此，需要一种沿朝向目标的方向指向装置的系统，消除一个或 多个上述缺点以及现有技术的不足。

本发明的目的是提供一种使多种类型的装置指向多种类型的目标 的设备。
本发明的另一个目的是提供一种类似探照灯的装置，保持对目标 的集中，并且沿预定图样扫描。
本发明的另一个目的是提供一种系统，可以定向类似探照灯的装 置，并且可以保持装置的方向以使装置保持指向于目标。
本发明的另一个目的是提供一种系统，可以以预定顺序或随机顺 序使装置指向多个预先选定目标，或者可以以预定或随机顺序在目标 之间扫描。
本发明的另一个目的是提供一种系统，具有传感器，监控目标位 置并且控制平台上的被指向的装置的方向，以使被指向装置保持指向 于目标。
本发明的另一个目的是提供一种系统，持续地计算目标的估计位 置，并使用估计来自动地移动探照灯以指向目标。
本发明的另一个目的是提供一种探照灯，与持续地计算目标位置 的全球定位服务接收机相连，并且将位置信息传递给使用调节装置来 自动地移动探照灯以指向目标的控制器。
本发明的另一个目的是提供一种控制器，计算目标的位置，并且 响应于目标位置，控制调节装置移动探照灯，以使从探照灯发出的光 束保持在目标上。
本发明的另一个目的是提供一种系统，使被指向装置保持指向于 目标，使得在激活被指向装置时，它自动地指向于目标。
本发明的另一个目的是提供一种系统，包括基于微处理器的控制 器，该控制器使用电子位置和姿态信息来为可调节指向装置计算方向 控制信息，以便指向给定目标。
本发明的另一个目的是提供一种控制器，可以与来自例如GPS或 Loran的全球定位源、来自例如无线电、超声波的本地定位源或者来 自红外三角测量的电子位置，或者与预先录入的电子位置，一起使用。
本发明的另一个目的是提供一种控制器，使用纬度/经度、笛卡尔 坐标系统或具有或不具有仰角信息的极坐标系统中的目标的位置信 息。
本发明的另一个目的是提供一种控制器，使用来自电子指南针、 陀螺仪、惯性传感器、多位置传感器布置的电子方位信息或者预先录 入的电子位置信息，来确定目标相对于被指向装置的方向。
本发明的另一个目的是提供一种控制器，使用具有俯仰姿态信息 以及指向设备平台的滚动定位的电子方位信息。
本发明的另一个目的是提供一种具有操作者控制的指向系统，用 于手动地控制指向装置并且控制系统的操作模式。
本发明的另一个目的是提供一种具有手动指向控制的指向系统， 优先于自动控制，选择目标，校正指向方位的误差，校正姿态和/或目 标位置的误差。
本发明的另一个目的是提供一种具有手动操作模式控制的手动控 制的指向系统，来设置扫描特征或扫描幅度控制特性。
本发明的另一个目的是提供一种具有手动控制的指向系统，手动 控制是操纵杆、多个按钮、多个开关、鼠标、轨迹球或任意其他输入 装置。
由使装置指向给定目标的系统来实现本发明的这些及其他目的和 优点。该系统具有传感器，用于传感目标的多个位置信息点，传感器 将位置信息点传递到控制器。该系统还具有控制器，用于根据传递的 多个位置信息点，计算方向控制信息，并且该系统具有调节装置。调 节装置用于响应于计算的方向控制信息，沿与目标具有预定关系的方 向移动被指向装置。目标移动，并且传感器传感位置信息的变化。传 感器将多个位置信息传递到控制器，并且控制器计算方向控制信息， 来控制调节装置。调节装置使装置指向目标，并且在每个单位时间随 着目标移动，装置持续地指向目标。响应于调节装置的移动，该装置 也移动。
附图说明
图1是本发明的系统的示意图。
图2是图1的系统的方法的示意图。

参考附图，更具体地，参考图1，本发明提供了系统10。系统10 可以使探照灯12的光束保持固定在目标14上，无论目标或与系统相 连的探照灯平台16是否是移动的或静止的。尽管系统10示出为与探 照灯12一起使用，该系统还可以与其他电子设备一起使用，并且决不 局限于探照灯。
在一个实施例中，当激活时，本发明使用控制器18来读取探照灯 12位置的纬度读数和经度读数，并计算定位信息。然后本发明自动地 控制探照灯12，并将探照灯定位于第二个或下一个航点(waypoint)。
然后可以在延长时间段内切断探照灯12，以预防船上的导航员及 其它人的光适应。当再接通时，探照灯12将被定位在目标14上，不 必导航员手动地搜索目标。还可以从探照灯平台16到目标14扫描探 照灯12的光束，这样照亮可能处于当前位置和目标位置之间的任何障 碍物。
这种照亮便于在黑暗的环境中操纵或控制船只，避免伤害，并因 此消除了探照灯12的大部分手动控制，节约了时间，并且确保了对目 标14的更安全的通过。
在另一个环境中，在天黑以后进入不熟悉海港的海船申请在探照 灯平台16上移动探照灯12，其中有处于未知或隐藏位置的一个或多 个静止目标14。在该申请中，在天黑以后进入不熟悉海港的海船手动 地控制探照灯12，以搜索航海浮标和障碍物。一旦识别目标14，用户 按下“锁定”控制。控制器18然后计算进入探照灯12光束的目标14 的“实际航点”，并且锁定探照灯的定位，以保持照亮目标。
一旦识别了目标14，控制器18锁定在目标上。控制器18获取探 照灯平台16的即时位置和导向，因此获取探照灯12的即时方位角位 置和仰角位置。控制器18然后计算实际的航点。实际航点或计算的点 是位于探照灯光束与表面相交的最中心位置的点。控制器18使探照灯 12的光束位置保持在目标14上，无论探照灯平台16或者与探照灯平 台相连的船只的位置或导向改变。
利用本发明的特征，同样可以增强静止平台16和静止目标14 的应用。这种应用伴随着安全照明系统和摄像机而存在。
可以将航点的有限数目的照明目标14存储在具有控制器18的外 部计算机中。当目标14的航点信息被发送到控制器18时，控制器自 动地定向探照灯12以照亮目标。对于其中要监控多个安全“热点”的 了望塔的应用，可以编程控制器18，按照编程的或随机的顺序依次照 亮每一个“热点”或目标14。
因为由于外部计算机的存储量，在本申请中可以使用的航点的数 目仅是有限的，可以利用探照灯12来扫描航向或航线，以照亮线性或 更复杂的图样。也存在具有移动目标14的静止探照灯平台16的应用。 人们可以设想在柱子上或建筑物上的永久安装的探照灯12。用户可以 携带GPS定位传输装置或传感器20。由控制器18接收来自传感器20 的数据。在该应用中，目标GPS或传感器20通过向控制器18提供目 标位置更新的流，用作外部航点定序器。然后在目标14在接收机的范 围内移动时，控制器18将使探照灯12保持定向在发射GPS的目标14 处。
本领域技术人员应该认识到，系统10不局限于诸如探照灯12之 类的装置，并且可以包括其他装置。系统10具有多个传感器20，用 于传感目标14和/或平台16的多个位置信息点。系统10还具有控制 器18、调节装置22，调节装置22用于移动装置12，使得探照灯沿与 目标14的方向具有预定关系的方向。我们认为这需要进一步区分。本 领域的技术人员将认识到，本发明的系统10对以下情况起作用：静止 装置和移动目标；移动装置和静止目标，其中系统将传感装置的位置， 知道目标的位置；或者移动目标和移动装置，其中系统传感两者的位 置；或者固定装置和固定目标。
在本实施例中，指向给定目标14的装置是探照灯12。然而，本 领域的技术人员应该认识到，该装置绝不局限于探照灯，并且可以是 领域中公知的任意电子装置，例如摄像机、救援装置、信标、摄像机、 记录装置、汽车、无线因特网应用、移动电话、追迹装置、运输装置、 建筑物、航线应用或领域中公知的任意其他电子装置。
调节装置22优选地具有多个电动机24。电动机24控制从探照灯 12发出的光束的方位角以及从探照灯发出的光束的仰角。优选地将探 照灯12安装在探照灯平台16上。平台16是弹性结构，优选地由弹性 构件组成，例如钢或热塑性塑料、合成材料、铝或其任意化合物。平 台16可以移动或静止，例如是船、汽车、飞行器或建筑物的一部分。 从例如GPS装置或等效纬度/经度航海系统的多个传感器20获得指向 物(pointer)或平台位置。术语GPS表示全球定位系统，并且该术语在 本领域公知。传感器20优选地接收由接收机处理的编码的卫星信号， 来计算位置、姿态、速度和时间。平台16的姿态可以从提供俯仰 (pitch)和滚动(roll)数据的电子指南针获得，或者从垂直安装的 倾斜仪获得。其后，信息提供平台16的调节或俯仰和滚动。
在本发明的一个实施例中，预先记录目标14的目标位置，并且从 位置定序器26获得。位置定序器26以适当或预定的时间间隔提供位 置信息，以利于系统10的操作。
参考图1所示的系统10的方框图，系统具有控制器18。优选地， 控制器18是适当的微处理器。控制器18优选地接收来自各个传感器 20和/或用户控制的数据。控制器18然后计算定向调节装置22所需 的多个控制信号，或者更优选地计算移动探照灯12的电动机24所需 的控制信号。探照灯电动机24在操作上与探照灯12或装置相连。电 动机24响应之移动并调节探照灯12，以使从探照灯12发出的探照灯 光束保持在希望的目标14上。在本发明的另一个典型实施例中，控制 器18在适当的时间控制探照灯光束的强度。
除了目标位置定序器26之外的整个系统10优选地附着于移动或 静止平台16。目标位置定序器26可以与平台16相连，可以远离平台， 或者根据应用可以没有。
优选地，调节装置22具有多个方位角电动机28和仰角电动机30。 此外，传感器20可以是平台位置传感器32、探照灯导向传感器34、 探照灯仰角传感器36以及俯仰传感器38(pitch sensor)和滚动传 感器40。在图中调节装置22和多个传感器被组合在一起，以表示它 们都与装置或探照灯12机械连接。
系统10还具有手动光位置控制42、操作模式控制44、锁定控制 46、间歇控制48以及扫描控制50。这些都是用户接口控制，可以实 现为硬件开关、来自计算机接口的输入或者远程控制输入。本领域的 技术人员应该认识到，这些控制是可选的，并且系统10可以没有这些 控制。
控制器18可以是定制电子解决方案中的嵌入式的微处理器、基于 商业可用微处理器的控制器或者具有足够输入和输出接口以与传感器 20和调节装置22进行通信的个人计算机。由具有由控制器18执行的 程序指令的适当软件程序来执行引导探照灯12的光束的计算。
探照灯12还可以是定制设计的，或者是商业可用的。探照灯12 优选地具有与多个电动机驱动52相连的调节装置22，电动机驱动52 可操作使探照灯12与调节装置22的电动机24相连。多个电动机驱动 52优选地移动和/或定向从探照灯12发出的搜索光束的方位角和仰 角。探照灯12还具有控制光束强度的强度控制器54，使得可以打开、 关闭或调暗搜索光束。
平台位置传感器32优选地是提供平台16的电子纬度和经度位置 数据的传感器。平台位置传感器32具有足够的分辨率，来以希望的精 确度控制探照灯12。
平台位置传感器32可以是嵌入式的GPS接收机、或者外部商业可 用的GPS接收机。优选地，位置数据不受GPS的限制。可选地，根据 提供的数据的分辨率对于系统10的希望精确度是足够的条件，可以使 用LORAN或其他航海定位系统。
对于固定平台控制器的应用，因为平台16的位置不移动，不需要 平台位置传感器32。在固定平台16的应用中，平台位置传感器32由 平台安装时的预编程的固定纬度和经度或其他坐标系统代替。
在一个实施例中，可以在控制器/微处理器18的固件中实现目标 位置定序器26，以向控制器提供目标位置坐标。可选地，可以由外部 GPS的航点定序器、以及外部计算机或者附着于目标14的GPS的位置 输出，来实现目标位置定序器26。确定坐标的方式以及将其提供给控 制器18的方式确定控制器的系统行为。
探照灯导向传感器34检测探照灯12的水平方向(方位角)。可以 利用安装在探照灯12上的电子指南针来实现探照灯导向传感器34。 在另一个实施例中，电子指南针被安装在船只、车辆或飞行器上，并 且传感探照灯相对于船只导向的光束角的编码器被用于计算探照灯光 束的方位角。在另一个实施例中，利用陀螺仪、惯性方向传感器或其 任意组合来实现探照灯导向传感器34。
探照灯仰角传感器36检测探照灯12的光束角度在水平之上或之 下的仰角。在并入了可选的俯仰和滚动传感器38、40的控制器18中， 如果俯仰传感器被安装在探照灯12上，俯仰传感器可以代替仰角传感 器36。
参考图2的流程图，由微处理器18执行的操作序列使光束定向在 目标14处。由该核心计算之外的过程来处理模式(自动或手动)或特 征(扫描或闪烁控制)的不同。本领域的技术人员应该认识到，该方 法可以是基于电子的，作为例如磁盘驱动或其他非易失性存储器的可 记录介质上的程序指令。
在步骤60，从平台位置传感器32中读取平台位置，即在GPS位 置传感器的情况下为纬度和经度。
在步骤62，从目标位置定序器26中读取目标位置，即纬度和经 度。将相对于平台位置的单位为度数的纬度/经度转换为单位为英尺的 笛卡儿坐标。该转换需要确定纬度和经度的每度的英尺数。这些值随 着纬度而变化，因此以度数为单位的平台16的纬度(LatP)被用作以 下方程组的输入：
纬度的每度的英尺：
FLAT＝364609.32-1836.68cos(2 LatP)+3.855cos(4 LatP)- 0.00755cos(6 Latp)
经度的每度的英尺：
FLON＝365527.69(Latp)-306.76cos(3Latp)+0.387cos(5LatP)
给定纬度和经度的每度的英尺，按照以下方程确定目标14的笛卡 儿坐标(相对于平台16)：
平台向北(如果为负则为南)的距离：
XT＝(LatT-LatP)×FLAT
平台向东(如果为负则为西)的距离：
YT＝(LonT-LonP)×FLON
其中，LatT和LonT分别是目标的纬度和经度。
对于以上方程，根据平台和/目标处于本初子午线和/或赤道的哪 一侧，适当地调整纬度/经度度数值的符号。
从以下方程计算出航点的方位：
arctan(XT/YT)
根据X-Y象限，调节90、180或270度。然后在步骤64，将该结 果与作为平台16的y轴与航点之间的夹角的平台16的导向相加，以 确定探照灯12光束的方位角(AziL)。
通过步骤66，根据探照灯12在地球表面之上的已知高度(HL)， 根据以下方程，计算光束(EleL)的仰角，以及平台16到目标14的 距离：
${\mathrm{Ele}}_L=\arctan \left(\frac{\sqrt{{X_T}^2+{Y_T}^2}}{H_L}\right)-90.0$
在具有明显的平台16的俯仰和/或滚动的应用中，无论是由于例 如非水平平台的静态偏移或动态运动或误差，在步骤68中，方位角和 仰角由传感器20读取，并且通过步骤70，根据俯仰和滚动角度，应 用变换来校正。本领域的技术人员能够理解这种变换，因为这在领域 中是公知的。
一旦知道了希望的方位角和仰角，在步骤72，将方位角和仰角电 动机(3)定向到将探照灯12光束固定在目标14上所需的新的位置。 一旦定向了电动机24，周期重新在步骤60处开始。步骤70可以表现 为多个实施例的形式。可以在使用步进电动机或者DC电动机的脉冲操 作的开环设计中实现电动机控制24。闭环控制设计更精确，并且可以 利用直接安装在探照灯12上的反馈姿态传感器来实现。系统10可以 具有多个反馈传感器20，传感器20可以与包括导向传感器(未示出) 和倾斜仪(未示出)或旋转位置编码器(未示出)的上述传感器相同 或不同。实现方式的选择是偏好、成本和精确度之一。
确定目标14坐标的位置的方式根据控制器18的模式而不同。在 “自动”模式中，从记录的坐标列表中选择坐标。在不同的应用中， 列表可以来自商业可用的GPS单元提供的路径信息、来自附着于目标 14的外部GPS单元、或者来自用户手动输入或由外部计算机提供的数 据。
在“手动模式”或“指向和锁定”操作模式中，用户手动地将探 照灯光束12或其他指向装置定位在目标14上并且按下“锁定”控制。 此时，控制器18根据光束的绝对方位角和仰角，通过计算光束在什么 坐标下与地球表面相交，来计算目标14的坐标。用于计算该坐标的方 程是：
$X_V=\frac{H_L}{\sin (-{\mathrm{Ele}}_L)}\cos \left({\mathrm{Ele}}_L\right)\sin \left({\mathrm{Azi}}_L\right)$
$Y_V=\frac{H_L}{\sin (-{\mathrm{Ele}}_L)}\cos \left({\mathrm{Ele}}_L\right)\cos \left({\mathrm{Azi}}_L\right)$
该坐标点表示“实际航点”，并且被提供给目标位置定序器26作 为目标坐标(XT，YT)，以允许控制器18使探照灯光束12保持固定在 实际航点上，无论平台16移动与否。
对于自动顺序的操作模式，在存在平台16的明显俯仰和/或滚动 (无论由于静止偏移或由于动态运动)的应用中，根据俯仰和滚动角 度，通过应用相同的变换，可以校正计算出的实际航点。
目标位置定序器26的实现方式影响控制器19的整体操作，以控 制自动和手动之间的模式，或者使探照灯12的光束从平台16扫描到 目标14。
在自动模式中，具有一系列静止目标14和一个移动平台16，一 旦平台16已经到达当前的目标14，目标位置定序器26在航点链中选 择下一个航点。
在具有一个静止平台16和一系列静止目标14的应用中(例如安 全探照灯12的应用)，目标位置定序器26以预定时间间隔向控制器 18提供目标坐标列表循环链。
在具有移动目标14以及移动或静止的平台16的应用中，目标具 有至少一个传感器20。传感器20可以检测目标14的位置并且将该数 据发送回目标位置定序器26。目标位置定序器26接收目标位置数据 并且将位置信息提供给控制器18，以允许系统10使探照灯光束12随 着目标改变位置而定向在目标14上。
在单个目标14的情况(例如搜索和拯救操作)下，目标位置定序 器26仅提供该单个目标14的坐标。可以手动地将该目标位置提供给 系统，或者通过目标位置传感器的无线通信自动地提供。
还利用目标位置定序器26来实现扫描特征。在这种情况下，目标 位置定序器26获取当前目标14的位置以及平台16的当前位置。计算 从平台16到目标14的直线上的“n”个中间坐标。从“n”个中间坐 标和目标坐标中创建目标坐标列表的临时循环链。目标位置定序器26 利用坐标之间定时延迟，在坐标之间循环，来照亮计算出的从平台16 到目标14的路径。
需要理解，上述描述仅是本发明的演示。在不脱离本发明的情况 下，可以由本领域的技术人员设想各种选择和修改。因此，本发明意 欲包括所有这种选择、修改和变化。