面向地面无人平台的仿生偏振光定向算法

仿生偏振光定向为地面无人平台提供了一种新型的低成本、小型化定向方式。设计了一种基于微阵列式偏振光栅的仿生光罗盘,实现了一种加权平均的偏振光定向算法,分析了大气偏振模式误差、太阳位置误差、偏振光传感器误差和水平姿态角误差等因素对航向角估计精度的影响。实验结果表明,动态车载条件下定向误差小于0.5°。     

仿生导航技术综述

仿生导航技术是一种模仿动物导航机理的新型导航技术,涉及认知科学、机器学习、计算机视觉和信息融合等多个学科。仿生导航因具有自主性好、自适应性强等特点,近年来成为了导航领域的研究热点之一。首先阐述了仿生导航的内涵,然后从仿生导航传感器技术和仿生导航方法两个方面简要介绍了国内外研究现状和发展趋势。其中,仿生导航传感器技术包括了仿生光罗盘、仿生磁罗盘、仿生复眼等内容;仿生导航方法主要涉及导航经验知识的表达与机器学习、仿生多源异质导航信息融合、面向任务的仿生路径规划与导航等。最后,对仿生导航技术进行了总结,并对未来发展进行了展望。     

基于EMD-TFPF的仿生偏振光罗盘去噪方法

为了提高仿生偏振光罗盘定向精度,降低罗盘在进行航向角测量时存在的高斯白噪声,基于经验模态分解(EMD)和时频峰值滤波(TFPF),设计了一种用于仿生偏振光罗盘的EMD-TFPF联合去噪方法.在去噪过程中,首先将含噪声的航向角信号分解为不同的模态,对不同模态采用不同窗长进行时频峰值滤波,进而改善了单一窗长去噪对有用信号造成的衰减,有效提高了去噪算法的自适应能力.经过机载实验验证,采用该方法去噪后的仿生偏振光罗盘可以实现定向精度0.3259°,比原始信号精度提升了18.4％.     

一种基于改进太阳子午线拟合方法的仿生偏振光定向系统

为设计一种自主性强、精度高、抗电磁干扰能力强的定向系统,以昆虫获取大气偏振模式的感知机理为基础,设计了一种新型的成像式仿生偏振光定向系统.该系统使用具有微偏振阵列结构的CMOS相机作为主要的偏振信息采集设备,使用DSP/ARM架构的NVIDIA JETSON TX2嵌入式处理器进行信息解算,具有体积小、运算能力强等优点.通过研究大气偏振模式中偏振度和偏振角图像的对称性,针对已有航向角解算方法在太阳子午线提取精度方面的不足,设计了一种对称轴粗提取之后通过连续旋转法精确提取太阳子午线的算法,最终实现定向精度0.3335°,在最小二乘对称轴粗提取法的基础上定向精度提升了19.05％.     

基于局部大气偏振特性的仿生导航方法

目前主流的偏振导航算法中，思路通常为通过对全天域偏振图像的获取拟合出太阳子午线或中性点的位置，进而判断导航方向。现提出一种新的导航方向获取算法，可在小视场条件下，通过对太阳方向矢量的拟合判断导航方向。在此基础上进行了计算机仿真和室外实验，利用偏振相机获取了天顶区域大气偏振分布模式；利用斯托克斯矢量分析法解算出了大气偏振模式的分布情况，包括其中偏振度和偏振角的信息，初步证实了解算算法在实际情况下的可行性和精度，导航精度可达到0.2°左右。     

新型电子罗盘在组合航向系统的应用

HMR3300电子罗盘是一种新型的磁航向传感器,能输出航向、俯仰、侧滚三个方向上的姿态数据,可以满足小型航向测量系统设计的要求。但该模块却易受外界干扰磁场的影响,因此,本文提出了一种电子罗盘和角速度陀螺配合使用的组合航向系统,并论述了HMR3300在该系统中的应用。     

姿态航向参考系统中磁罗盘安装误差补偿研究

在飞行状态下,姿态航向参考系统的航向由磁航姿计算机的姿态和磁罗盘的磁通量算得,由于磁罗盘和航姿计算机在机上有安装误差,使得算出的航向有一定偏差,针对这一问题,文章提出了一种补偿机上磁罗盘安装误差的方法。机上试验表明:该方法补偿了磁罗盘在机上的安装误差,可有效提高磁航向的精度。     

基于大气偏振光的载体姿态参数提取方法

大气偏振模式是地球自有属性,可为大气层内的生物和载体提供导航信息.提出一种利用大气偏振模式矢量性特征获取载体姿态参数的直接方法,首先利用图像法从单反相机获取的180°全天域灰度图中重建出大气偏振模式,然后对该模式进程进行分析和处理,确定出天空每个测量点的E-矢量信息,接着利用这些E-矢量建立载体的姿态变换矩阵,最后引入奇异值分解的经典方法最小化误差函数,获取到载体的姿态参数.该方法的有效性通过模拟飞行器控制台得以验证,最大解算偏差不超过0.5°.     

一种改进的RatSLAM仿生导航算法

RatSLAM 是模拟鼠类感知环境机制提出的一种定位与构图的导航算法, 算 法的提出者利用该方法成功地进行了66km 的车载试验。在机器人导航领域,RatSLAM 是非常优秀的纯视觉仿生导航算法。然而,该算法完全依赖视觉信息,在复杂的环境中 存在可靠性低、导航精度不高的问题。在RatSLAM 的基础上引入光学双轴速度传感器和 MIMU 信息, 建立了融合光学双轴速度传感器和MIMU 信息的航位推算模型, 对Rat- SLAM 仿生导航算法进行了合理改进,搭建了硬件系统并进行了动态车载实验。实测结 果表明改进的仿生导航算法环境适应性更强、导航精度更高。     

大视场紧凑型仿生复眼成像系统研究

针对视觉导航系统对小型化、超分辨成像和近程立体视觉的需求,研究了一种基于微端面光纤面板的大视场紧凑型仿生复眼成像系统。利用视轴发散的微小型透镜组进行大视场成像,并以切削斜端面的光纤面板进行图像传输,将大面阵(5120×5120像素)CMOS相机与光纤面板后端面直接耦合实现图像输出,可实现9个视场部分重叠子孔径图像同步实时输出和采集。在实时化拼接处理中,利用CUDA并行加速方法进行图像拼接,单帧的拼接耗时小于30ms。视场部分重叠复眼成像模式还可配置偏振片或滤光片构成全偏振或多光谱成像,在天空偏振光导航、无人机紧急避障、弹载侦察、近程引信以及水下无人潜航器导航等领域具有广泛的应用前景。     

A multiscale transform denoising method of the bionic polarized light compass for improving the unmanned aerial vehicle navigation accuracy

In recent years, the bionic polarized light compass has been widely studied for the unmanned aerial vehicle navigation. However, it is found from the obtained investigation results that a polarized light compass with a sensitive and high dynamic range polarimeter still provides inferior output precision of the heading angle due to the presence of the noise generating from the compass.The noise is existed not only in the angle of the polarization image acquired by polarimeters but also in the out...     

Bioinspired polarized light compass in moonlit sky for heading determination based on probability density estimation

Bioinspired polarized skylight navigation, which can be used in unfamiliar territories, is an important alternative autonomous navigation technique in the absence of Global Navigation Satellite System(GNSS). However, the polarization pattern in night environment with noise effects and model uncertainties is a less explored area. Although several decades have passed since the first publication about the polarization of the moonlit night sky, the usefulness of nocturnal polarization navigation is ...     

多云天气条件下的大气偏振光定向方法

针对多云天气情况下传统的偏振光定向算法精度下降的问题,提出了一种用于多云天气条件下的大气偏振光定向方法。首先,根据已知信息建立任意一个像素点的偏振光定向模型;然后,基于上一步得到的定向模型,利用随机抽样一致算法筛选出符合要求的内点,并根据筛选出的这些内点得出最符合要求的定向模型;最后,利用选取出的最优的定向模型解算出航向角,实现了基于大气偏振光的定向。通过实际数据证明了该方法的有效性,解算出的航向角误差在少云情况下小于0.5°、多云情况下小于1°。     

恶劣天气下的仿生偏振定向方法

针对偏振光导航在恶劣天气下精度显著下降的问题,提出了一种可以在恶劣天气下基于大气偏振模式的定向算法。与现有方法相比,首次将三维块匹配与canny边缘检测结合的思想应用于修复被不同天气破坏的偏振角度图像中。具体而言,将偏振角度图像的修复分为噪声粗处理和边缘提取处理去噪两部分。在噪声粗处理阶段采用三维块匹配算法,在边缘提取处理去噪部分,利用canny边缘检测算法对偏振角度图像进行二次去噪。实验结果表明,该方法不仅能够提高晴朗天空下的定向精度,而且能够显著提升在阴天、沙尘、雾霾等恶劣天气条件下的导航定向精度,即使在偏振角图像对称∞模式被破坏的情况下,航向角精度仍可由9.4470°提高到1.6859°。     

一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法

针对现有组合导航系统易被干扰欺骗以及姿态求解精度不足的问题，设计了惯性测量单元(IMU)与偏振光传感器组成的航姿参考系统(AHRS)。同时，考虑到传统的姿态求解方法精度不高，提出了一种用于仿生导航无人机航姿求解的混合滤波方法。将Mahony滤波后的姿态值作为系统观测量，再结合扩展卡尔曼滤波(EKF)实现传感器数据的深层融合，以获得高精度的姿态角信息。实验结果表明：在静态环境下采用混合滤波方法求解的姿态值能有效滤除偏振光传感器和加速度计内部噪声干扰，其稳定性明显优于两种方法各自求解时的情况；在动态实验中该方法能有效抑制单独采用Mahony滤波时存在的超调问题，表现出更高的动态解算精度，从而为偏振光组合导航系统提供了更精确的姿态估计信息。     

Solar-tracking methodology based on refraction-polarization in Snell's window for underwater navigation

Underwater navigation system is an indispensable part for autonomous underwater vehicles. Due to the indiscernibility of satellite signal, however, the underwater navigation problem is quite challenging, and a satellite-free navigation scheme should be looked for. Polarization navigation, inspired by insects’ capability of autonomous homing and foraging, is an alternative solution to satellite navigation with great application potential. Underwater polarization provides an indirect sun compass t...