成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置的設(shè)計(jì)與開發(fā).pdf

1、隨著信息時(shí)代的到來，導(dǎo)航技術(shù)在生產(chǎn)生活以及軍事應(yīng)用等各方面扮演著越來越重要的角色。與慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等技術(shù)相比，天文導(dǎo)航具有自主性強(qiáng)、隱蔽性好、無誤差累積、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、體積龐大，所以應(yīng)用范圍有限。
　　現(xiàn)代生物學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蜣螂、沙蟻等昆蟲能夠利用偏振視覺（對(duì)天空光偏振方向極其敏感的視覺組織、結(jié)構(gòu)及其相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)）感應(yīng)天空光偏振分布，并通過大腦分析偏振方位來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)中的導(dǎo)航定位。這種利用天空光的

2、仿生偏振導(dǎo)航方式受外界環(huán)境干擾更小，且誤差不會(huì)隨時(shí)間積累，擁有更廣闊的發(fā)展前景。
　　本文模仿昆蟲偏振視覺結(jié)構(gòu)，使用商用CMOS圖像傳感器和DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片，結(jié)合微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)與開發(fā)了一種全新的成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置，它可以利用特定時(shí)間、地點(diǎn)天空光相對(duì)穩(wěn)定的偏振分布，計(jì)算裝置偏振零度參考線與子午線的夾角，輸出航向角變化信息，具有更好的適應(yīng)性和魯棒性。
　　本文內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面:
　　首先，研究天空光偏振分

3、布原理，分析成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置的工作方式，設(shè)計(jì)成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置的整體構(gòu)架，搭建成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置的硬件系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由長焦鏡頭、偏振片或金屬光柵偏振器、圖像傳感器及數(shù)字信號(hào)處理器組成。
　　其次，在初步完成成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置搭建的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)和編寫成像式偏振導(dǎo)航裝置內(nèi)部嵌入式系統(tǒng)的工作程序，實(shí)現(xiàn)天空光偏振信息采集、圖像數(shù)據(jù)提取、偏振方位角計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果網(wǎng)絡(luò)傳輸。
　　然后，研究成像式仿生偏振導(dǎo)航算法，

4、選擇強(qiáng)度均勻的偏振圖像區(qū)域提取象素值;引入圖像濾波操作;針對(duì)微納金屬光柵偏振器，計(jì)算微納光柵透射率比值;加入鄰域補(bǔ)償計(jì)算，解決過亮或過暗問題;使用六個(gè)偏振方向光強(qiáng)度，組成關(guān)于斯托克斯矢量的超限定方程組，求偏振方位角的最小二乘解，提高裝置適應(yīng)性和魯棒性;模擬昆蟲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，定性測(cè)量光偏振信息。
　　最后，室內(nèi)、室外不同條件下對(duì)成像式仿生偏振導(dǎo)航裝置的導(dǎo)航性能進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，室內(nèi)精度-0.3～+0.5°，室外精度-1.0～+0.5°，驗(yàn)證