仿生偏振光導(dǎo)航中信息獲取及姿態(tài)解算方法研究.pdf

1、偏振光導(dǎo)航是在對膜翅目昆蟲如沙蟻、蜜蜂、蝗蟲、蟋蟀等導(dǎo)航機(jī)理的生物學(xué)研究基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種靈活而簡便的導(dǎo)航方法，是視覺導(dǎo)航的重要內(nèi)容，其所依賴的大氣偏振模式是地球固有的自然屬性，具有穩(wěn)定性分布的特點(diǎn)，在短時間內(nèi)很難人為破壞和干擾，特別適合在弱/無衛(wèi)星信號的陌生環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，因此該方法無論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域，都有著十分誘人的應(yīng)用前景。正是在這一背景下，本文在對昆蟲利用偏振光導(dǎo)航的仿生學(xué)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代導(dǎo)航理論和方法，提

2、出利用大氣偏振模式實(shí)現(xiàn)運(yùn)載體空間姿態(tài)參數(shù)獲取的自主導(dǎo)航方法。
　　對昆蟲利用偏振光導(dǎo)航的生物機(jī)理進(jìn)行研究是發(fā)展偏振光導(dǎo)航方法的基礎(chǔ)。我們總結(jié)了文獻(xiàn)中對昆蟲利用偏振光導(dǎo)航的行為學(xué)、解剖學(xué)和電生理學(xué)的相關(guān)研究成果，獲取了利用偏振光導(dǎo)航的生物模型。分析了昆蟲復(fù)眼背部邊緣區(qū)小眼偏振感知的生物學(xué)機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，提出了四通道偏振光傳感器及偏振光傳感器陣列的制作方法和實(shí)現(xiàn)途徑，為偏振信息獲取和偏振光導(dǎo)航方法的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
　　

3、大氣偏振數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確獲取與處理是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航的必要環(huán)節(jié)。我們利用Matlab軟件，對瑞利散射模型進(jìn)行重建，獲取了晴朗天空下的理想大氣偏振模式;利用偏振分析儀和轉(zhuǎn)臺，全景鏡頭與單反相機(jī)搭建了兩套測量平臺，分別用逐點(diǎn)掃描和圖像處理的方式獲取了實(shí)際天空的大氣偏振數(shù)據(jù)。面對獲取到的這些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的偏振數(shù)據(jù)，引入了處理這些大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法—聚類分析，將尋求天空顯著特征點(diǎn)的問題轉(zhuǎn)化為確定相應(yīng)偏振度類和偏振角類的類中心問題，利用交替優(yōu)化的方法確定出數(shù)

4、據(jù)的最佳匹配結(jié)果。
　　在飛行器飛行過程中，姿態(tài)參數(shù)的實(shí)時獲取是實(shí)現(xiàn)對飛行器控制的關(guān)鍵，也是本研究要解決的核心問題。我們從偏振數(shù)據(jù)中提取出太陽投影點(diǎn)、太陽子午線、天頂點(diǎn)等特征，獲取到偏振模式的結(jié)構(gòu)信息，分別建立了利用偏振的結(jié)構(gòu)信息、天空特征點(diǎn)信息確定飛行器空間姿態(tài)參數(shù)的三種數(shù)學(xué)模型，通過追蹤這些特征點(diǎn)相對于載體坐標(biāo)系空間位置的變化，建立姿態(tài)變換矩陣方程，求解出姿態(tài)參數(shù)。
　　實(shí)驗(yàn)分析是驗(yàn)證方法有效性和可靠性的必不可少的環(huán)節(jié)。

5、我們利用獲取的偏振數(shù)據(jù)，對所提的三種方法分別進(jìn)行靜態(tài)驗(yàn)證。通過建立的虛擬飛行器控制臺，模擬飛行器在空中轉(zhuǎn)動時的姿態(tài)變化情況。每次實(shí)驗(yàn)中都任意指定其中兩個角度，讓第三個角度從-90°到90°變化，利用所提方法計(jì)算相應(yīng)的姿態(tài)變化值，計(jì)算了每個解算參數(shù)的均方根誤差并進(jìn)行了誤差分析。
　　本文在生物學(xué)研究基礎(chǔ)上提出的偏振光導(dǎo)航方法不是對生物模型的簡單復(fù)制，它是結(jié)合現(xiàn)代導(dǎo)航理論發(fā)展起來的一種全新的導(dǎo)航方法，既具有生物應(yīng)用特性，又有現(xiàn)代導(dǎo)航方