成像式仿生偏振導航裝置的設計與開發(fā).pdf

1、隨著信息時代的到來，導航技術(shù)在生產(chǎn)生活以及軍事應用等各方面扮演著越來越重要的角色。與慣性導航、衛(wèi)星導航等技術(shù)相比，天文導航具有自主性強、隱蔽性好、無誤差累積、可靠性高等優(yōu)點。但是其結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴、體積龐大，所以應用范圍有限。
　　現(xiàn)代生物學家通過實驗發(fā)現(xiàn)，蜣螂、沙蟻等昆蟲能夠利用偏振視覺（對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)）感應天空光偏振分布，并通過大腦分析偏振方位來進行運動中的導航定位。這種利用天空光的

2、仿生偏振導航方式受外界環(huán)境干擾更小，且誤差不會隨時間積累，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)字信號處理芯片，結(jié)合微納加工技術(shù)設計與開發(fā)了一種全新的成像式仿生偏振導航裝置，它可以利用特定時間、地點天空光相對穩(wěn)定的偏振分布，計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，具有更好的適應性和魯棒性。
　　本文內(nèi)容主要有以下幾個方面:
　　首先，研究天空光偏振分

3、布原理，分析成像式仿生偏振導航裝置的工作方式，設計成像式仿生偏振導航裝置的整體構(gòu)架，搭建成像式仿生偏振導航裝置的硬件系統(tǒng)。整個系統(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)字信號處理器組成。
　　其次，在初步完成成像式仿生偏振導航裝置搭建的基礎上，設計和編寫成像式偏振導航裝置內(nèi)部嵌入式系統(tǒng)的工作程序，實現(xiàn)天空光偏振信息采集、圖像數(shù)據(jù)提取、偏振方位角計算以及計算結(jié)果網(wǎng)絡傳輸。
　　然后，研究成像式仿生偏振導航算法，

4、選擇強度均勻的偏振圖像區(qū)域提取象素值;引入圖像濾波操作;針對微納金屬光柵偏振器，計算微納光柵透射率比值;加入鄰域補償計算，解決過亮或過暗問題;使用六個偏振方向光強度，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，提高裝置適應性和魯棒性;模擬昆蟲神經(jīng)網(wǎng)絡，定性測量光偏振信息。
　　最后，室內(nèi)、室外不同條件下對成像式仿生偏振導航裝置的導航性能進行反復測試，室內(nèi)精度-0.3～+0.5°，室外精度-1.0～+0.5°，驗證