偏振光辅助定姿在基于光流自主导航中的应用.pdf

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1、2011年第3O卷第1期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)137偏振光辅助定姿在基于光流自主导航中的应用黄显林，刘佳琦，卢鸿谦(哈尔滨工业大学控制理论与制导技术研究中心，黑龙江哈尔滨150001)摘要：根据大气偏振光分布特点和偏振光导航原理搭建三通道测量平台对偏振光信息进行采集，通过视觉图像特征的空间梯度瞬时变化率计算飞行器周围环境的稀疏光流场。结合大气偏振光与运动环境光流信息构造基于GPS／惯导／偏振光／光流组合导航系统。分别对高度、姿态角和速度误差进行估计并进行算法仿真，结果表明：该方法具有较高精确度，对未来无人机火星探索应对特殊环

2、境挑战提供新的导航途径。关键词：昆虫灵感；自然偏振光；光流；组合导航中图分类号：V241．62文献标识码：A文章编号：1000--9787(2011)01-0137-04Applicationofpolarized-light—aidedattitudedeterminationinoptical·flow—basedautonomousnavigationHUANGXian—lin，LIUJia—qi，LUHong—qian(CenterforControlTheoryandGuidanceTechnology，HarbinInstituteofTechnology，Harbin15000

3、1，China)Abstract：Basedonthecharacteristicsofpolarizedlightdistributionintheairandnavigationprinciple，athree—channelpolarizedlightmeasurementplatformisbuiltuptocollectpolarizationinformation．Opticalflowcanbedeterminedbycomputingtheratioofspatialtotemporalintensitygradientsofthevisualimage'sfeatures．

4、PolarizedlightinformationandopticalflowinformationthroughKalmanfilterisintegratedtoconstructnavigationsystembasedonGPS，INS，polarizedlightandopticalflow．Theresultsofsimulationsandestimationsofaltitude，attitudeangles，andvelocityerrorofaircraftshowthatthismethodhashighaccuracy，anditprovideanewnavigati

5、onpathtomeetthechallengesofMarsforUAVs．Keywords：insectinspired；naturalpolarizedlight；opticalflow；integratednavigation0引言取为飞行器在复杂环境中实现自主导航提供了新的方法和RayleighL于1871年对因大气分子散射而产生的晴朗手段。基于昆虫灵感的微型飞行器技术以其广泛的应用范天空大气散射现象进行了理论解释。在随后的200多年围和巨大的利用价值引起众多国家的兴趣并投入重金进行研究。LambrinosD等人于2000年成功完成利用偏振光敏中众多学者对大气偏振现象和成因机理进行

6、了大量的研究感器进行航向修正的自主导航机器人的实验。France—和解释。近代，电子技术的发展为偏振光的测量提供了更schiniN等人于2003年通过对苍蝇视觉系统的研究，模拟加高效、准确的有利条件。BrinesML等人于1981年通过苍蝇利用光流(opticalflow)信息避障的方法研制出基于光对普林斯顿大学上空的偏振光分布进行研究；对天空中的流信息导航的机器人。NASA的喷气推进实验室(Jet偏振模式进行有效的建模和标定。LeeRL于1998年运PropulsionLaboratory)于2004年为应对火星多磁极、低重力用图像处理技术利用Stokes参数对多次散射条件下的大气以及无线

7、电导航困难等情况提出应用于火星探测计划的基偏振模式进行研究，得到了天空偏振现象更加准确的解于透视光流法和大气偏振光辅助的组合导航方法并研制出释引。导航芯片和两类实验飞行器J。我国学者褚金奎等人通随着拟生技术(bioinspiredengineering)的进步，到了20世纪9O年代，模拟蜜蜂、蚂蚁以及蝴蝶等昆虫的视觉导航过实验对导航信息进行提取以及对大气自然光偏振分布模方式成为可能。偏振光分布、光流以及其他物