仿生偏振视觉定位定向机理与实验

为了有效利用全天域的偏振光信息,探究仿生偏振光导航机理,设计了偏振视觉传感器。介绍了基于四相机的偏振视觉传感器及其标定方法,推导了冗余配置下偏振态的最小二乘估计算法。分析了基于一阶瑞利散射模型的天空光偏振模式,将太阳方向矢量的最优估计问题转化为求解矩阵的特征向量问题,推导出了基于天空光偏振模式的定位定向算法。最后,设计了静态实验与转动实验,对理论分析结果进行了验证。实验结果显示:测量的天空光偏振模式与瑞利散射模型相一致,并可从中成功提取太阳方向矢量。静态实验测量的太阳天顶角的最大误差约为0.4°,误差标准差为0.14°;基于1h对天空偏振光的观测数据实现的定位误差为68.6km。转动实验(转动两周)得到的最大定向误差约为0.5°,误差标准差为0.28°。研究结果揭示了生物利用偏振光导航的机理,为仿生偏振光导航的应用提供了理论依据。     

基于大气偏振模式的三维姿态信息获取

现有的偏振光导航方法提供的二维方向信息不能满足导航的实际需求,因此,本文提出了一种利用大气偏振模式获取三维姿态信息的方法,选取太阳作为空间显著特征点,利用大气偏振模式信息计算出载体在两次不同状态下的太阳空间位置信息,通过建立姿态变换矩阵获得了载体的三维姿态信息。最后,对不同天气条件、不同太阳空间位置、不同波段以及天空被部分遮挡情况下太阳空间位置计算的误差分布情况进行了仿真分析和实际测量。实验结果显示,当天空有气溶胶粒子分布时,蓝色波段下的计算误差最小,方位角和高度角的误差分别为1.50°和2.10°;当观测视场中有树木遮挡时,方位角和高度角的平均误差分别为0.91°和1.97°,由此表明本文方法能够有效提取太阳的空间位置,获得载体的三维姿态信息,并满足实际导航的需求。     

基于地磁/惯性算法的行人导航系统设计

设计了基于52单片机为控制器的简易行人导航系统,利用MPU6050运动处理传感器计算实时三轴加速度、速度,采用QMC5883L弱磁通传感器得到实时航向角,这些采集到的数据经过处理即可获取行人的位置数据、行走方向、行走速度,并通过LCD12864将数据显示出来,实现行人位置及运动状态的实时定位。通过对系统实物进行测试,得到了基本的行人导航所需简易信息参数,验证了本设计的正确性。     

阵列式偏振导航传感器及其鲁棒性算法实现

当昆虫视野内存在部分遮挡时,能够依靠其复眼背部边缘区域中偏振敏感多小眼结构,感知天空偏振光信息进行导航。模仿该偏振敏感多小眼结构设计了阵列式偏振导航传感器。实际应用中,传感器视野内的随机遮挡、金属纳米光栅偏振器局部缺陷和尖锐噪声等造成各偏振方向内存在干扰像素影响偏振光强提取,基于线性灰度拉伸的Otsu阈值分割及3σ法则,提出了一种具有鲁棒性的偏振光强提取算法。首先,详述了传感器的偏振导航算法和传感器组成;然后,基于MFC对话框项目,开发了传感器的实时监控界面,实时显示偏振信息变化,数据更新率达10 Hz;最后,对传感器进行了测试实验。标定实验结果表明:该传感器性能稳定,定向精度±0.25°;在室外有无遮挡条件下的对比实验结果表明:该传感器能适应视野内的部分遮挡环境,具有较好的鲁棒性。     

多目视觉与激光组合导航AGV精确定位技术研究

为进一步提高自动导引车(AGV)的定位精度,提出了一种多目视觉与激光组合导航的精确定位方法。该方法首先提出了一种基于双目视觉实时测量的AGV位姿控制技术,通过多目视觉系统来识别导引线侧的多个圆形标识点完成前瞻预判与精准定姿。采用基于代数距离方差校验的改进型最小二乘拟合椭圆算法来确定各标识中心坐标,结合激光扫描与视觉定位信息,采用无迹卡尔曼滤波算法进行多传感器信息融合,最终实现精确定位。实验结果表明:使用该方法后定位精度明显得到提高,控制曲线更为平滑,定位鲁棒性更好,姿态调整精度可达±0.5°,停车定位精度可达±1 mm。     

单舵轮AGV路径跟踪方法的研究

路径跟踪是AGV的基本功能模块之一,其主要功能是根据导航传感器的返回信号,实时计算并修正行走位置偏差,使AGV沿规定的导引路径行驶.其中,实时定位方法是路径跟踪技术的基础与核心.本文针对单舵轮AGV,提出了一种基于编码器信号计算的三自由度实时定位方法,通过定位信息互补,可以使AGV路径规划更加灵活,定位精度得到提高.     

装备移动物联网仪表的区域通信信息自动化实时定位

现有的区域通信信息自动化定位方法难以保证通信信号在传输过程中的完整性,导致信息节点定位误差较大,为提高实时定位精度,设计装备移动物联网仪表的区域通信信息自动化实时定位方法。重构移动物联网区域通信信号,依据流程分别获取区域通信的信号参量,并基于噪声影响判定信号重构的损耗。计算信息节点坐标,在三维空间坐标中计算模糊节点与目标节点之间的距离,通过锚节点的运动速度与方向,计算并更新节点位置坐标。设计区域通信信息实时定位算法,通过修正因子计算无效节点,实现区域通信信息的自动化实时定位。测试不同算法定位性能,通过实验结果可知,装备移动物联网仪表的信息定位算法在传感器感知半径为0.6,信息节点的数量为30,传感器数量为40时,信息定位误差均低于其他三种算法,可见该方法的区域通信信息定位精度更高。     

高精度太阳跟踪传感器研究

针对现有光伏发电过程中太阳跟踪传感器检测精度低、检测算法复杂等问题,提出了一种基于光学位置检测原理的太阳跟踪传感器方案,方案利用线性CCD检测太阳光线位置后实现传感器和太阳方向的偏差角度测量。为提高光线位置检测精度,在现有的质心算法基础上进行了算法改进,采用加权质心算法对光线中心位置进行定位。同时,为了使传感器实现从日出到日落全过程中的太阳跟踪,传感器中嵌入了依据视日运动轨迹的太阳位置计算程序。实验数据表明,传感器的检测精度可达0.1°,验证了方案的可行性和准确性。     

偏振光传感器的无人船导航与编队应用

为了实现偏振光传感器在水面波动环境下及编队协同情境下的应用,并提升无人船导航的抗电磁干扰能力,设计了一种基于偏振光传感器、微惯性测量单元(MIMU)及全球定位系统(GPS)的组合导航系统,为偏振光传感器集成了云台底座,并搭建偏振光无人船平台进行了导航及编队实验。介绍了偏振光导航原理及无人船编队原理;基于卡尔曼滤波设计了偏振光传感器/MIMU/GPS组合导航算法;基于上述组合导航算法进行了无人船的循迹与编队实验。循迹对比实验结果表明:无人船利用偏振光传感器进行组合导航的航向角误差为6.055°,位置误差为0.209 m,在磁罗盘受干扰的情况下偏振光组合导航系统仍可正常工作;编队实验结果表明:领航船循迹误差为0.425 m,跟随船编队误差为0.707 m。该偏振光传感器可应用于水面环境导航,偏振光组合导航系统可用于无人船导航与编队。     

快件分拣机器人导航定位系统的研究

为了解决物流中心快件自动分拣机器人导航定位精度的问题,采用惯性导航技术为主、视觉导航为辅的多种传感融合定位方式,设计了具有位置与方向信息的二维码数字标签,利用CCD工业相机获取二维码图像信息,结合microscan(迈斯肯)软件模块对图像的识别判断出分拣机器人小车相对于世界坐标的位置与偏转角度,便于进一步对机器人小车控制系统的设计。实验数据与实际应用结果表明:分拣机器人小车视觉导航定位系统是可行与有效的,且具有精度高、识别耗时低、计算量小等优点,能够满足分拣机器人工作时的导航定位精度要求。     

天空实时全偏振成像探测器设计与搭建

生物利用天空偏振光进行导航的方式给科研人员很大的启发,越来越多的学者正在进行这方面的研究。精确的天空偏振场图是进行偏振导航的前提条件,为了获取更加准确的天空偏振场图,许多成像式偏振探测装置被开发出来。本文提出了一种新型的实时全偏振一体式成像探测传感器,可以获取全参数Stokes矢量,进而解算出目标的AOP、DOP、LDOP和CDOP等信息。基于C++语言和OpenCV库,采用MFC架构开发了上位机程序,实现了目标偏振信息的实时显示。在最大分辨率下,视频流的刷新率为3frame/s,基本满足了实时探测的需要。对晴朗天气条件下天空偏振场图进行了实际探测,实验过程中探测器性能稳定,天空偏振场图与瑞利散射模型具有较高的一致性,太阳子午线动态识别误差为0.01°~0.23°,初步证明了探测器的可靠性,为后续工作奠定了基础。     

天空偏振模式对仿生偏振光定向的影响及实验

针对工程应用中仿生偏振光罗盘易受天气和太阳位置等因素的影响,存在定向精度低、稳定性差等问题,研究了天空偏振模式对偏振光定向的影响机理。建立了含有偏振模型误差的偏振光定向模型,推导了仿生偏振光罗盘的航向角解算方法;然后系统分析了模型误差对偏振光定向精度的影响机理,指出了载体水平角和太阳高度角是决定模型误差影响程度的主要因素;最后设计了静态实验与跑车测试,评估了不同水平角和太阳高度角时,模型误差对偏振光定向精度的影响。结果表明:当太阳高度角hs40°时,偏振光定向误差为0.729°;当40°hs75°时,误差为3.764°;精度明显降低。另外,载体水平角越大,模型误差角对定向精度的影响程度也越显著;载体水平时,定向误差为0.323°,而倾斜后误差增大为1.352°。文中对仿生偏振光定向的影响机理分析为补偿偏振模型误差,实现高精度偏振光定向提供了理论依据。     

一种基于GPS的新型太阳光全自动跟踪控制系统的设计

太阳光照明系统的一个关键问题就是如何实时确定太阳的位置.该文介绍了一种基于GPS的新型太阳光跟踪控制系统,利用GPS得到观测点的经纬度和当前的时间,由Atmega168单片机计算出观测点此时太阳的高度角和方位角,然后控制步进电机转动云台,实现太阳的准确跟踪.控制系统使用角位置探测器对系统进行校准,可达到0.5度的精度.     

基于二维光栅和检偏器阵列的实时空间偏振解码技术

提出了一种基于二维光栅和检偏器阵列的空间偏振解码技术。编码光场中一部分光束经过孔径光阑、1/4波片后由二维光栅衍射分束,不同级次的衍射光被聚焦在空间滤波器上获得(±1,±1)级四个衍射光束,它们经检偏器阵列后被探测器阵列所接收,利用探测到的四路光强信号可以实时解码得到空间位置信息。该技术可将空间偏振编码的相位延迟量范围扩大到-180°～180°,在相位延迟量-90°、90°附近仍可以精确解码。实验采用的空间编码光场的测量范围为-9.32～9.68 mm,三次实验结果的最大测量误差为0.15 mm,很好地验证了该技术的有效性。     

Y形和Y环形单元特性的实验对比研究

采用镀膜和光刻技术设计并制备出了2种衬底厚度不同的Y孔单元和Y环孔单元的FSS,在0°和45°入射角下分不同的极化波进行了测试,经对比研究发现,在大角度入射下Y环单元FSS比Y孔单元FSS有更为稳定的中心频率,更窄的带宽;Y环单元FSS对垂直和水平极化波的适应性更强,滤波特性较Y孔单元FSS更明显;介质厚度的变化对Y孔中心频率、带宽的影响要比Y环单元FSS的大得多。所以,从中心频率、带宽随介质衬底厚度、入射角度、不同极化方式的变化情况看,Y环单元比Y孔有更稳定的性能。     

偏振导航传感器测角误差分析与补偿

借鉴沙漠蚂蚁等昆虫利用天空偏振模式进行导航的方法,设计了偏振传感器来获取导航系统的航向角。为提高偏振传感器的测角精度,研究了影响偏振传感器测角精度的误差因素与补偿方法。讨论了如何利用偏振传感器从天空偏振模式中提取偏振方位角信息的方法,分析了影响偏振测角精度的主要误差因素,建立了偏振传感器的测角误差模型。根据测角误差模型,推导了偏振方位角的解算方法,并利用最小二乘算法,通过估算模型的误差参数值间接补偿测角误差。最后,采用提出的误差补偿算法在晴朗天气下进行了实验测试。测试结果表明：误差补偿后测角精度得到明显提高,约为0.17°（3σ）。实验结果验证了提出的误差补偿算法可以实现对角度误差的有效补偿。     

基于激光位移传感器的面角度测量技术研究

针对面角度现场测试需求,利用激光位移传感器的漫反射测量特性,搭建了面角度非接触测量装置,提出了一种结合三坐标测量机和位置敏感探测器对激光位移传感器进行空间坐标化标定的方法,从而构建出精确的面角度测量模型;采用蒙特卡洛法对面角度非接触测量装置的不确定度进行评定,在±25°测量范围内其结果为U=0.044°~0.046°(k=2);通过性能验证试验、重复性试验和稳定性试验对装置的性能指标进行考核,在±25°测量范围内其绝对测量示值误差不超过0.036°,重复性不超过0.004°,稳定性不超过0.021°;实验结果表明该基于激光位移传感器的面角度非接触测量装置准确可靠,具备开展面角度现场测试应用的前景。