仿生偏振光导航中信息获取及姿态解算方法研究

发布时间：2017-10-29 04:24

  本文关键词：仿生偏振光导航中信息获取及姿态解算方法研究

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【摘要】：偏振光导航是在对膜翅目昆虫如沙蚁、蜜蜂、蝗虫、蟋蟀等导航机理的生物学研究基础上发展起来的一种灵活而简便的导航方法,是视觉导航的重要内容,其所依赖的大气偏振模式是地球固有的自然属性,具有稳定性分布的特点,在短时间内很难人为破坏和干扰,特别适合在弱/无卫星信号的陌生环境下实现自主导航,因此该方法无论是在军事领域还是在民用领域,都有着十分诱人的应用前景。正是在这一背景下,本文在对昆虫利用偏振光导航的仿生学研究基础上,结合现代导航理论和方法,提出利用大气偏振模式实现运载体空间姿态参数获取的自主导航方法。对昆虫利用偏振光导航的生物机理进行研究是发展偏振光导航方法的基础。我们总结了文献中对昆虫利用偏振光导航的行为学、解剖学和电生理学的相关研究成果,获取了利用偏振光导航的生物模型。分析了昆虫复眼背部边缘区小眼偏振感知的生物学机理,在此基础上,提出了四通道偏振光传感器及偏振光传感器阵列的制作方法和实现途径,为偏振信息获取和偏振光导航方法的发展奠定了良好的基础。大气偏振数据的准确获取与处理是实现精准导航的必要环节。我们利用Matlab软件,对瑞利散射模型进行重建,获取了晴朗天空下的理想大气偏振模式;利用偏振分析仪和转台,全景镜头与单反相机搭建了两套测量平台,分别用逐点扫描和图像处理的方式获取了实际天空的大气偏振数据。面对获取到的这些具有复杂结构的偏振数据,引入了处理这些大数据的统计方法─聚类分析,将寻求天空显著特征点的问题转化为确定相应偏振度类和偏振角类的类中心问题,利用交替优化的方法确定出数据的最佳匹配结果。在飞行器飞行过程中,姿态参数的实时获取是实现对飞行器控制的关键,也是本研究要解决的核心问题。我们从偏振数据中提取出太阳投影点、太阳子午线、天顶点等特征,获取到偏振模式的结构信息,分别建立了利用偏振的结构信息、天空特征点信息确定飞行器空间姿态参数的三种数学模型,通过追踪这些特征点相对于载体坐标系空间位置的变化,建立姿态变换矩阵方程,求解出姿态参数。实验分析是验证方法有效性和可靠性的必不可少的环节。我们利用获取的偏振数据,对所提的三种方法分别进行静态验证。通过建立的虚拟飞行器控制台,模拟飞行器在空中转动时的姿态变化情况。每次实验中都任意指定其中两个角度,让第三个角度从到变化,利用所提方法计算相应的姿态变化值,计算了每个解算参数的均方根误差并进行了误差分析。本文在生物学研究基础上提出的偏振光导航方法不是对生物模型的简单复制,它是结合现代导航理论发展起来的一种全新的导航方法,既具有生物应用特性,又有现代导航方法的融合,其本身又具有独立性特点,因此,既可作为传统导航理论和方法的补充,也可独立实现对运载体的导航控制。
【关键词】：视觉导航 大气偏振模式 空间姿态 数据处理 聚类分析
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.3;TB17
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 论文的研究目的及意义12-13
• 1.2 相关研究领域及进展13-19
• 1.2.1 导航方法综述13-18
• 1.2.2 导航领域新进展18-19
• 1.3 偏振光导航简述19-26
• 1.3.1 大气偏振模式20-21
• 1.3.2 偏振光导航21-23
• 1.3.3 偏振光导航研究发展现状23-26
• 1.4 论文主要工作及内容安排26-28
• 1.4.1 论文的主要研究内容26
• 1.4.2 论文的章节安排26-28
• 第2章 偏振光导航机理28-46
• 2.1 偏振光及大气偏振模式28-32
• 2.1.1 光的偏振现象及表示28-30
• 2.1.2 大气偏振模式产生的理论基础30-32
• 2.2 昆虫利用偏振光导航的机理32-37
• 2.2.1 昆虫偏振感知的行为学研究32-33
• 2.2.2 昆虫偏振感知的解剖学和电生理学研究33-37
• 2.3 偏振光传感器37-42
• 2.3.1 偏振光传感器37-41
• 2.3.2 偏振光传感器阵列41-42
• 2.4 偏振光导航理论方法的实证研究42-44
• 2.5 解决偏振光导航的关键技术44-45
• 2.6 本章小结45-46
• 第3章 大气偏振模式检测及特征提取46-62
• 3.1 理论大气偏振模式仿真46-50
• 3.1.1 大气偏振模式的数学模型46-47
• 3.1.2 大气偏振模式的理论仿真47-50
• 3.2 实际大气偏振模式检测50-55
• 3.2.1 利用偏振分析仪获取实际大气偏振模式50-53
• 3.2.2 利用全景相机获取实际大气偏振模式53-55
• 3.3 天空特征点信息提取55-59
• 3.3.1 模糊C-均值聚类55-56
• 3.3.2 算法分析56-57
• 3.3.3 实验分析57-59
• 3.4 天顶点空间位置的确定59-61
• 3.5 本章小结61-62
• 第4章 基于太阳子午线与太阳方位信息的姿态解算62-74
• 4.1 坐标系及坐标变换62-64
• 4.2 偏航角的确定64-67
• 4.3 俯仰角和滚转角的确定67-70
• 4.4 实验分析70-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第5章 基于偏振特征点空间位置信息的姿态解算74-90
• 5.1 偏航角的确定74-75
• 5.2 利用太阳投影点坐标确定俯仰角和滚转角75-83
• 5.2.1 理论分析75-77
• 5.2.2 实验分析77-83
• 5.3 利用天顶点坐标确定俯仰角和滚转角83-89
• 5.3.1 理论分析83-85
• 5.3.2 实验分析85-89
• 5.4 本章小结89-90
• 第6章 总结与展望90-93
• 6.1 工作进展总结90-91
• 6.2 论文创新点91
• 6.3 未来工作展望91-93
• 参考文献93-103
• 攻读博士学位期间发表及完成的论文103-104
• 致谢104

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 冯鹏程;胡高歌;高社生;;基于新息正交原理的抗差UKF及其在INS/GPS组合导航中的应用[J];测控技术;2015年10期

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本文编号：1111409