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一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统

阅读：612发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，包括多光谱仿生偏振模块，地平线姿态传感模块，光流传感模块，惯性辅助模块，光学导航信息融合处理器，存储模块，通信模块，电源模块及接口电路。多光谱仿生偏振模块包括绿色光谱、蓝色光谱、紫外光谱偏振传感器和多光谱航向解算单元；地平线姿态传感模块包括CCD相机、RJ45接口和姿态信息解算单元；光流传感模块包括光流传感器组、I2C接口和光流处理单元；惯性辅助模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；存储模块用于存储导航信息。本发明基于自然生物对光学信息的感知特性实现全光学信息的自主导航，不依赖GNSS等有源导航方式，适用于电磁干扰等环境复杂未知的应用领域。，下面是一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述导航系统不依赖GNSS有源导航信号，具有高度的自主性；它包括：光学导航数据融合处理器(1)、多光谱仿生偏振模块(2)、地平线姿态传感模块(3)、光流传感模块(4)、惯性辅助模块(5)、电源模块(6)、存储模块(7)、通信模块(8)和接口电路(9)；
所述的多光谱仿生偏振模块(2)通过解算不同波段天空光的偏振度和偏振方位角信息，为导航系统提供航向参数；多光谱仿生偏振模块(2)包括：绿色光谱偏振传感器(18)、蓝色光谱偏振传感器(19)、紫外光谱偏振传感器(20)和多光谱航向解算单元(17)；绿色光谱偏振传感器(18)采集天空偏振光绿光波段的偏振方位角和偏振度信息，蓝色光谱偏振传感器(19)采集天空偏振光蓝光波段的偏振方位角和偏振度信息，紫外光谱偏振传感器(20)采集天空偏振光紫外波段的偏振方位角和偏振度信息，多光谱航向解算单元(17)依据绿色光谱偏振传感器(18)、蓝色光谱偏振传感器(19)和紫外光谱偏振传感器(20)获得的偏振度参数，切换使用绿色、蓝色、紫外光谱偏振传感器的偏振方位角参数，满足各种复杂天气状况下偏振信息的测量，偏振信息的多源测量保证导航系统具有良好的环境适应性；
所述地平线姿态传感模块(3)通过提取图像中的地平线信息，为导航系统提供载体的横滚角和俯仰角量测信息；它由CCD相机(23)、RJ45 通信接口(22)和姿态信息解算单元(21)组成；通过载体前视CCD相机(23)采集图像，并从图像中提取地平线信息，在姿态信息解算单元(21)中根据地平线信息在相机坐标系和导航坐标系之间的坐标确定载体的横滚角和俯仰角；
所述光流传感模块(4)，测量载体的运动速度，为导航系统提供三维速度量测信息；它由光流传感器组(24)、I2C通信接口(25)和光流处理单元(26)组成；
所述的惯性辅助模块(5)提供惯性信息对全光学导航系统进行辅助导航；它由三轴陀螺仪(27)和三轴加速度计(28)组成；
所述通信模块(8)用于多光谱仿生偏振模块(2)、地平线姿态传感模块(3)、光流传感模块(4)和惯性辅助模块(5)与光学导航信息融合处理器(1)进行数据传输，它包括USART1(13)、USART2(14)、USART3(15)和SPI(16)；
所述的存储模块(7)与光学导航信息融合处理器(1)相连，用来存储导航解算的数据；
所述的电源模块(6)分别与光学导航信息融合处理器(1)、多光谱仿生偏振模块(2)、地平线姿态传感模块(3)、光流传感模块(4)、惯性辅助模块(5)和存储模块(7)连接，为各模块的正常运转提供能源；
所述的全光学仿生导航系统中，多光谱仿生偏振模块(2)的绿色光谱偏振传感器(18)、蓝色光谱偏振传感器(19)和紫外光谱偏振传感器(20)分别独立解算不同波段天空光的偏振度和偏振方位角信息，经多光谱航向解算单元(17)得到载体航向信息和偏振信息，通过USART1(13)通信传输到光学导航信息融合处理器(1)；CCD相机(23)通过RJ45通信接口(22)与姿态信息解算单元(21)连接，解算后的载体姿态信息通过串口通信分别传输到多光谱仿生偏振模块(2)和光学导航信息融合处理器(1)；光流传感模块(4)中，光流传感器组(24)采集的光流数据经I2C通信接口(25)传输到光流处理单元(26)，解算获得速度信息通过USART3(15)通信传输到光学导航信息融合处理器(1)；惯性辅助模块(5)通过SPI(16)通信与光学导航信息融合处理器(1)连接，采集加速度计和陀螺仪数据进行辅助导航传输至光学导航信息融合处理器(1)；
所述光学导航信息融合处理器(1)将来自多光谱仿生偏振模块(2)的天空偏振信息、地平线姿态传感模块(3)的载体姿态信息、光流传感模块(4)的载体速度信息和惯性辅助模块(5)的加速度和陀螺仪信息进行卡尔曼数据融合，获得载体的位置、速度和航向姿态导航信息，并由接口电路(9)输出。
2.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述地平线姿态传感模块(3)中，CCD相机(23)通过RJ45通信接口(22)将地平线图像传入姿态信息解算单元(21)，在态信息解算单元(21)中提取图像中的地平线特征，根据相机坐标系和导航坐标系中地平线的位置关系获得载体姿态信息，通过串口通信传输到多光谱仿生偏振模块(2)和光学导航信息融合处理器(1)；CCD相机(23)具有强动态和高敏感性，保证在机动和微光环境依然采集到有效的图像信息。
3.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述光流传感器组(24)将不同方向获取的光流信息通过I2C通信接口(25)通讯传入光流处理单元(26)，在光流处理单元(26)中将来自不同传感器的光流信息转转换成导航坐标系下的三维速度信息，再通过USART3(15)通讯把速度信息传输到光学导航信息融合处理器(1)；多方向光流信息采集增强速度获取的冗余度，提高导航系统可靠性和导航精度。
4.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述惯性辅助模块(5)通过SPI(16)通信将三轴加速度计(28)和三轴陀螺仪(27)数据传入光学导航信息融合处理器(1)。
5.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述接口电路(9)包括RS232接口(10)、USART4接口(11)和CAN接口(12)。
6.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述存储模块(7)包含EEPROM 存储器(33)，满足导航数据存储需求。
7.根据权利要求1所述的一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，其特征在于：所述电源模块(6)由锂电池(32)、保护电路(31)、电压调整器(30)和稳压模块(29)构成；锂电池(32)为导航系统提供能量来源，保护电路(31)为电源模块提供保护作用，防止电源反接损坏电路，电压调整器(30)和稳压模块(29)提供3.3V、5V、12V的稳定电压，满足不同模块的电压需求。

说明书全文

一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，基于自然界中生物对光学信息的感知特性，实现了全光学方式的自主导航，不依赖于GNSS和地磁等其他导航信息，可在GNSS 信号缺失等复杂环境中提供高可靠的载体位置和航姿信息，具有强自主性和环境适应性，可应用于电磁干扰等环境复杂未知的领域。

背景技术

[0002] 自然界生物具有显著的环境适应能力，它们可以在复杂陌生的环境中完成外出觅食和归巢活动。研究表明，生物利用自然界中的多种光学信息实现对自己觅食归巢活动的定位和导航。例如，蜜蜂和飞蛾利用光流信息感知飞行速度；鸟类利用地平线信息感知姿态信息；沙蚁、蝗虫、蟑螂等利用天空中的偏振光信息进行导航，并且感受的偏振光波段不同。研究表明，沙蚁感受紫外光谱的偏振信息，蝗虫感受绿色波段的偏振信息，蟑螂感受蓝色波段的偏振信息等等。受这类生物的高自主活动方式的启发，可设计一种全光学的自主导航系统，该系统利用多光谱环境下的偏振信息、地平线信息和光流信息等光学信息为载体提供可靠的航姿和位置参考，不需要依赖于GNSS等有源设备，具有极强的复杂环境适应性和导航自主性。

[0003] 目前应用广泛的导航方式包括惯性导航和卫星导航，基于卫星/惯性的组合导航系统在日常生活中占据主导地位。现有的组合导航系统多使用卫星和地磁导航对惯性导航进行辅助，从而抑制惯性导航系统的累积误差，但是卫星导航和地磁导航易受外界环境的电磁干扰，惯性导航在卫星和地磁失效的情况下仍然会发生较大漂移，整个导航系统存在不可靠因素，且卫星导航系统为有源导航系统，隐蔽性较差。仿生偏振导航作为新型的导航方式可以弥补卫星和地磁导航的易受干扰的缺点，但现有偏振导航方式多感受单一波段的天空偏振光信息，易受天气条件影响，环境适应能力较差。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题为：克服传统偏振组合导航系统易受大气条件影响引起航向解算误差，克服传统偏振/惯性组合导航系统中误差累计对位置姿态解算的影响，克服GNSS、磁罗盘易受外部环境干扰等缺点，提出一种复杂环境下的全光学自主导航系统，为无人机、无人车等载体提供强适应性、高自主性的位置和航姿信息。

[0005] 本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，包括：光学导航数据融合处理器、多光谱仿生偏振模块、地平线姿态传感模块、光流传感模块、惯性辅助模块、电源模块、存储模块、通信模块、接口电路；其中多光谱仿生偏振模块包括绿色光谱偏振传感器、蓝色光谱偏振传感器、紫外光谱偏振传感器和多光谱航向解算单元；地平线姿态传感模块由CCD相机、RJ45 通信接口和姿态信息解算单元组成；光流传感模块由光流传感器组、I2C通信接口和光流处理单元组成；惯性辅助模块由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成；通信模块包括USART1、USART2、USART3和SPI；接口电路包括RS232接口、USART4接口和CAN接口；存储模块包括EEPROM 存储器等；电源模块由锂电池、保护电路、电压调整器和稳压模块组成；

[0006] 多光谱仿生偏振模块通过绿色光谱偏振传感器、蓝色光谱偏振传感器和紫外光谱偏振传感器分别独立解算不同波段天空光的偏振度和偏振角信息，经多光谱航向解算单元得到载体航向信息和偏振信息，通过USART1通信传输到光学导航信息融合处理器；CCD相机通过RJ45通信接口与姿态信息解算单元连接，解算后的载体姿态信息通过串口通信分别传输到多光谱仿生偏振模块和光学导航信息融合处理器；光流传感模块中，光流传感器组采集的光流数据经I2C通信传输到光流处理单元，解算获得速度信息通过USART3通信传输到光学导航信息融合处理器；惯性辅助模块通过SPI通信与光学导航信息融合处理器连接，采集加速度计和陀螺仪数据进行辅助导航；电源模块分别与光学导航信息融合处理器、多光谱仿生偏振模块、地平线姿态传感模块、光流传感模块、惯性辅助模块和存储模块连接，为各模块的正常运转提供能源；光学导航信息融合处理器将各个传感模块传入的光学信息进行解算和数据融合，得到载体的位置、速度和航姿等导航信息，由接口电路中的RS232接口、USART4接口和CAN接口引出，用于光学导航系统与外界模块进行数据传输。

[0007] 所述的多光谱仿生偏振模块中使用绿色光谱偏振传感器、蓝色光谱偏振传感器和紫外光谱偏振传感器三种光谱下的偏振光信息结算载体航向信息，可满足各种复杂天气状况下偏振信息的测量，偏振信息的多源测量可以保证导航系统具有良好的环境适应性。

[0008] 所述的地平线信息传感模块中，CCD相机通过RJ45通信接口将地平线信息传入姿态信息解算单元，再将解算获得的载体姿态信息通过串口通信传输到多光谱仿生偏振模块和光学导航信息融合处理器；CCD相机具有强动态和高敏感性，可保证在机动和微光环境依然可以采集到有效的图像信息。

[0009] 所述的光流传感器组将载体前后左右不同方向获取的光流信息通过I2C通讯传入光流处理单元，经解算和优化后通过USART3通讯把速度信息传输到光学导航信息融合处理器；多方向光流信息采集可增强速度获取的冗余度，提高导航系统可靠性和导航精度。

[0010] 所述的惯性辅助模块通过SPI通信将加速度计和陀螺仪数据传入光学导航信息融合处理器，提供惯性信息对全光学导航系统进行辅助导航。

[0011] 所述的仿生导航系统中，使用全光学信息进行辅助导航，包括天空偏振光学信息、地平线光学信息、光流信息，与惯性辅助模块的加速度和陀螺仪信息进行卡尔曼数据融合，最终获得载体的位置、速度和航向姿态导航数据。与传统卫星导航和地磁导航相比，光学信息具有不受电磁干扰、不向外界辐射能量的有点，具有高自主性和隐蔽性。

[0012] 所述的存储模块与光学导航信息融合处理器相连，用来存储导航解算的数据；存储模块包含一片EEPROM存储器，可满足导航数据存储需求。

[0013] 所述的电源模块由锂电池、保护电路、电压调整器和稳压模块构成；电源模块可以输出3.3V、5V、12V的电压，满足不同模块的电压需求。

[0014] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0015] (1)本发明以仿生科学为理论依据，受不同生物可感知不同光谱天空偏振光进行导航的启发，使用绿色光谱、蓝色光谱和紫外光谱的天空偏振信息进行载体航向信息解算，以不同光谱下的天空偏振度信息为依据，切换使用响应光谱下的偏振方位角信息，提高载体航向信息解算精度，满足导航系统在不同天气条件下的环境适应能力。

[0016] (2)本发明利用多光谱仿生偏振模块提供的航向信息，地平线姿态传感模块解算的姿态信息、光流传感器提供的速度信息和IMU惯性信息解决载体的定姿和定位问题，不依赖于卫星导航信号，具有高自主性，不受自然或人为电磁干扰影响。

[0017] (3)本发明使用全光学信息进行辅助导航，包括天空偏振光学信息、地平线光学信息、光流信息，与传统的卫星和地磁信息辅助导航相比，光学信息可靠性更强，不向外辐射能量，隐蔽性更好。而且在缺少有效加速度计信息的情况下，可以通过地平线姿态传感器和多光谱偏振传感器为载体提供有效地航向和姿态信息，通过光流传感器提供速度信息。附图说明

[0018] 图1为本发明的结构组成框图。

[0019] 其中：光学导航数据融合处理器1、多光谱仿生偏振模块2、地平线姿态传感模块3、光流传感模块4、惯性辅助模块5、电源模块6、存储模块7、通信模块8、接口电路9、RS232接口10、USART4接口11、CAN接口12、USART1 13、USART2 14、USART3 15、SPI 16、多光谱航向解算单元17、绿色光谱偏振传感器18、蓝色光谱偏振传感器19、紫外光谱偏振传感器20、姿态信息解算单元21、RJ45通信接口22、CCD相机23、光流传感器组24、I2C通信接口25、光流处理单元26、三轴陀螺仪27、三轴加速度计28、稳压模块29、电压调整器30、保护电路31、锂电池32。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

[0021] 如图1所示，为本发明的结构组成框图，一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统包括：

[0022] 光学导航数据融合处理器1、多光谱仿生偏振模块2、地平线姿态传感模块3、光流传感模块4、惯性辅助模块5、电源模块6、存储模块7、通信模块8、接口电路9；其中多光谱仿生偏振模块2包括绿色光谱偏振传感器18、蓝色光谱偏振传感器19、紫外光谱偏振传感器20和多光谱航向解算单元17；地平线姿态传感模块3由CCD相机23、RJ45通信接口22和姿态信息解算单元21组成；光流传感模块4由光流传感器组24、I2C通信接口25和光流处理单元26组成；惯性辅助模块5由三轴陀螺仪27和三轴加速度计28组成；通信模块8包括USART1 13、USART2 14、USART3 15和SPI 16；接口电路9包括RS232接口10、USART4接口11和CAN接口12；存储模块7包括EEPROM存储器33等；电源模块6由锂电池32、保护电路31、电压调整器30和稳压模块29组成；

[0023] 多光谱仿生偏振模块2通过绿色光谱偏振传感器18、蓝色光谱偏振传感器19和紫外光谱偏振传感器20分别独立解算不同波段天空光的偏振度和偏振角信息，经多光谱航向解算单元17得到载体航向信息和偏振信息，通过USART1 13通信传输到光学导航信息融合处理器1；CCD相机23通过RJ45 22通信接口与姿态信息解算单元21连接，解算后的载体姿态信息通过串口通信分别传输到多光谱仿生偏振模块2和光学导航信息融合处理器1；光流传感模块4中，光流传感器组24采集的光流数据经I2C通信接口25传输到光流处理单元26，解算获得速度信息通过USART3 15通信传输到光学导航信息融合处理器1；惯性辅助模块5通过SPI 16通信与光学导航信息融合处理器1连接，采集加速度计和陀螺仪数据进行辅助导航；电源模块6分别与光学导航信息融合处理器1、多光谱仿生偏振模块2、地平线姿态传感模块3、光流传感模块4、惯性辅助模块5和存储模块7连接，为各模块的正常运转提供能源；光学导航信息融合处理器1将各个传感模块传入的光学信息进行解算和数据融合，得到载体的位置、速度和航姿等导航信息，由接口电路9中的RS232 10接口、USART4 11接口和CAN
12接口引出，用于光学导航系统与外界模块进行数据传输。

[0024] 所述的多光谱仿生偏振模块2中使用绿色光谱偏振传感器18、蓝色光谱偏振传感器19和紫外光谱偏振传感器20采集天空偏振光经传感器检偏后的光强信息，根据马吕斯定律解算不同光谱下的天空光的偏振方位角和偏振度信息，以三种光谱下获得的偏振度信息为判定依据，切换选择使用不同光谱偏振传感器下得到的偏振方位角信息，满足各种复杂天气状况下偏振信息的测量需求，然后根据偏振方位和太阳方位的关系确定载体的航向信息。天空偏振信息的多源测量可以保证导航系统具有良好的环境适应能力。

[0025] 所述的地平线姿态传感模块3中，CCD相机23通过RJ45通信接口22将图像信息传入姿态信息解算单元21，姿态信息解算单元21提取图像中的地平线特征，根据地平线特征在相机坐标系和导航坐标系中的位置关系确定载体的姿态转移矩阵，从而获得载体的姿态信息，再将解算的载体姿态信息通过串口通信传输到多光谱仿生偏振模块2和光学导航信息融合处理器1；CCD相机23具有强动态和高敏感性，可保证在机动和微光环境依然可以采集到有效的图像信息。

[0026] 所述的光流传感器组24将不同方向获取的光流信息通过I2C通信金接口25通讯传入光流处理单元26，在光流处理单元26中将安装在不同方向的光流传感器来来的速度数据，经过坐标转换，获得导航坐标系下载体三轴的速度信息，通过USART3 15通讯把速度信息传输到光学导航信息融合处理器1；多方向光流信息采集可增强速度获取的冗余度，提高导航系统可靠性和导航精度。

[0027] 所述的惯性辅助模块5通过SPI 16通信将三轴加速度计28和三轴陀螺仪27数据传入光学导航信息融合处理器1，提供惯性信息对全光学导航系统进行辅助导航。

[0028] 所述的仿生导航系统中，使用全光学信息进行辅助导航，包括来自多光谱仿生偏振模块2的多光谱天空偏振信息、地平线姿态传感模块3的载体姿态信息和光流传感模块4的载体速度信息，与惯性辅助模块5的加速度和陀螺仪信息进行卡尔曼数据融合，最终获得载体的位置、速度和航向姿态导航数据，并由接口电路9输出。本发明所述的导航系统不依赖GPS等有源导航信号，具有高自主性和强隐蔽性，不受自然或人为电磁干扰影响。

[0029] 所述的存储模块7与光学导航信息融合处理器1相连，用来存储导航解算的数据；存储模块7包含一片EEPROM存储器33，可满足导航数据存储需求。

[0030] 所述的电源模块6由锂电池32、保护电路31、电压调整器30和稳压模块29构成；锂电池32为导航系统提供能量来源，保护电路31为电源模块提供保护作用，防止电源反接损坏电路，电压调整器30和稳压模块29可提供3.3V、5V、12V的稳定电压，满足不同模块的电压需求。

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一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统

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