[發明專利]一種用于多目偏振視覺的航向角求解方法

有效

• 申請號: 201810063658.5
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108225335B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 何曉峰;范晨;胡小平;張禮廉;王玉杰;練軍想;吳雪松;李鑫
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 董惠文

本發明屬于偏振光導航領域，具體公開了一種用于多目偏振視覺的航向角求解方法。首先利用多目偏振視覺傳感器測量大氣偏振信息，主要是偏振角和偏振度信息；其次求解天空偏振度的梯度信息，識別剔除圖像中的遮擋障礙區域，根據標準Rayleigh散射，利用天空區域的偏振信息建立偏振光的定向模型；最后建立航向角的目標優化函數，采用全局最小二乘的方法獲取航向角的最優解，從而實現多目偏振視覺的定向。本發明充分利用了天空偏振光的梯度信息和多測量點的偏振角信息，能夠有效地剔除遮擋障礙物和減小測量噪聲對多目偏振視覺定向的影響，能夠提高偏振光的定向精度，具有原理簡單、魯邦性強、定向精度高的優點，為實現多目偏振視覺導航提供了定向基礎。

技術領域

本發明涉及一種用于多目偏振視覺的航向角求解方法，屬于偏振光導航領域。

背景技術

為了提高無人平臺的自主導航能力，除了采用傳統的衛星導航系統、慣性導航系統之外，還需要積極探索新的導航方法和手段，基于大自然生物系統的模擬仿生感知技術，為導航技術的新發展提供了啟示。準確的航向信息是實現自主導航的關鍵。自然界中很多昆蟲和鳥類通過特殊的生理結構感知天空的偏振光信息，從而進行導航活動。例如，沙漠螞蟻通過檢測大氣中的偏振模態確定方位信息，可以從距離巢穴數百米的地方沿直線準確返回，蜜蜂、蝴蝶等昆蟲也可通過感知天空偏振光的強度和方向實現導航定位。與經典導航技術相比，仿生偏振光導航利用具有自然屬性的天空偏振模式，具有抗干擾性強、誤差不積累、適用范圍廣等優勢，比較適合復雜環境下的長航時、遠距離的自主導航，對于車輛、船舶、飛行器等領域的應用具有廣泛前景。

基于多目視覺而設計的偏振光傳感器，從結構上接近于昆蟲的復眼結構，具有若干像素級的偏振測量單元，可以實現全天域的偏振信息的精細化測量。與傳統的基于光電二極管式的點型偏振光傳感器相比，具有檢測區域廣、測量不易受天氣變化等因素影響的優勢，并且在基于多目視覺的偏振光傳感器中，相機的CCD測量噪聲較小，有利于實現全天域精細化的偏振信息測量。從目前公開發表的文獻看，鮮有文獻對基于區域偏振信息的偏振光定向方法進行深入研究，尤其是地面無人平臺在城市環境中進行偏振光定向時，偏振圖像會受到外界障礙物的遮擋，嚴重影響偏振信息的準確性，若直接進行計算，勢必會對定向結果的精度產生較大影響，此外利用單測量點的偏振信息進行定向的方法，易受到環境干擾和測量噪聲的影響，方法魯邦性不強，解算結果精度不高，因此需要尋求一種利用偏振信息在線去除遮擋障礙，并且能夠有效利用多點偏振信息實現魯邦性強、精度高的航向角求解方法。

發明內容

本發明要解決的技術問題就在于：在有遮擋障礙環境中如何有效地利用多目偏振視覺測量信息獲取載體的航向信息。

為解決上述技術問題，本發明提出的解決方案為：

一種用于多目偏振視覺的航向角求解方法，其特征在于包括以下幾個步驟：

(1)求解天空偏振度的梯度信息，識別剔除偏振圖像中的遮擋障礙區域，建立偏振光定向模型；

(2)建立求解航向角的目標優化函數，并利用全局最小二乘法求解航向角。

所述步驟(1)通過以下步驟實現：

1)求解偏振度的梯度信息

由多目偏振視覺傳感器獲取的偏振信息，包含偏振角β(i,j)和偏振度χ(i,j)，偏振度的梯度求解方法為：

式中，grad(·)表示梯度值，(i,j)表示像素位置；

2)識別偏振圖像中的天空與非天空區域，按照一定規則剔除偏振圖像中的遮擋障礙區域根據每個像素的梯度信息，剔除規則如下：

式中，Sky表示天空區域，non-Sky表示非天空區域，ε為梯度閾值，一般取0.02～0.07。