[發明專利]一種復雜環境下的全光學仿生自主導航系統

在審

• 申請號: 201911392372.2
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111024077A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 郭雷;任浩男;楊健;劉鑫
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C21/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;鄧治平

1.一種復雜環境下的全光學仿生自主導航系統，其特征在于：所述導航系統不依賴GNSS有源導航信號，具有高度的自主性；它包括：光學導航數據融合處理器(1)、多光譜仿生偏振模塊(2)、地平線姿態傳感模塊(3)、光流傳感模塊(4)、慣性輔助模塊(5)、電源模塊(6)、存儲模塊(7)、通信模塊(8)和接口電路(9)；

所述的多光譜仿生偏振模塊(2)通過解算不同波段天空光的偏振度和偏振方位角信息，為導航系統提供航向參數；多光譜仿生偏振模塊(2)包括：綠色光譜偏振傳感器(18)、藍色光譜偏振傳感器(19)、紫外光譜偏振傳感器(20)和多光譜航向解算單元(17)；綠色光譜偏振傳感器(18)采集天空偏振光綠光波段的偏振方位角和偏振度信息，藍色光譜偏振傳感器(19)采集天空偏振光藍光波段的偏振方位角和偏振度信息，紫外光譜偏振傳感器(20)采集天空偏振光紫外波段的偏振方位角和偏振度信息，多光譜航向解算單元(17)依據綠色光譜偏振傳感器(18)、藍色光譜偏振傳感器(19)和紫外光譜偏振傳感器(20)獲得的偏振度參數，切換使用綠色、藍色、紫外光譜偏振傳感器的偏振方位角參數，滿足各種復雜天氣狀況下偏振信息的測量，偏振信息的多源測量保證導航系統具有良好的環境適應性；

所述地平線姿態傳感模塊(3)通過提取圖像中的地平線信息，為導航系統提供載體的橫滾角和俯仰角量測信息；它由CCD相機(23)、RJ45通信接口(22)和姿態信息解算單元(21)組成；通過載體前視CCD相機(23)采集圖像，并從圖像中提取地平線信息，在姿態信息解算單元(21)中根據地平線信息在相機坐標系和導航坐標系之間的坐標確定載體的橫滾角和俯仰角；

所述光流傳感模塊(4)，測量載體的運動速度，為導航系統提供三維速度量測信息；它由光流傳感器組(24)、I2C通信接口(25)和光流處理單元(26)組成；

所述的慣性輔助模塊(5)提供慣性信息對全光學導航系統進行輔助導航；它由三軸陀螺儀(27)和三軸加速度計(28)組成；

所述通信模塊(8)用于多光譜仿生偏振模塊(2)、地平線姿態傳感模塊(3)、光流傳感模塊(4)和慣性輔助模塊(5)與光學導航信息融合處理器(1)進行數據傳輸，它包括USART1(13)、USART2(14)、USART3(15)和SPI(16)；

所述的存儲模塊(7)與光學導航信息融合處理器(1)相連，用來存儲導航解算的數據；

所述的電源模塊(6)分別與光學導航信息融合處理器(1)、多光譜仿生偏振模塊(2)、地平線姿態傳感模塊(3)、光流傳感模塊(4)、慣性輔助模塊(5)和存儲模塊(7)連接，為各模塊的正常運轉提供能源；

所述的全光學仿生導航系統中，多光譜仿生偏振模塊(2)的綠色光譜偏振傳感器(18)、藍色光譜偏振傳感器(19)和紫外光譜偏振傳感器(20)分別獨立解算不同波段天空光的偏振度和偏振方位角信息，經多光譜航向解算單元(17)得到載體航向信息和偏振信息，通過USART1(13)通信傳輸到光學導航信息融合處理器(1)；CCD相機(23)通過RJ45通信接口(22)與姿態信息解算單元(21)連接，解算后的載體姿態信息通過串口通信分別傳輸到多光譜仿生偏振模塊(2)和光學導航信息融合處理器(1)；光流傳感模塊(4)中，光流傳感器組(24)采集的光流數據經I2C通信接口(25)傳輸到光流處理單元(26)，解算獲得速度信息通過USART3(15)通信傳輸到光學導航信息融合處理器(1)；慣性輔助模塊(5)通過SPI(16)通信與光學導航信息融合處理器(1)連接，采集加速度計和陀螺儀數據進行輔助導航傳輸至光學導航信息融合處理器(1)；

所述光學導航信息融合處理器(1)將來自多光譜仿生偏振模塊(2)的天空偏振信息、地平線姿態傳感模塊(3)的載體姿態信息、光流傳感模塊(4)的載體速度信息和慣性輔助模塊(5)的加速度和陀螺儀信息進行卡爾曼數據融合，獲得載體的位置、速度和航向姿態導航信息，并由接口電路(9)輸出。