[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

本發明公開一種復雜環境下的全光學仿生自主導航系統，包括多光譜仿生偏振模塊，地平線姿態傳感模塊，光流傳感模塊，慣性輔助模塊，光學導航信息融合處理器，存儲模塊，通信模塊，電源模塊及接口電路。多光譜仿生偏振模塊包括綠色光譜、藍色光譜、紫外光譜偏振傳感器和多光譜航向解算單元；地平線姿態傳感模塊包括CCD相機、RJ45接口和姿態信息解算單元；光流傳感模塊包括光流傳感器組、I2C接口和光流處理單元；慣性輔助模塊包括三軸陀螺儀和三軸加速度計；存儲模塊用于存儲導航信息。本發明基于自然生物對光學信息的感知特性實現全光學信息的自主導航，不依賴GNSS等有源導航方式，適用于電磁干擾等環境復雜未知的應用領域。

技術領域

本發明涉及一種復雜環境下的全光學仿生自主導航系統，基于自然界中生物對光學信息的感知特性，實現了全光學方式的自主導航，不依賴于GNSS和地磁等其他導航信息，可在GNSS信號缺失等復雜環境中提供高可靠的載體位置和航姿信息，具有強自主性和環境適應性，可應用于電磁干擾等環境復雜未知的領域。

背景技術

自然界生物具有顯著的環境適應能力，它們可以在復雜陌生的環境中完成外出覓食和歸巢活動。研究表明，生物利用自然界中的多種光學信息實現對自己覓食歸巢活動的定位和導航。例如，蜜蜂和飛蛾利用光流信息感知飛行速度；鳥類利用地平線信息感知姿態信息；沙蟻、蝗蟲、蟑螂等利用天空中的偏振光信息進行導航，并且感受的偏振光波段不同。研究表明，沙蟻感受紫外光譜的偏振信息，蝗蟲感受綠色波段的偏振信息，蟑螂感受藍色波段的偏振信息等等。受這類生物的高自主活動方式的啟發，可設計一種全光學的自主導航系統，該系統利用多光譜環境下的偏振信息、地平線信息和光流信息等光學信息為載體提供可靠的航姿和位置參考，不需要依賴于GNSS等有源設備，具有極強的復雜環境適應性和導航自主性。

目前應用廣泛的導航方式包括慣性導航和衛星導航，基于衛星/慣性的組合導航系統在日常生活中占據主導地位。現有的組合導航系統多使用衛星和地磁導航對慣性導航進行輔助，從而抑制慣性導航系統的累積誤差，但是衛星導航和地磁導航易受外界環境的電磁干擾，慣性導航在衛星和地磁失效的情況下仍然會發生較大漂移，整個導航系統存在不可靠因素，且衛星導航系統為有源導航系統，隱蔽性較差。仿生偏振導航作為新型的導航方式可以彌補衛星和地磁導航的易受干擾的缺點，但現有偏振導航方式多感受單一波段的天空偏振光信息，易受天氣條件影響，環境適應能力較差。

發明內容

本發明要解決的技術問題為：克服傳統偏振組合導航系統易受大氣條件影響引起航向解算誤差，克服傳統偏振/慣性組合導航系統中誤差累計對位置姿態解算的影響，克服GNSS、磁羅盤易受外部環境干擾等缺點，提出一種復雜環境下的全光學自主導航系統，為無人機、無人車等載體提供強適應性、高自主性的位置和航姿信息。

本發明解決上述技術問題的技術方案為：一種復雜環境下的全光學仿生自主導航系統，包括：光學導航數據融合處理器、多光譜仿生偏振模塊、地平線姿態傳感模塊、光流傳感模塊、慣性輔助模塊、電源模塊、存儲模塊、通信模塊、接口電路；其中多光譜仿生偏振模塊包括綠色光譜偏振傳感器、藍色光譜偏振傳感器、紫外光譜偏振傳感器和多光譜航向解算單元；地平線姿態傳感模塊由CCD相機、RJ45通信接口和姿態信息解算單元組成；光流傳感模塊由光流傳感器組、I2C通信接口和光流處理單元組成；慣性輔助模塊由三軸陀螺儀和三軸加速度計組成；通信模塊包括USART1、USART2、USART3和SPI；接口電路包括RS232接口、USART4接口和CAN接口；存儲模塊包括EEPROM存儲器等；電源模塊由鋰電池、保護電路、電壓調整器和穩壓模塊組成；