[發明專利]一種基于偏振光、光流矢量、雙目視覺傳感器的仿昆蟲視覺組合導航方法

有效

• 申請號: 202011289488.6
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112444245B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發明（設計）人: 褚金奎;陳建華;李金山;張然
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

一種基于偏振光、光流矢量、雙目視覺傳感器的仿昆蟲視覺組合導航方法，對空間點像素坐標系和世界坐標系進行轉換；根據ORB角點提取對空間某特征點進行相鄰幀匹配；利用偏振光傳感器測得偏航角和光流傳感器獲得一個相對位置的測量引導；計算光流矢量并利用光流矢量對運動物體和誤匹配點進行剔除；進行BA優化，利用能量函數，將雙目視覺傳感器匹配點數據、偏航角數據和光流數據優化；利用BA優化后的參數求增廣矩陣，解得變換矩陣，反求解矩陣得到姿態角和位移完成導航。本發明仿照昆蟲利用偏振光、圖像通過純視覺進行導航定位，有著無線電導航和衛星導航等非自主導航方式所無法具有的隱蔽性、抗干擾性，具有高精度和較強的魯棒性。

技術領域

本發明屬于仿生組合導航領域，涉及一種仿昆蟲組合導航系統及其定位方法，尤其涉及基于光流矢量、偏振光、雙目視覺傳感器組合導航系統測試平臺搭建及定位方法。

背景技術

目前的常見的導航技術主要有慣性導航、衛星導航、天文導航、地磁導航等。慣性導航屬自主式導航，具有短時精度高、不受干擾等優點，但是由于積分過程會產生累積誤差，并且時間越長，誤差就會越大，因此不適合遠距離、耗時長的導航；衛星導航是一種非自主式導航方式，具有全球性、全天候的特性，但是它易受干擾，在有高大建筑的街道、茂密的叢林中無法正常使用，目前常用的有GPS和北斗衛星導航；天文導航是一種可以根據已知天體位置來計算載體當前航向和所處位置的導航技術，屬于自主式導航，這種導航方式最大的缺點是精度低、集成度不高；地磁導航是利用地磁場分布規律測量并計算得到載體姿態信息，屬于自主式導航，無誤差累積，但它很容易受周圍磁性材料產生磁場的影響。現有技術中公開的專利號：(CN103323005A)，提出一種SINS/GPS/偏振光組合導航系統多目標優化抗干擾濾波方法，將SINS、GPS、偏振傳感器以及環境中的干擾進行分類，對不同類型的干擾進行干擾建模，可建模干擾通過設計干擾觀測器來抵消，通過設計干擾觀測器的方法以及魯棒技術對干擾進行干擾抵消和干擾抑制，可用于提高地球大氣層內運載體的導航精度；現有技術中公開的專利號：(CN109916394A)，提出融合光流位置和速度信息的組合導航算法，利用光流傳感器輸出的位置和速度信息以及MEMS?IMU、磁力計、氣壓高度計、激光測距傳感器的數據，采用擴展卡爾曼濾波器完成數據融合，解算出載體的位置、速度和姿態信息，因為采用磁力計，很容易受周圍磁性材料產生磁場的影響，抗干擾能力不強；現有技術中公開的專利號：(CN109470237A)，提出基于偏振光與地磁組合導航姿態測量方法，但只能求解姿態角α，β，γ，不具備定位導航功能；現有技術中公開的專利號：(CN108362288A)，基于無跡卡爾曼濾波的偏振光SLAM方法，利用偏振光信息和激光雷達信息匹配互補、不受其他外界干擾的特性，一定程度提高了無人機SLAM系統的穩定性和精度，但無法進一步解決誤匹配給導航帶來的影響。

生物學家研究發現昆蟲具有良好的導航能力，比如蜜蜂復眼對微小時間間隔內視覺信息的變化非常敏感，這種特點更合適處理動態信號，當蜜蜂在環境中移動時，圖像的運動會在他的視網膜上形成一系列連續變化的光的“流動”信息，蜜蜂正通過分析這種動態的光流來進行導航，通過光流可以獲得很多有用的信息提供導航使用；比如蟋蟀，眼部DRA區域的小眼結構的神經感桿內絨毛具有軸向規則一致，徑向相互垂直的特點，該結構特點使視神經細胞具有較高的偏振光敏感特性，偏振光是天然基本物理場，攜帶有方位信息，蟋蟀具有三類POL-neurons，其主響應方向分別為10°，60°和130°，蟋蟀通過對三類POL-neurons輸出信號進行綜合處理，即可得出體軸與太陽子午線的夾角，從而實現導航功能；再比如多數昆蟲具有雙眼，根據雙目測距原理，從不同角度觀察一個場景時可以很容易的得到關于場景在距離上的感知。根據仿生導航原理當已知相機光心、兩幅圖片對應像素點及其距離時便可以很容易的通過三角關系得到實際場景中改點距離相機的距離，利用偏振光傳感器，可以敏感的輸出偏振方位角，具有不隨時間累計等優點、自主性強，可以獲得偏航角，通過光流可以測距，測速。