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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類(lèi)：
- 信息技術(shù)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品針對(duì)利用自然特性的自主導(dǎo)航方法，以沙蟻等生物高度敏感的偏振視覺(jué)感知與導(dǎo)航功能為仿生基礎(chǔ)，以太陽(yáng)光在大氣中傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和信號(hào)處理的角度，研究仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)沙蟻等生物的偏振光敏感機(jī)理和大氣偏振模式的研究，建立了仿生偏振光導(dǎo)航方法框架，設(shè)計(jì)并研制了仿生偏振光導(dǎo)航傳感器，并在此基礎(chǔ)上，研制了組合導(dǎo)航移動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了利用自然偏振特性的自主導(dǎo)航。
- 詳細(xì)介紹：
- 仿生偏振光導(dǎo)航是一種新型自主導(dǎo)航方法，天空中的大氣偏振模式蘊(yùn)含重要的方向信息，許多生物利用大氣偏振模式來(lái)獲得方向信息實(shí)現(xiàn)偏振光導(dǎo)航。本作品針對(duì)陌生環(huán)境下的自主導(dǎo)航，以沙蟻高度敏感的偏振視覺(jué)感知與導(dǎo)航功能為仿生基礎(chǔ)，以太陽(yáng)光在大氣傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和信號(hào)處理的角度，研究仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)。 作品系統(tǒng)研究了大氣偏振模式分布特性及利用大氣偏振模式獲取導(dǎo)航信息的方法，通過(guò)模仿沙蟻的生物導(dǎo)航機(jī)理，以及沙蟻POL-神經(jīng)元的陣列信號(hào)處理方法，研究由大氣偏振模式獲取導(dǎo)航信息的技術(shù)，設(shè)計(jì)了偏振光導(dǎo)航傳感器，實(shí)現(xiàn)了由大氣偏振模式到羅盤(pán)信息的準(zhǔn)確提取以及在陌生環(huán)境下利用自然偏振特性的自主導(dǎo)航。此外，本作品在上述基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了偏振光/地磁組合導(dǎo)航方法，研制了組合導(dǎo)航移動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同導(dǎo)航方式下導(dǎo)航信息的綜合獲取，實(shí)現(xiàn)了多種信息源下基于地球自然特性的自主導(dǎo)航。 本作品應(yīng)用于導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊，尤其在軍事領(lǐng)域，飛行器或運(yùn)動(dòng)載體在特殊環(huán)境下利用地球自然特性進(jìn)行導(dǎo)航和定位，是保證軍事安全的一個(gè)重要因素，因此本作品更具有十分重要的軍用價(jià)值。
作品圖片
作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的思路 本作品針對(duì)利用自然特性的自主導(dǎo)航方法，以沙蟻等高度敏感的偏振視覺(jué)感知與導(dǎo)航功能為仿生基礎(chǔ)，以太陽(yáng)光在大氣中傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和處理角度，研究仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)對(duì)沙蟻等偏振敏感機(jī)理和大氣偏振模式的研究，建立基于自然偏振特性的仿生偏振光導(dǎo)航方法，設(shè)計(jì)并研制了偏振光導(dǎo)航傳感器，在此基礎(chǔ)上研制了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于自然特性的自主導(dǎo)航。 創(chuàng)新點(diǎn) (1)模仿沙蟻的生物導(dǎo)航機(jī)理，有效利用了大氣偏振模式信息，實(shí)現(xiàn)了基于自然偏振特性的自主導(dǎo)航； (2)提出了仿沙蟻POL-神經(jīng)元的信號(hào)處理方法，闡明了大氣偏振模式特性與規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了由大氣偏振模式到航向信息的有效獲??； (3)設(shè)計(jì)了以仿生偏振光導(dǎo)航為主，輔以地磁信息的組合導(dǎo)航算法，并研制了基于嵌入式技術(shù)的組合導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供了實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證手段。 技術(shù)關(guān)鍵 (1)基于自然偏振特性的仿生偏振光導(dǎo)航機(jī)理與方法； (2)仿沙蟻POL-神經(jīng)元的偏振信息感知與信號(hào)處理方法； (3)偏振光/地磁組合導(dǎo)航算法及組合導(dǎo)航平臺(tái)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。 技術(shù)指標(biāo) (1)研制的仿生偏振光導(dǎo)航傳感器能提供穩(wěn)定的航向角信息，晴朗天氣下航向角測(cè)量誤差優(yōu)于0.2°，多云天氣下誤差不超過(guò)0.5°； (2)機(jī)器人平臺(tái)具備在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行大氣偏振信息檢測(cè)和航向信息實(shí)時(shí)獲取的能力，能夠利用偏振光、地磁信息或兩者的組合導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)多種信息源下的導(dǎo)航。組合導(dǎo)航誤差優(yōu)于0.2°，平臺(tái)導(dǎo)航誤差小于5°、定位誤差小于100cm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 隨著科技發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但大多依賴(lài)于電波在空間傳播，對(duì)系統(tǒng)生存和抗干擾能力都十分不利，仿生偏振光導(dǎo)航是一種基于自然特性、難被人為因素干擾的新型自主導(dǎo)航方法，對(duì)解決陌生環(huán)境下自主導(dǎo)航與定位的科學(xué)問(wèn)題具有重大的指導(dǎo)意義，成為導(dǎo)航發(fā)展的重要方向。 目前國(guó)內(nèi)外大多致力于偏振光導(dǎo)航機(jī)理研究或?qū)⑵渥鳛楹?jiǎn)單輔助手段，未能真正實(shí)現(xiàn)偏振光導(dǎo)航，這些正是本作品研究工作的出發(fā)點(diǎn)。本作品重點(diǎn)研究仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)偏振光導(dǎo)航傳感器和移動(dòng)平臺(tái)的研制，從理論研究和技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)了仿生偏振光導(dǎo)航。 作品深入開(kāi)展了仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù)的研究，系統(tǒng)研究了大氣偏振模式分布特性及利用大氣偏振模式獲取導(dǎo)航信息的方法；效仿沙蟻POL-神經(jīng)元的陣列信號(hào)處理方法，研究由大氣偏振模式獲取導(dǎo)航信息的技術(shù)，設(shè)計(jì)了偏振光導(dǎo)航傳感器，實(shí)現(xiàn)由大氣偏振模式到羅盤(pán)信息的準(zhǔn)確提?。淮送獗咀髌愤€研制了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了偏振光/地磁組合導(dǎo)航方法，并搭建了組合導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多種信息源下基于地球自然特性的自主導(dǎo)航。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獲獎(jiǎng)情況： [1]本省第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)； [2]本校第十二屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)。 學(xué)術(shù)論文： [1]Bionic Cataglyphis Polarization Navigation Research [C]. Hefei-Heilbronn Workshop on Reasearch and Education in Mechatronics. [2]大氣粒子散射特性及其對(duì)空間偏振分布的影響[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào). [3]用于仿生偏振光導(dǎo)航的一維掃描式大氣偏振信息檢測(cè)方法[C]. CPGPS2010論壇. [4]仿生POL-神經(jīng)元的偏振光導(dǎo)航傳感器研究[J].傳感器與微系統(tǒng).
作品所處階段
- 系統(tǒng)改進(jìn)與調(diào)試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品以及現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1．作品使用說(shuō)明及技術(shù)特點(diǎn) 本作品研究了仿生偏振光導(dǎo)航方法及其關(guān)鍵技術(shù)，建立了基于自然偏振特性的仿生偏振光導(dǎo)航方法框架，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了仿生偏振光導(dǎo)航傳感器，可以對(duì)自然偏振模式信息進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)由大氣偏振模式到航向信息的有效獲取，實(shí)現(xiàn)了陌生環(huán)境下的自主導(dǎo)航。 此外，本作品在包含新型偏振光導(dǎo)航模塊基礎(chǔ)上，引入地磁導(dǎo)航，以嵌入式處理器為核心，有效集成偏振光、地磁導(dǎo)航模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同導(dǎo)航方式下信息的綜合獲取，引入多功能移動(dòng)載體和遠(yuǎn)程控制中心來(lái)承載并監(jiān)控移動(dòng)平臺(tái)，接收并綜合優(yōu)化處理導(dǎo)航信息，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能，適應(yīng)不同環(huán)境下的導(dǎo)航要求。 2．作品的適用范圍、推廣前景及市場(chǎng)分析 本作品適用于導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，特別適合弱/無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的陌生環(huán)境下的自主導(dǎo)航，還可以與其它導(dǎo)航模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基于自然特性的自主組合導(dǎo)航。作品市場(chǎng)前景廣闊，利用地球一些自然特性進(jìn)行導(dǎo)航和定位，是保證軍事安全的一個(gè)重要因素，具有十分重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 隨著科技發(fā)展，導(dǎo)航技術(shù)有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，大多數(shù)傳統(tǒng)導(dǎo)航方式依賴(lài)電波在空間中的傳播，對(duì)系統(tǒng)的生存和抗干擾能力十分不利，基于自然特性的自主導(dǎo)航方法難受人為干擾，成為導(dǎo)航發(fā)展的重要方向。大氣偏振模式蘊(yùn)含方向信息，可提供一種新的導(dǎo)航手段。因此開(kāi)展仿生偏振光導(dǎo)航方法與技術(shù)的研究，對(duì)解決陌生環(huán)境下自主導(dǎo)航與定位的科學(xué)問(wèn)題具有重大的指導(dǎo)意義。 根據(jù)國(guó)家和科學(xué)研究的需求，本團(tuán)隊(duì)成員所在實(shí)驗(yàn)室自2003年開(kāi)始，圍繞大氣偏振信息及其應(yīng)用開(kāi)展了大量的研究工作，并獲得了多項(xiàng)863項(xiàng)目支持，先后完成了對(duì)大氣偏振模式獲取方法和裝置的研究，針對(duì)大氣偏振模式建模仿真、大氣偏振模式探測(cè)等關(guān)鍵問(wèn)題開(kāi)展深入研究，申請(qǐng)并獲得了多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。 基于大氣偏振模式的仿生偏振光導(dǎo)航，利用地球固有的自然偏振特性，對(duì)實(shí)現(xiàn)在弱無(wú)衛(wèi)星信號(hào)下自主導(dǎo)航與定位具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始這一方向的研究。目前國(guó)外對(duì)仿生偏振導(dǎo)航的相關(guān)研究主要集中在對(duì)沙蟻等昆蟲(chóng)的生物行為與機(jī)理研究方面，瑞士蘇黎世大學(xué)動(dòng)物學(xué)研究所的Wehner教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，對(duì)沙蟻生物行為與機(jī)理進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)幾十年的深入研究，同時(shí)也設(shè)計(jì)了仿沙蟻導(dǎo)航機(jī)器人用于驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)沙蟻的各種導(dǎo)航行為。在偏振羅盤(pán)信息的獲取方法上，Labhar等提出Point-source法及相應(yīng)檢測(cè)裝置。但由于專(zhuān)業(yè)局限性，對(duì)大氣偏振模式本身及其獲取方法沒(méi)有深入研究，在仿沙蟻偏振光檢測(cè)與導(dǎo)航方面沒(méi)有突破性進(jìn)展。 在國(guó)內(nèi)，仿生偏振光導(dǎo)航研究雖然起步較晚，但也取得了一定的研究成果，特別是近幾年，更多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了相關(guān)研究工作,如中科院上海光機(jī)所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京大學(xué)等等。大連理工大學(xué)的褚金奎教授根據(jù)Point-source法研制了一種基于金屬光柵的偏振器。北京大學(xué)的晏磊教授在2009年分析了單次散射條件下的偏振理論與偏振模式圖動(dòng)態(tài)變化。西北工業(yè)大學(xué)的周軍教授綜述了利用偏振光進(jìn)行大氣層內(nèi)運(yùn)動(dòng)體導(dǎo)航的研究進(jìn)展，分析了航天器空間自主姿態(tài)確定與導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)與前景?？傮w上看目前國(guó)內(nèi)在仿生偏振自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究，大多只是提出了不同的理論方法和做了相關(guān)的仿真實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于偏振光檢測(cè)傳感器的研究設(shè)計(jì)，大多采用傳統(tǒng)的單一光電模型設(shè)計(jì)模式,目前研究將偏振光導(dǎo)航方法融入組合導(dǎo)航系統(tǒng)中也逐漸在國(guó)內(nèi)興起，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的盧鴻謙博士在理論上研究了引入偏振光導(dǎo)航來(lái)輔助組合導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性。
