基本信息
- 項目名稱：
- 仿生偏振光導航方法及其關鍵技術研究
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品針對利用自然特性的自主導航方法，以沙蟻等生物高度敏感的偏振視覺感知與導航功能為仿生基礎，以太陽光在大氣中傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和信號處理的角度，研究仿生偏振光導航方法及其關鍵技術。通過對沙蟻等生物的偏振光敏感機理和大氣偏振模式的研究，建立了仿生偏振光導航方法框架，設計并研制了仿生偏振光導航傳感器，并在此基礎上，研制了組合導航移動實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了利用自然偏振特性的自主導航。
- 詳細介紹：
- 仿生偏振光導航是一種新型自主導航方法，天空中的大氣偏振模式蘊含重要的方向信息，許多生物利用大氣偏振模式來獲得方向信息實現(xiàn)偏振光導航。本作品針對陌生環(huán)境下的自主導航，以沙蟻高度敏感的偏振視覺感知與導航功能為仿生基礎，以太陽光在大氣傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和信號處理的角度，研究仿生偏振光導航方法及其關鍵技術。 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航信息的方法，通過模仿沙蟻的生物導航機理，以及沙蟻POL-神經(jīng)元的陣列信號處理方法，研究由大氣偏振模式獲取導航信息的技術，設計了偏振光導航傳感器，實現(xiàn)了由大氣偏振模式到羅盤信息的準確提取以及在陌生環(huán)境下利用自然偏振特性的自主導航。此外，本作品在上述基礎上，設計了偏振光/地磁組合導航方法，研制了組合導航移動實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了對不同導航方式下導航信息的綜合獲取，實現(xiàn)了多種信息源下基于地球自然特性的自主導航。 本作品應用于導航定位技術領域，市場前景廣闊，尤其在軍事領域，飛行器或運動載體在特殊環(huán)境下利用地球自然特性進行導航和定位，是保證軍事安全的一個重要因素，因此本作品更具有十分重要的軍用價值。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的思路 本作品針對利用自然特性的自主導航方法，以沙蟻等高度敏感的偏振視覺感知與導航功能為仿生基礎，以太陽光在大氣中傳輸?shù)钠裉匦詾槔碚撘罁?jù)，從信息獲取和處理角度，研究仿生偏振光導航方法及其關鍵技術。通過對沙蟻等偏振敏感機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航方法，設計并研制了偏振光導航傳感器，在此基礎上研制了組合導航系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于自然特性的自主導航。 創(chuàng)新點 (1)模仿沙蟻的生物導航機理，有效利用了大氣偏振模式信息，實現(xiàn)了基于自然偏振特性的自主導航； (2)提出了仿沙蟻POL-神經(jīng)元的信號處理方法，闡明了大氣偏振模式特性與規(guī)律，實現(xiàn)了由大氣偏振模式到航向信息的有效獲?。? (3)設計了以仿生偏振光導航為主，輔以地磁信息的組合導航算法，并研制了基于嵌入式技術的組合導航移動平臺，為導航系統(tǒng)提供了實驗與驗證手段。 技術關鍵 (1)基于自然偏振特性的仿生偏振光導航機理與方法； (2)仿沙蟻POL-神經(jīng)元的偏振信息感知與信號處理方法； (3)偏振光/地磁組合導航算法及組合導航平臺系統(tǒng)實現(xiàn)技術。 技術指標 (1)研制的仿生偏振光導航傳感器能提供穩(wěn)定的航向角信息，晴朗天氣下航向角測量誤差優(yōu)于0.2°，多云天氣下誤差不超過0.5°； (2)機器人平臺具備在運動狀態(tài)下進行大氣偏振信息檢測和航向信息實時獲取的能力，能夠利用偏振光、地磁信息或兩者的組合導航信息實現(xiàn)多種信息源下的導航。組合導航誤差優(yōu)于0.2°，平臺導航誤差小于5°、定位誤差小于100cm。
科學性、先進性
- 隨著科技發(fā)展，導航技術應用越來越廣泛，但大多依賴于電波在空間傳播，對系統(tǒng)生存和抗干擾能力都十分不利，仿生偏振光導航是一種基于自然特性、難被人為因素干擾的新型自主導航方法，對解決陌生環(huán)境下自主導航與定位的科學問題具有重大的指導意義，成為導航發(fā)展的重要方向。 目前國內外大多致力于偏振光導航機理研究或將其作為簡單輔助手段，未能真正實現(xiàn)偏振光導航，這些正是本作品研究工作的出發(fā)點。本作品重點研究仿生偏振光導航方法及其關鍵技術，通過偏振光導航傳感器和移動平臺的研制，從理論研究和技術實現(xiàn)兩個層面實現(xiàn)了仿生偏振光導航。 作品深入開展了仿生偏振光導航技術的研究，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航信息的方法；效仿沙蟻POL-神經(jīng)元的陣列信號處理方法，研究由大氣偏振模式獲取導航信息的技術，設計了偏振光導航傳感器，實現(xiàn)由大氣偏振模式到羅盤信息的準確提??；此外本作品還研制了組合導航系統(tǒng)，設計了偏振光/地磁組合導航方法，并搭建了組合導航移動平臺，實現(xiàn)多種信息源下基于地球自然特性的自主導航。
獲獎情況及鑒定結果
- 獲獎情況： [1]本省第四屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎； [2]本校第十二屆大學生課外學術科技作品競賽特等獎。 學術論文： [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空間偏振分布的影響[J]. 光學學報. [3]用于仿生偏振光導航的一維掃描式大氣偏振信息檢測方法[C]. CPGPS2010論壇. [4]仿生POL-神經(jīng)元的偏振光導航傳感器研究[J].傳感器與微系統(tǒng).
作品所處階段
- 系統(tǒng)改進與調試階段
技術轉讓方式
- 技術轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品以及現(xiàn)場演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1．作品使用說明及技術特點 本作品研究了仿生偏振光導航方法及其關鍵技術，建立了基于自然偏振特性的仿生偏振光導航方法框架，在此基礎上設計了仿生偏振光導航傳感器，可以對自然偏振模式信息進行采集，實現(xiàn)由大氣偏振模式到航向信息的有效獲取，實現(xiàn)了陌生環(huán)境下的自主導航。 此外，本作品在包含新型偏振光導航模塊基礎上，引入地磁導航，以嵌入式處理器為核心，有效集成偏振光、地磁導航模塊，實現(xiàn)對不同導航方式下信息的綜合獲取，引入多功能移動載體和遠程控制中心來承載并監(jiān)控移動平臺，接收并綜合優(yōu)化處理導航信息，提高組合導航系統(tǒng)性能，適應不同環(huán)境下的導航要求。 2．作品的適用范圍、推廣前景及市場分析 本作品適用于導航定位技術領域，特別適合弱/無衛(wèi)星導航信號的陌生環(huán)境下的自主導航，還可以與其它導航模塊結合，實現(xiàn)基于自然特性的自主組合導航。作品市場前景廣闊，利用地球一些自然特性進行導航和定位，是保證軍事安全的一個重要因素，具有十分重要的軍事應用價值。
同類課題研究水平概述
- 隨著科技發(fā)展，導航技術有著越來越廣泛的應用，大多數(shù)傳統(tǒng)導航方式依賴電波在空間中的傳播，對系統(tǒng)的生存和抗干擾能力十分不利，基于自然特性的自主導航方法難受人為干擾，成為導航發(fā)展的重要方向。大氣偏振模式蘊含方向信息，可提供一種新的導航手段。因此開展仿生偏振光導航方法與技術的研究，對解決陌生環(huán)境下自主導航與定位的科學問題具有重大的指導意義。 根據(jù)國家和科學研究的需求，本團隊成員所在實驗室自2003年開始，圍繞大氣偏振信息及其應用開展了大量的研究工作，并獲得了多項863項目支持，先后完成了對大氣偏振模式獲取方法和裝置的研究，針對大氣偏振模式建模仿真、大氣偏振模式探測等關鍵問題開展深入研究，申請并獲得了多項發(fā)明專利。 基于大氣偏振模式的仿生偏振光導航，利用地球固有的自然偏振特性，對實現(xiàn)在弱無衛(wèi)星信號下自主導航與定位具有十分重要的應用價值，越來越多的研究機構開始這一方向的研究。目前國外對仿生偏振導航的相關研究主要集中在對沙蟻等昆蟲的生物行為與機理研究方面，瑞士蘇黎世大學動物學研究所的Wehner教授領導的研究小組，對沙蟻生物行為與機理進行了長達幾十年的深入研究，同時也設計了仿沙蟻導航機器人用于驗證和實現(xiàn)沙蟻的各種導航行為。在偏振羅盤信息的獲取方法上，Labhar等提出Point-source法及相應檢測裝置。但由于專業(yè)局限性，對大氣偏振模式本身及其獲取方法沒有深入研究，在仿沙蟻偏振光檢測與導航方面沒有突破性進展。 在國內，仿生偏振光導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，更多的研究機構開始了相關研究工作,如中科院上海光機所、哈爾濱工業(yè)大學、大連理工大學、北京大學等等。大連理工大學的褚金奎教授根據(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態(tài)變化。西北工業(yè)大學的周軍教授綜述了利用偏振光進行大氣層內運動體導航的研究進展，分析了航天器空間自主姿態(tài)確定與導航的優(yōu)點與前景?？傮w上看目前國內在仿生偏振自主導航領域的研究，大多只是提出了不同的理論方法和做了相關的仿真實驗，而對于偏振光檢測傳感器的研究設計，大多采用傳統(tǒng)的單一光電模型設計模式,目前研究將偏振光導航方法融入組合導航系統(tǒng)中也逐漸在國內興起，哈爾濱工業(yè)大學的盧鴻謙博士在理論上研究了引入偏振光導航來輔助組合導航系統(tǒng)的可行性。
