利用大氣偏振光的三維定姿方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及導(dǎo)航技術(shù)，具體為一種利用大氣偏振光的三維定姿方法。該方法是采用如下步驟實(shí)現(xiàn)的：（1）利用球面?zhèn)鞲衅麝嚵性诰€實(shí)時(shí)采集大氣偏振模式；（2）將所采集的大氣偏振模式作為三維定姿模型的原始數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析求出太陽投影點(diǎn)與天頂點(diǎn)在陣列上的相對(duì)位置及角距；（3）利用子午線與體軸夾角確定偏航角；（4）利用姿態(tài)解算公式求俯仰角及滾轉(zhuǎn)角。本發(fā)明設(shè)計(jì)合理，采用大氣偏振模式進(jìn)行三維定姿，提供了一種很好的技術(shù)手段，具有完全自主特性，通過實(shí)時(shí)對(duì)大氣偏振模式分布的檢測(cè)，就可以解算出自身的三維姿態(tài)，簡(jiǎn)單可行沒有累計(jì)誤差，同時(shí)偏振信息存在于大氣層內(nèi)的可見光中，很難被人為的大面積干擾和破壞。
【專利說明】利用大氣偏振光的三維定姿方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及仿生三維姿態(tài)自主測(cè)量方法，具體是一種利用大氣自然光的偏振模式提取大氣層內(nèi)運(yùn)動(dòng)載體的三維姿態(tài)信息的一種方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，利用大氣偏振模式進(jìn)行的仿生導(dǎo)航研究被認(rèn)為是一種極具前景的新方向，普遍存在于自然界的大多數(shù)無脊椎動(dòng)物和部分脊椎動(dòng)物，特別是具有復(fù)眼結(jié)構(gòu)的昆蟲。大氣偏振模式是太陽光進(jìn)入大氣層后與大氣分子離子散射形成的一種具有穩(wěn)定分布的形式，是地球的自然屬性，其中所蘊(yùn)含的方向信息可為昆蟲提供航向信息，具有純自主，不易受到外部干擾的特點(diǎn)。
[0003]研究表明，復(fù)眼中對(duì)偏振光敏感的小眼集中在成扇形分布背部邊緣區(qū)，朝向天空各個(gè)方向上的小眼可檢測(cè)到天空大片區(qū)域的偏振模式。昆蟲利用所檢測(cè)到的該區(qū)域的偏振信息感知太陽子午線與體軸的夾角來確定航向。對(duì)飛行昆蟲，實(shí)現(xiàn)三維導(dǎo)航不僅要解決航向問題，還要解決飛行中的姿態(tài)問題。仿生行為學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，利用大氣偏振模式信息進(jìn)行三維導(dǎo)航的方法是可行的。爬行昆蟲利用偏振光和里程計(jì)定位，而飛行昆蟲利用偏振光和光流感知來定位。
[0004]大氣偏振模式的分布規(guī)律:太陽福射出的光線經(jīng)過大氣層的散射，到達(dá)地球表面的光線成了自然光和線偏振光的疊加，形成了具有穩(wěn)定分布的偏振態(tài)。由于穩(wěn)定分布的偏振態(tài)是針對(duì)整個(gè)太陽光的輻射光譜，其分布具有不易受電磁/人為干擾、全天候的特點(diǎn)，且分布沿著整個(gè)地球的表面，其大氣偏振態(tài)特征矢量信息與太陽間的相對(duì)位置具有極強(qiáng)的規(guī)律性，可為偏振光檢測(cè)提供一個(gè)全球范圍內(nèi)可靠的信息載體。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，任意觀測(cè)位置下的大氣存在一種相對(duì)穩(wěn)定的偏振模式，其表現(xiàn)為兩條穩(wěn)定分布的對(duì)稱線，一條是太陽子午線以及逆太陽子午線SM-ASM，大氣偏振模式的偏振度關(guān)于SM-ASM對(duì)稱分布，E-矢量關(guān)于SM-ASM逆對(duì)稱分布；另一條是與太陽角距為90°的最大偏振線，大氣偏振模式關(guān)于最大偏振線對(duì)稱，在偏振線所在的位置，偏振度最大，距離對(duì)稱線越遠(yuǎn)，偏振度越小。
[0005]目前，對(duì)于大氣層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)載體，尤其是無人自主移動(dòng)平臺(tái)如無人機(jī)、機(jī)器人等，其導(dǎo)航過程中，三維姿態(tài)的測(cè)量極為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的慣導(dǎo)存在積累誤差的缺陷，而GPS需要大量衛(wèi)星支持，易受到外部電磁波干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的針對(duì)空間運(yùn)行體的導(dǎo)航方法存在的上述問題，提供了一種利用大氣偏振光的三維定姿方法。
[0007]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種利用大氣偏振光的三維定姿方法，包括如下步驟:
[0009](1)、建立體坐標(biāo)系，以運(yùn)載體的重心為原點(diǎn)(V，運(yùn)載體的體軸為1-軸，指向運(yùn)載體頂部為Z'軸，Y'軸滿足右手直角坐標(biāo)系規(guī)定；即X' O' Y'平面為運(yùn)載體的飛行傾斜面；
[0010]建立參考直角坐標(biāo)系，以地面檢測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)0，指向正東方向?yàn)閄軸，垂直向上為Z軸，指向正北方向?yàn)閅軸；WXOY平面為參考水平面；
[0011]將仿生復(fù)眼球面?zhèn)鞲衅麝嚵邪惭b在運(yùn)載體的重心O'處。
[0012](2)、利用仿生復(fù)眼傳感器陣列實(shí)時(shí)采集各個(gè)方向上的太陽光E-矢量信息，并確定檢測(cè)到水平方向的E-矢量的小眼陣列及其在球面上的幾何位置；
[0013]然后將原點(diǎn)O'和O重合后，確定檢測(cè)到水平方向的E-矢量的小眼陣列在參考水平面上的投影，即太陽子午線在參考水平面上的投影CD;某時(shí)刻X' O' Y'平面和XOY平面的交線為AB ；
[0014]則在參考水平面上⑶與AB之間的夾角σ由公式(I)確定.sina-cosBsinG,,/.x
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種利用大氣偏振光的三維定姿方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、建立體坐標(biāo)系，以運(yùn)載體的重心為原點(diǎn)(V，運(yùn)載體的體軸為x'軸，指向運(yùn)載體頂部為Z'軸，Y'軸滿足右手直角坐標(biāo)系規(guī)定；即X' O' Y'平面為運(yùn)載體的飛行傾斜面； 建立參考直角坐標(biāo)系，以地面檢測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)O，指向正東方向?yàn)閄軸，垂直向上為Z軸，指向正北方向?yàn)閅軸；WXOY平面為參考水平面； 將仿生復(fù)眼球面?zhèn)鞲衅麝嚵邪惭b在運(yùn)載體的重心O'處； (2)、利用仿生復(fù)眼球面?zhèn)鞲衅麝嚵袑?shí)時(shí)采集各個(gè)方向上的太陽光E-矢量信息，并確定檢測(cè)到水平方向的E-矢量的小眼陣列及其在球面上的幾何位置； 然后將原點(diǎn)O'和O重合后，確定檢測(cè)到水平方向的E-矢量的小眼陣列在參考水平面上的投影，即太陽子午線在參考水平面上的投影CD;某時(shí)刻X' O' Y'平面和XOY平面的交線為AB ； 則在參考水平面上CD與AB之間的夾角σ由公式(I)確定.sina-cosBsin0q
【文檔編號(hào)】G01C21/20GK103697893SQ201310731899
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】唐軍, 任建斌, 劉俊, 王晨光, 曹衛(wèi)達(dá), 王飛 申請(qǐng)人:中北大學(xué)