[发明专利]一种用于多目偏振视觉的航向角求解方法

说明书

本发明属于偏振光导航领域，具体公开了一种用于多目偏振视觉的航向角求解方法。首先利用多目偏振视觉传感器测量大气偏振信息，主要是偏振角和偏振度信息；其次求解天空偏振度的梯度信息，识别剔除图像中的遮挡障碍区域，根据标准Rayleigh散射，利用天空区域的偏振信息建立偏振光的定向模型；最后建立航向角的目标优化函数，采用全局最小二乘的方法获取航向角的最优解，从而实现多目偏振视觉的定向。本发明充分利用了天空偏振光的梯度信息和多测量点的偏振角信息，能够有效地剔除遮挡障碍物和减小测量噪声对多目偏振视觉定向的影响，能够提高偏振光的定向精度，具有原理简单、鲁邦性强、定向精度高的优点，为实现多目偏振视觉导航提供了定向基础。

技术领域

本发明涉及一种用于多目偏振视觉的航向角求解方法，属于偏振光导航领域。

背景技术

为了提高无人平台的自主导航能力，除了采用传统的卫星导航系统、惯性导航系统之外，还需要积极探索新的导航方法和手段，基于大自然生物系统的模拟仿生感知技术，为导航技术的新发展提供了启示。准确的航向信息是实现自主导航的关键。自然界中很多昆虫和鸟类通过特殊的生理结构感知天空的偏振光信息，从而进行导航活动。例如，沙漠蚂蚁通过检测大气中的偏振模态确定方位信息，可以从距离巢穴数百米的地方沿直线准确返回，蜜蜂、蝴蝶等昆虫也可通过感知天空偏振光的强度和方向实现导航定位。与经典导航技术相比，仿生偏振光导航利用具有自然属性的天空偏振模式，具有抗干扰性强、误差不积累、适用范围广等优势，比较适合复杂环境下的长航时、远距离的自主导航，对于车辆、船舶、飞行器等领域的应用具有广泛前景。

基于多目视觉而设计的偏振光传感器，从结构上接近于昆虫的复眼结构，具有若干像素级的偏振测量单元，可以实现全天域的偏振信息的精细化测量。与传统的基于光电二极管式的点型偏振光传感器相比，具有检测区域广、测量不易受天气变化等因素影响的优势，并且在基于多目视觉的偏振光传感器中，相机的CCD测量噪声较小，有利于实现全天域精细化的偏振信息测量。从目前公开发表的文献看，鲜有文献对基于区域偏振信息的偏振光定向方法进行深入研究，尤其是地面无人平台在城市环境中进行偏振光定向时，偏振图像会受到外界障碍物的遮挡，严重影响偏振信息的准确性，若直接进行计算，势必会对定向结果的精度产生较大影响，此外利用单测量点的偏振信息进行定向的方法，易受到环境干扰和测量噪声的影响，方法鲁邦性不强，解算结果精度不高，因此需要寻求一种利用偏振信息在线去除遮挡障碍，并且能够有效利用多点偏振信息实现鲁邦性强、精度高的航向角求解方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：在有遮挡障碍环境中如何有效地利用多目偏振视觉测量信息获取载体的航向信息。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：

一种用于多目偏振视觉的航向角求解方法，其特征在于包括以下几个步骤：

(1)求解天空偏振度的梯度信息，识别剔除偏振图像中的遮挡障碍区域，建立偏振光定向模型；

(2)建立求解航向角的目标优化函数，并利用全局最小二乘法求解航向角。

所述步骤(1)通过以下步骤实现：

1)求解偏振度的梯度信息

由多目偏振视觉传感器获取的偏振信息，包含偏振角β(i,j)和偏振度χ(i,j)，偏振度的梯度求解方法为：

式中，grad(·)表示梯度值，(i,j)表示像素位置；

2)识别偏振图像中的天空与非天空区域，按照一定规则剔除偏振图像中的遮挡障碍区域根据每个像素的梯度信息，剔除规则如下：

式中，Sky表示天空区域，non-Sky表示非天空区域，ε为梯度阈值，一般取0.02～0.07。