[发明专利]一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统

说明书

本发明公开一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，包括多光谱仿生偏振模块，地平线姿态传感模块，光流传感模块，惯性辅助模块，光学导航信息融合处理器，存储模块，通信模块，电源模块及接口电路。多光谱仿生偏振模块包括绿色光谱、蓝色光谱、紫外光谱偏振传感器和多光谱航向解算单元；地平线姿态传感模块包括CCD相机、RJ45接口和姿态信息解算单元；光流传感模块包括光流传感器组、I2C接口和光流处理单元；惯性辅助模块包括三轴陀螺仪和三轴加速度计；存储模块用于存储导航信息。本发明基于自然生物对光学信息的感知特性实现全光学信息的自主导航，不依赖GNSS等有源导航方式，适用于电磁干扰等环境复杂未知的应用领域。

技术领域

本发明涉及一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，基于自然界中生物对光学信息的感知特性，实现了全光学方式的自主导航，不依赖于GNSS和地磁等其他导航信息，可在GNSS信号缺失等复杂环境中提供高可靠的载体位置和航姿信息，具有强自主性和环境适应性，可应用于电磁干扰等环境复杂未知的领域。

背景技术

自然界生物具有显著的环境适应能力，它们可以在复杂陌生的环境中完成外出觅食和归巢活动。研究表明，生物利用自然界中的多种光学信息实现对自己觅食归巢活动的定位和导航。例如，蜜蜂和飞蛾利用光流信息感知飞行速度；鸟类利用地平线信息感知姿态信息；沙蚁、蝗虫、蟑螂等利用天空中的偏振光信息进行导航，并且感受的偏振光波段不同。研究表明，沙蚁感受紫外光谱的偏振信息，蝗虫感受绿色波段的偏振信息，蟑螂感受蓝色波段的偏振信息等等。受这类生物的高自主活动方式的启发，可设计一种全光学的自主导航系统，该系统利用多光谱环境下的偏振信息、地平线信息和光流信息等光学信息为载体提供可靠的航姿和位置参考，不需要依赖于GNSS等有源设备，具有极强的复杂环境适应性和导航自主性。

目前应用广泛的导航方式包括惯性导航和卫星导航，基于卫星/惯性的组合导航系统在日常生活中占据主导地位。现有的组合导航系统多使用卫星和地磁导航对惯性导航进行辅助，从而抑制惯性导航系统的累积误差，但是卫星导航和地磁导航易受外界环境的电磁干扰，惯性导航在卫星和地磁失效的情况下仍然会发生较大漂移，整个导航系统存在不可靠因素，且卫星导航系统为有源导航系统，隐蔽性较差。仿生偏振导航作为新型的导航方式可以弥补卫星和地磁导航的易受干扰的缺点，但现有偏振导航方式多感受单一波段的天空偏振光信息，易受天气条件影响，环境适应能力较差。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服传统偏振组合导航系统易受大气条件影响引起航向解算误差，克服传统偏振/惯性组合导航系统中误差累计对位置姿态解算的影响，克服GNSS、磁罗盘易受外部环境干扰等缺点，提出一种复杂环境下的全光学自主导航系统，为无人机、无人车等载体提供强适应性、高自主性的位置和航姿信息。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种复杂环境下的全光学仿生自主导航系统，包括：光学导航数据融合处理器、多光谱仿生偏振模块、地平线姿态传感模块、光流传感模块、惯性辅助模块、电源模块、存储模块、通信模块、接口电路；其中多光谱仿生偏振模块包括绿色光谱偏振传感器、蓝色光谱偏振传感器、紫外光谱偏振传感器和多光谱航向解算单元；地平线姿态传感模块由CCD相机、RJ45通信接口和姿态信息解算单元组成；光流传感模块由光流传感器组、I2C通信接口和光流处理单元组成；惯性辅助模块由三轴陀螺仪和三轴加速度计组成；通信模块包括USART1、USART2、USART3和SPI；接口电路包括RS232接口、USART4接口和CAN接口；存储模块包括EEPROM存储器等；电源模块由锂电池、保护电路、电压调整器和稳压模块组成；