一種基于天空光的新型成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置*

李 彬， 關(guān) 樂(lè)， 劉 琦， 褚金奎

(大連理工大學(xué) 精密特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

一種基于天空光的新型成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置*

李 彬， 關(guān) 樂(lè)， 劉 琦， 褚金奎

(大連理工大學(xué) 精密特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

模仿昆蟲(chóng)偏振導(dǎo)航機(jī)理，設(shè)計(jì)了成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置樣機(jī)。研究了天空光偏振分布模型，分析了成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置工作原理。解決了一般探測(cè)裝置解算偏振參數(shù)需要上位機(jī)輔助的問(wèn)題，使用CMOS圖像傳感器和數(shù)字信號(hào)處理器，實(shí)時(shí)輸出導(dǎo)航角度。進(jìn)行了室內(nèi)、室外裝置性能測(cè)試，獲得了3個(gè)方向偏振分量標(biāo)準(zhǔn)化強(qiáng)度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：傳感裝置室內(nèi)外角度測(cè)量誤差分別為-0.8°～0.3°，-1.2°～1.4°，能夠較高精度地輸出導(dǎo)航角度，可以滿足實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位的需要。

偏振導(dǎo)航； 天空光偏振分布模型； 數(shù)字信號(hào)處理器； CMOS圖像傳感器

0 引 言

現(xiàn)代生物學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，蜣螂等昆蟲(chóng)能夠利用其偏振視覺(jué)(對(duì)天空光偏振方向極其敏感的視覺(jué)組織、器官與神經(jīng)系統(tǒng))分析天空中存在的一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的偏振光(polarized light，POL)分布模式圖來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位[1]。這種基于天空光的仿生偏振導(dǎo)航方式不受電磁干擾，誤差不隨時(shí)間累積，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2000年,國(guó)外學(xué)者Lambrinos D與M?ller R等人首先將昆蟲(chóng)偏振導(dǎo)航原理應(yīng)用于機(jī)器人的開(kāi)發(fā)中，研制了基于偏振光導(dǎo)航的Sahabot移動(dòng)機(jī)器人[2]。國(guó)內(nèi)，大連理工大學(xué)褚金奎教授課題組在國(guó)內(nèi)首先于2004年開(kāi)展了天空偏振光分布規(guī)律和偏振光多通道式仿生微納導(dǎo)航傳感器的研究，驗(yàn)證了仿生偏振導(dǎo)航的可行性[3,4]。

目前，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在白天天空偏振光分布模式理論建模與測(cè)試、偏振導(dǎo)航傳感器測(cè)角模型與誤差分析以及考慮偏振導(dǎo)航增強(qiáng)的組合導(dǎo)航方法方面的研究[5～9]。對(duì)于微型化、單片集成化的成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置的研究尚處于初級(jí)階段。

本文模仿昆蟲(chóng)偏振視覺(jué)結(jié)構(gòu)，結(jié)合商用CMOS圖像傳感器與數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片研制了一種新型成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置樣機(jī)，進(jìn)行了導(dǎo)航角度輸出測(cè)試。與傳統(tǒng)的導(dǎo)航設(shè)備相比，它具有體積小、重量輕、集成度高、光敏感性能好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 天空光偏振分布模型

天空光的偏振現(xiàn)象是由于光被大氣中粒子散射所引起的。大氣中的光散射主要有M?ll散射和Rayleigh散射。其中，Rayleigh散射是由比波長(zhǎng)小得多的粒子引起的；而大氣中的氧氣、氮?dú)夥肿佣夹∮诠獠ㄩL(zhǎng)，很好地符合了Rayleigh散射模型[10]。Rayleigh散射過(guò)程如圖1所示。

圖1 Rayleigh散射過(guò)程示意圖Fig 1 Diagram of Rayleigh scattering process

(1)

由上式可以看出:散射后光束的偏振分量不一定相等，即大氣粒子的散射改變了光的偏振狀態(tài)。

若以瑞利散射理論為基礎(chǔ)，基于Stokes矢量方程和地平坐標(biāo)系，可以計(jì)算偏振度和偏振方位角，建立天空光偏振分布模型。

圖2 地平坐標(biāo)系Fig 2 Horizontal coordinate system

其中，θs為太陽(yáng)高度角，ψs為太陽(yáng)方位角，θ為測(cè)量高度角，ψ為測(cè)量方位角。當(dāng)太陽(yáng)S三維坐標(biāo)為(r，θs，ψs)時(shí)，r為球體半徑，空間任意一點(diǎn)R(r，θ，ψ)處偏振度為

P=Pmax(1-cos2y)/(1+cos2y).

(2)

其中

cosy=sinθssinθcosθscosθ.

該點(diǎn)處的偏振方位角為

(3)

由上式可以看到，在一天的一定時(shí)刻、一定位置，天空中具有相對(duì)穩(wěn)定的光偏振分布模式，這個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的光偏振分布模式可以為導(dǎo)航提供所需的信息。

2 成像式仿生偏振傳感裝置工作原理

偏振光的數(shù)學(xué)描述一般采用電矢分量法、瓊斯矢量法、斯托克斯矢量法及布卡爾球作圖表示法4種方法。因?yàn)樗雇锌怂故噶吭诤暧^上具有很好的可測(cè)量性，所以,這里使用它表征天空光的偏振態(tài)。在斯托斯矢量法中，光束可以用4個(gè)實(shí)數(shù)來(lái)表示，即

S=[I,Q,U,V]T.

(4)

其中，I為照射在像素單元上的天空光總強(qiáng)度，Q為0°方向線偏振光分量強(qiáng)度，U為45°線偏振光分量強(qiáng)度，V為圓偏振分量強(qiáng)度。

在大氣偏振測(cè)量場(chǎng)合，圓偏振分量V的測(cè)量值幾乎可以忽略。因此，若假設(shè)入射天空光的斯托斯矢量為S，當(dāng)偏振片主透光軸與設(shè)定的零度參考線之間夾角為ψ，偏振片對(duì)其偏振狀態(tài)的改變可以用MULLER矩陣表示[11]，有

(5)

因?yàn)槌上袷椒律駛鞲醒b置可以直接測(cè)量的是光的總強(qiáng)度I，所以,在這里只關(guān)心MULLER矩陣的第一行,即

(6)

因此，只要測(cè)量3個(gè)不同ψ角下出射光束的強(qiáng)度，就可以聯(lián)立求解出入射光束的I,Q,U。選取ψ角，0°,45°,90°，得方程組

(7)

整理可得

(8)

進(jìn)而得入射光束的偏振方位角χ等參數(shù)

(9)

由于一定時(shí)間、地點(diǎn)的天空光偏振狀態(tài)是固定的，因此,由上式就可以計(jì)算相應(yīng)位置的導(dǎo)航角度。但偏振參數(shù)的解算是一項(xiàng)繁瑣的工程，一般探測(cè)裝置仍需要上位機(jī)輔助，成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置硬件核心擁有DSP，能夠獨(dú)立完成參數(shù)計(jì)算，從而實(shí)時(shí)有效地輸出導(dǎo)航角度。

3 成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

傳感裝置的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 傳感裝置硬件框圖Fig 3 Hardware block diagram of sensing device

整個(gè)系統(tǒng)主要由CMOS圖像傳感器與DSP組成。DSP通過(guò)I2C接口控制CMOS圖像傳感器的像素時(shí)鐘和采集觸發(fā)，并從CMOS圖像傳感器提取偏振強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

偏振參數(shù)的解算需要實(shí)時(shí)刷新采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行高強(qiáng)度數(shù)據(jù)解析，對(duì)運(yùn)算處理速度要求很高，且圖像處理系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果需要隨時(shí)通過(guò)串口或網(wǎng)口發(fā)送至上位PC機(jī)。因此,選擇TI公司生產(chǎn)的TMS320DM642作為核心芯片,它具有運(yùn)算速度快，外設(shè)資源豐富等特點(diǎn)。

圖像采集部分使用鎂光公司生產(chǎn)的MT9M001圖像傳感器。MT9M001是一種高性能幀曝光CMOS圖像傳感器，分辨率為1280像素×1024像素，像元尺寸為5.2μm×5.2μm，且?guī)l可編程。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分采用大容量、低成本的SDRAM(同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)芯片，其能夠很好地實(shí)現(xiàn)與DSP的無(wú)縫連接。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

傳感裝置軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，整個(gè)軟件系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)功能不同劃分成不同模塊。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，硬件中斷、軟件中斷及任務(wù)線程按照優(yōu)先級(jí)調(diào)用各模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。如利用I2C等接口協(xié)議，實(shí)現(xiàn)偏振圖像數(shù)據(jù)的獲取、傳輸和處理、偏振圖像斯托克斯矢量參數(shù)計(jì)算、偏振度和偏振方位角的計(jì)算等功能。

具體裝置軟件流程為：

1)天空光經(jīng)過(guò)偏振片過(guò)濾后，照射在CMOS圖像傳感器感光區(qū)域上，輸出含有偏振信息的數(shù)字圖像；

2)利用嵌入式DSP完成含有天空光偏振信息的數(shù)字圖像中偏振像素單元偏振方位角χ的提??；

3)再根據(jù)瑞利散射理論、斯托克斯矢量方程和地平坐標(biāo)系，利用天體理論中相關(guān)公式，結(jié)合提取的偏振像素單元偏振方位角χ得到零度參考線與地理正北方向夾角等航向信息；

4)最后，通過(guò)網(wǎng)口或串口將導(dǎo)航角度發(fā)送至上位PC上顯示輸出，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的目的。

其工作流程圖如圖4。

圖4 傳感裝置工作流程圖Fig 4 Work flow chart of sensing device

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 室 內(nèi)

搭建的成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置模型如圖5。

圖5 成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置模型Fig 5 Imaging bionic polarization navigation sensing device model

成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置在室內(nèi)進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，通過(guò)積分球得到的穩(wěn)定的均勻光源，在光源出口位置加上線偏振器得到線偏振光，將待測(cè)試裝置放在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上固定，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)使裝置獲得不同方向的偏振光。入射光電矢量方向變化步長(zhǎng)為10°，測(cè)量0°～170°內(nèi)共18個(gè)不同方向。

CMOS圖像傳感器上覆蓋具有0°,45°,90° 3個(gè)不同方向的偏振片，如圖6。

圖6 偏振片結(jié)構(gòu)示意圖Fig 6 Diagram of polarizer structure

一定方向偏振光測(cè)量時(shí)，CMOS圖像傳感器可以同時(shí)獲得3個(gè)不同方向偏振分量強(qiáng)度信息，強(qiáng)度曲線如圖7。

圖7 歸一化的不同方向偏振分量的強(qiáng)度曲線(室內(nèi))Fig 7 Normalized intensity curve of polarized component in various directions(indoor)

根據(jù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得入射光束偏振方位角χ等偏振參數(shù)，使用最小二乘支持向量機(jī)法進(jìn)行補(bǔ)償后，其誤差曲線如圖8。

圖8 誤差曲線(室內(nèi))Fig 8 Curve of error (indoor)

4.2 室 外

成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置在室外測(cè)試，地點(diǎn)大連理工大學(xué)機(jī)械棟樓南側(cè)停車場(chǎng)，時(shí)間2013年11月19日下午3點(diǎn)，光源為天空光，將傳感裝置固定在精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái),入射光束偏振方向相對(duì)變化步長(zhǎng)為10°，測(cè)量0°～160°內(nèi)共17個(gè)不同的偏振方向,CMOS圖像傳感器上覆蓋室內(nèi)相同的具有0°,45°,90° 3個(gè)不同方向的偏振片。天空光測(cè)量時(shí)，CMOS圖像傳感器可以同時(shí)獲得3個(gè)不同方向偏振分量的強(qiáng)度信息，強(qiáng)度曲線如圖9。

圖9 歸一化的不同方向偏振分量的強(qiáng)度曲線(室外)Fig 9 Normalized intensity curve of polarized component in various directions(outdoor)

根據(jù)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得入射光束偏振方位角χ等偏振參數(shù)，使用最小二乘法進(jìn)行補(bǔ)償后，其誤差曲線如圖10。

圖10 誤差曲線(室外)Fig 10 Curve of error (outdoor)

5 結(jié) 論

本文模仿昆蟲(chóng)偏振視覺(jué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置樣機(jī)，結(jié)合了CMOS圖像傳感器和DSP，在保證裝置實(shí)時(shí)處理性能基礎(chǔ)上，獲得了更多點(diǎn)的天空光偏振信息。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，成像式仿生偏振導(dǎo)航傳感裝置角度測(cè)量誤差室內(nèi)為-0.8°～0.3°，室外為-1.2°～1.4°，能夠較高精度地輸出導(dǎo)航角度，可以滿足實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位的需要。

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A novel imaging bionic polarization navigation sensing device based on skylight*

LI Bin, GUAN Le, LIU Qi, CHU Jin-kui

(Key Laboratory of Technology Precision & Non-traditional Machining of Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

A novel imaging bionic polarization navigation sensing device proto is designed by employing insect strategies for navigation.The skylight polarization distribution model is studied,and work principle of imaging bionic polarization navigation sensing device solves is analyzed.The problem of normal detection device polarized parameters needs upper PC aided,by using CMOS sensor and DSP,real time output navigation angle.Performance experiments are presented indoor and outdoor,and normalized intensity curves of the polarized component in three directions are obtained.Experimental result indicates that error of angle measurement of sensing device is -0.8°～0.3°(indoor) and -1.2°～1.4°(outdoor),it can output navigation angle with high precision and meet requirement of realtime navigation.

polarization navigation; skylight polarization distribution model; DSP; CMOS image sensor

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0069—04

2014—01—15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305057)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB302105)

TP 212

A

1000—9787(2014)08—0069—04

李 彬(1989- )，男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向?yàn)槌上袷椒律駥?dǎo)航傳感裝置。