一种基于偏振光的室内导航系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于偏振光的室内导航系统及导航方法，属于导航【技术领域】，该室内导航系统包括定位光源、定位终端和上位机。该导航方法概述为：定位光源用于获取并传输单一振动方向的激光线偏振光，供定位终端接收和处理；定位终端接收定位光源发射的激光线偏振光，对激光线偏振光进行滤光、检偏、光电转换和对数比率放大运算后形成模拟电压信号，经A/D转换后形成数字化电压信号，并将数字化电压信号传输给上位机；上位机接收定位终端输出的数字化电压信号，根据偏振测角算法得出并显示室内需定位载体的方向或行进角度信息。本发明提供的室内导航系统，设计合理，导航精度较高，误差较小，降低了成本，可实现室内的偏振光导航。
【专利说明】一种基于偏振光的室内导航系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于导航【技术领域】，涉及一种室内导航系统及方法，特别是一种基于偏振光的室内导航系统以及用于室内的偏振光导航方法。
【背景技术】
[0002]基于偏振光的导航方法是一种利用偏振光的分布和方位信息，得到所需的航向角等信息的仿生偏振导航方法。1808年,法国物理学家Etienne Louis Malus首次发现了光的偏振现象。1949年，德国动物学家VonFrisch发现蜜蜂可以利用紫外偏振光导航。20世纪60年代，Rudiger Wehner教授及其团队在对一种沙漠蚂蚁长期观察研究后发现,这种沙漠蚂蚁可以感知天空中的偏振光，并利用其进行导航。在此基础之上，Riidiger Wehner教授先后提出了偏振光检测方法、光电模型方法和偏振成像方法，为后续研究者开展仿生偏振导航传感器的研究提供了理论依据。1999年，苏黎世大学学者T.Labhart用光电器件制造了 一个仿生偏振敏感神经元模型，旨在探索蟋蟀的偏振敏感生理电学特性。
[0003]国内在仿生偏振导航方面的研究起步比较晚，投入也比较少。但是随着经济和学术水平的不断发展，有很多科研机构和高校都开展了有关仿生偏振导航方面的研究。文献“基于自然偏振光的自主导航新方法研究进展”(周军，刘莹莹.宇航学报，30(2):409-414, 2009.)对生物偏振光导航基本原理进行了简要介绍，并讨论了仿生偏振敏感器的结构、偏振光观测与运动体的姿态角和地理位置的关系方程和观测误差方程等。文献“基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法”(田柳，高隽，范之国等.电子学报，40 (I): 141-146, 2012.)概述了基于大气偏振模式分布规律的导航机理，利用大气偏振模式存在的对称性分布规律设置位置对称的有限个采样点进行试验，定义了偏振响应和函数，根据采样点得到的偏振信息拟合出太阳子午线的位置，最终获得导航方向角信息，验证了基于大气偏振模式分布规律的导航方向角计算方法的有效性。专利文献CN1789916A公开了一种高精度偏振光导航仪，通过测量天空偏振光分布实现高精度偏振光导航导航。文献“偏振光/地磁/GPS/SINS组合导航方法”(卢鸿谦，尹航，黄显林.宇航学报，28 (4): 897-902，2007.)针对微小型飞行器常用的GPS/SINS导航中姿态误差估计精度和稳定程度存在的问题，提出了增加偏振光和地磁测量的辅助导航方法，验证了采用偏振光测量的辅助导航措施可以减小姿态误差，改善了导航系统的能观性和精度。文献“ANovel Angle Algorithm of Polarizat1n Sensor for Navigat1n，，(Kaichun Zhao, JinkuiChu, Tichang Wang, et al.1EEE TRANSACT1NS:1NSTRUMENTAT1N AND MEASUREMENT, 58 (8):2791-2796，2009.)根据沙蚁复眼对偏振光敏感的机理，设计了一种新型的仿生偏振导航传感器和新的航向角计算方法，在此基础之上，通过实验得到了航向角的标准输出曲线和输出误差曲线，并证明了该计算方法的简洁性、高效性和较高的角度分辨率。
[0004]上述研究均基于天空中的偏振光分布和方位信息，将其作为室外导航的信息来源，其研究的技术和仿生偏振导航传感器都用于室外导航，在室内导航方面仿生偏振的技术应用还基本是空白。由于室内定位技术发展的迫切要求和重要性，设计相对廉价、研制方便、精度合理和误差较小的基于偏振光的室内导航方法具有重要的理论价值和研究意义。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种基于偏振光的室内导航系统及方法，该系统应具有相对廉价、研制方便、精度合理和误差较小的优越性能，且可用于室内的偏振光导航。
[0006]本发明采取的技术方案是:
[0007]—种基于偏振光的室内导航系统,包括定位光源、定位终端和上位机。
[0008]所述定位光源用于获取并传输单一振动方向的激光线偏振光，供定位终端接收和处理。
[0009]所述定位终端用于接收定位光源输入的激光线偏振光，对激光线偏振光进行滤光、检偏、光电转换和对数比率放大运算形成模拟电压信号，经A/D转换后形成数字化电压信号，并将数字化电压信号传输给上位机。
[0010]所述上位机用于接收定位终端输出的数字化电压信号，根据偏振测角算法得出并显示室内需定位载体的方向或行进角度信息。
[0011]进一步地，所述定位光源包括激光偏振光源和起偏器。
[0012]所述激光偏振光源，安装于室内，用于发射传播方向垂直于室内需定位载体的运动平面的单色椭圆偏振光，并将该单色椭圆偏振光传输至起偏器。
[0013]所述起偏器，安装于激光偏振光源的正下方，用于对激光偏振光源发射的单色椭圆偏振光起偏，得到振动方向与室内需定位载体的运动平面相平行的单一振动方向的激光线偏振光,并将该激光线偏振光传输至定位终端。
[0014]进一步地，所述定位终端包括偏振测角传感器，ADC模块和异步串口通信模块。
[0015]所述偏振测角传感器用于接受所述激光线偏振光，并将激光线偏振光转化为模拟电压信号后，将该模拟电压信号传输至ADC模块。
[0016]所述ADC模块包括A/D转换芯片和前端调理电路，用于接受模拟电压信号，并对模拟电压信号进行采样、量化。
[0017]所述异步串口通信模块用于和上位机交换数据。
[0018]进一步地,所述上位机包括串口通信单元、偏振测角单元和显示单元。
[0019]所述串口通信单元用于接收异步串口通信模块发送的数字化电压信号，并将数字化电压信号传输至偏振测角单元。
[0020]所述偏振测角单元用于接收串口通信单元发送的数字化电压信号，并利用偏振测角算法得出室内需定位载体的方向和行进角度信息。
[0021]所述显示单元用于显示定位终端的方向和行进角度信息。
[0022]作为优选，所述激光偏振光源含有半导体激光器，所述半导体激光器为红光激光器或绿光激光器；所述激光偏振光源在室内的安装位置是在与室内需定位载体的运动平面相平行的平面上，亦即激光偏振光源在室内的安装位置与室内需定位载体的运动平面相垂直。
[0023]作为优选，所述偏振测角传感器由三组面向不同方向的检偏模块组成；其中，每组检偏模块均包括滤光器、检偏器、光电转换单元、对数比率放大单元和A/D转换单元。
[0024]所述滤光器安装在室内需定位载体上，含有两个型号和参数相同的滤光片，滤光片所在平面和激光线偏振光的传播方向垂直，用于滤除起偏器输入的激光线偏振光中的干扰光线，并将滤除干扰光线后的激光线偏振光分为两路光信号传送至检偏器。
[0025]所述检偏器安装在滤光器的正下方且与滤光器平行，含有两个型号和参数完全相同的偏振片，其中一个偏振片标记为主偏振片，另一个偏振片标记为副偏振片；所述主偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角分别为0°、60°、120°，所述副偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角分别为90°、150° >210° ;所述检偏器用于接收滤光器传送的两路光信号并对其进行检偏，形成振动方向互相垂直且光强之和为检偏前两路光信号光强的两路激光线偏振光信号，并将两路激光线偏振光信号输入光电转换单元。
[0026]所述光电转换单元用于接收检偏器输入的两路激光线偏振光信号，将两路激光线偏振光信号的光强转化为两路光电流信号，并将两路光电流信号输入对数比率放大单元。
[0027]所述对数比率放大单元用于接收光电转换单元输出的两路光电流信号，并对两路光电流信号进行对数比率运算得到模拟电压信号，并将模拟电压信号输入A/D转换单元。
[0028]所述A/D转换单元用于接收对数比率放大单元输出的模拟电压信号，对模拟电压信号进行采样、量化形成数字化电压信号，并将数字化电压信号传输至上位机。
[0029]进一步地，所述偏振测角算法描述为:设经起偏器获得的激光线偏振光的光强度为I，组成偏振测角传感器的一检偏模块中的主偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角为0° ,偏振测角传感器自身参考轴与激光线偏振光的振动方向的夹角为α ;由马吕斯定律可得，经滤光、检偏和光电转换后形成的两路光电流信号I1和I2分别为:
[0030]I1 = MIcos2 α
[0031]I2 = MIsin2 α
[0032]其中，M为光电二极管接收的光强度和响应的光电流转换系数；
[0033]两路光电流信号IJP I2经过对数比率放大单元的放大运算后，对数比率放大单元输出的模拟电压信号S1(Ct)为:
【权利要求】
1.一种基于偏振光的室内导航系统，其特征在于，包括定位光源、定位终端和上位机； 所述定位光源用于获取并传输单一振动方向的激光线偏振光，供定位终端接收和处理； 所述定位终端用于接收定位光源输入的激光线偏振光，对激光线偏振光进行滤光、检偏、光电转换和对数比率放大运算，形成模拟电压信号，经A/D转换后形成数字化电压信号，并将数字化电压信号传输给上位机； 所述上位机用于接收定位终端输出的数字化电压信号，根据偏振测角算法得出并显示室内需定位载体的方向或行进角度信息。
2.根据权利要求1所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于:所述定位光源包括激光偏振光源和起偏器； 所述激光偏振光源，安装于室内，用于发射传播方向垂直于室内需定位载体的运动平面的单色椭圆偏振光，并将该单色椭圆偏振光传输至起偏器； 所述起偏器，安装于激光偏振光源的正下方，用于对激光偏振光源发射的单色椭圆偏振光起偏，得到振动方向与室内需定位载体的运动平面相平行的单一振动方向的激光线偏振光，并将该激光线偏振光传输至定位终端。
3.根据权利要求1所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于:所述定位终端包括偏振测角传感器，ADC模块和异步串口通信模块； 所述偏振测角传感器用于接受所述激光线偏振光，并将激光线偏振光转化为模拟电压信号后，将该模拟电压信号传输至ADC模块； 所述ADC模块包括A/D转换芯片和前端调理电路，用于接受模拟电压信号，并对模拟电压信号进行采样、量化； 所述异步串口通信模块用于和上位机交换数据。
4.根据权利要求1所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于:所述上位机包括串口通信单元、偏振测角单元和显示单元； 所述串口通信单元用于接收异步串口通信模块发送的数字化电压信号，并将数字化电压信号传输至偏振测角单元； 所述偏振测角单元用于接收串口通信单元发送的数字化电压信号，并利用偏振测角算法得出室内需定位载体的方向和行进角度信息； 所述显示单元用于显示定位终端的方向和行进角度信息。
5.根据权利要求2所述的基于偏振光的室内导航系统,其特征在于:所述激光偏振光源含有半导体激光器，所述半导体激光器为红光激光器或绿光激光器；所述激光偏振光源在室内的安装位置是在与室内需定位载体的运动平面相平行的平面上，亦即激光偏振光源在室内的安装位置与室内需定位载体的运动平面相垂直。
6.根据权利要求3所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于:所述偏振测角传感器由三组面向不同方向的检偏模块组成；其中，每组检偏模块均包括滤光器、检偏器、光电转换单元、对数比率放大单元和A/D转换单元； 所述滤光器安装在室内需定位载体上，含有两个型号和参数相同的滤光片，滤光片所在平面和激光线偏振光的传播方向垂直，用于滤除起偏器输入的激光线偏振光中的干扰光线，并将滤除干扰光线后的激光线偏振光分为两路光信号传送至检偏器；所述检偏器安装在滤光器的正下方且与滤光器平行，含有两个型号和参数完全相同的偏振片，其中个偏振片标记为王偏振片，另个偏振片标记为副偏振片；所述王偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角分别为0° >60° > 120° ,所述副偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角分别为90°、150° >210° ;所述检偏器用于接收滤光器传送的两路光信号并对其进行检偏，形成振动方向互相垂直且光强之和为检偏前两路光信号光强的两路激光线偏振光信号，并将两路激光线偏振光信号输入光电转换单元; 所述光电转换单元用于接收检偏器输入的两路激光线偏振光信号，将两路激光线偏振光信号的光强转化为两路光电流信号，并将两路光电流信号输入对数比率放大单元； 所述对数比率放大单元用于接收光电转换单元输出的两路光电流信号，并对两路光电流信号进行对数比率运算得到模拟电压信号，并将模拟电压信号输入A/D转换单元； 所述A/D转换单元用于接收对数比率放大单元输出的模拟电压信号，对模拟电压信号进行采样、量化形成数字化电压信号，并将数字化电压信号传输至上位机。
7.根据权利要求4所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于，所述偏振测角算法描述为: 设经起偏器获得的激光线偏振光的光强度为I，组成偏振测角传感器的一检偏模块中的主偏振片的偏振方向与偏振测角传感器自身参考轴的夹角为0° ,偏振测角传感器自身参考轴与激光线偏振光的振动方向的夹角为α ;由马吕斯定律可得，经滤光、检偏和光电转换后形成的两路光电流信号I1和I2分别为:
11= MIcos2 α
12= MIsin2 α 其中，M为光电二极管接收的光强度和响应的光电流转换系数； 两路光电流信号IdP I2经过对数比率放大单元的放大运算后，对数比率放大单元输出的模拟电压信号S1 ( α )为:.、 t,, A ,,, M/cos2 α..,, cos α
8.根据权利要求3所述的基于偏振光的室内导航系统，其特征在于:所述异步串口通信模块含有FPGA处理器或含有DSP处理器。
9.根据权利要求6所述的基于偏振光的室内导航系统,其特征在于:所述光电转换单兀含有一组光电二极管。
10.采用权利要求1所述的基于偏振光的室内导航系统进行室内导航的方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)通过安装在室内的定位光源获取单一振动方向的激光线偏振光，该激光线偏振光与室内需定位载体的运动平面相平行；定位光源将激光线偏振光传输至定位终端； 2)定位终端接收定位光源输入的激光线偏振光,对激光线偏振光进行滤光、检偏、光电转换和对数比率放大运算处理，形成模拟电压信号；模拟电压信号经Α/D转换后形成数字化电压信号；定位终端将数字化电压信号传输至上位机； 3)上位机接收定位终端输入的数字化电压信号，根据偏振测角算法得出室内需定位载体的方向或行进角度 信息，并显示室内需定位载体的导航信息。
【文档编号】G01J4/00GK104034330SQ201410254118
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】张华 , 许录平, 王斌, 卢晓, 申洋赫, 宋诗斌, 韩承玺, 闫博 申请人:西安电子科技大学, 西安科技大学