仿生偏振光导航传感器设计

论文摘要

随着科学技术的发展,导航技术应用于越来越多的领域。与此同时,导航传感器需要具有着高精度、结构简单、低成本等特点。本文设计了一个能够同时输出方向信息和位置信息的、结构简单、成本较低的仿生导航传感器。此传感器通过天空偏振光信息得到方向信息,通过GPS接收器得到位置信息。生物学家发现某些昆虫,如沙蚁、蜜蜂等能够利用天空偏振光进行导航,并且给出了这些昆虫复眼导航的生物结构原理。本文在前人的工作基础上,对已有的仿生偏振光传感器样机进行改进和完善,设计了仿生偏振光导航传感器。然后,采用小波去噪方法对传感器输出信号进行滤波,用最小二乘法和最小二乘向量机法补偿了传感器固有误差,经过滤波和误差补偿后,传感器精度明显提高。室外进行的传感器测试实验结果表明传感器输出稳定、无误差累积,可以进一步应用于导航系统中。本文主要内容如下：(1)分析了天空偏振光分布模式和沙蚁导航的原理,给出传感器导航原理。通过图片和公式,说明了在原仿生偏振光传感器样机导航角计算方法上的改进。(2)介绍传感器电路部分硬件和软件实现方法,共分为五个模块：电源管理模块、偏振光检测及AD转换模块、GPS信号接收模块、系统控制计算模块和网络传输模块。重点说明在传感器样机基础上重新设计的电源管理模块和GPS信号接收模块。(3)采用搭建的传感测试平台测试传感器误差,然后说明了小波去噪过程和传感器误差补偿过程,并给出传感器室内补偿后的精度。(4)分析了天空偏振光偏振度变化对传感器测量精度的影响,在室外测试了传感器输出导航角的误差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题依据及意义
• 1.2 导航技术发展现状
• 1.3 偏振光导航研究现状
• 1.4 论文主要内容
• 2 传感器的工作原理
• 2.1 天空偏振光分布模式
• 2.2 沙蚁导航原理
• 2.3 传感器导航模型
• 2.3.1 传感器偏振光检测结构
• 2.3.2 传感器偏振光信息处理
• 3 传感器整体实现
• 3.1 硬件实现
• 3.1.1 传感器硬件模块及其功能
• 3.1.2 电源管理模块
• 3.1.3 GPS信号接收模块
• 3.2 软件实现
• 3.2.1 传感器程序整体设计
• 3.2.2 GPS数据提取程序
• 4 传感器数据滤波和误差补偿
• 4.1 传感器误差测量
• 4.1.1 传感器误差测试平台简介
• 4.1.2 传感器原始误差
• 4.2 传感器数据滤波
• 4.2.1 小波去噪原理
• 4.2.2 小波去噪参数选择
• 4.2.3 小波去噪实验结果
• 4.3 传感器误差补偿
• 4.3.1 光电器件误差补偿
• 4.3.2 最小二乘法补偿结构误差
• 4.3.3 最小二乘向量机补偿结构误差
• 5 传感器室外实验
• 5.1 偏振度对传感器精度影响分析
• 5.2 传感器室外误差测试
• 结论
• 参考文献
• 附录A 仿生偏振光传感器电路板及实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢