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    重庆时时彩36期预测号: 利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法.pdf

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    利用 自然光 偏振 模式 确定 大气层 飞行器 空间 姿态 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201410143392.7

    申请日:

    2014.04.11

    公开号:

    CN103913167A

    公开日:

    2014.07.09

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01C 21/02申请日:20140411|||公开
    IPC分类号: G01C21/02 主分类号: G01C21/02
    申请人: 中北大学
    发明人: 刘俊; 唐军; 任建斌; 石云波; 李杰; 张晓明; 王飞; 张楠
    地址: 030051 山西省太原市学院路3号
    优先权:
    专利代理机构: 太原科卫专利事务所(普通合伙) 14100 代理人: 朱源
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410143392.7

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2016.09.28|||2014.08.06|||2014.07.09

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法。本发明涉及导航技术,具体为一种利用大气偏振光的三维定姿方法。该方法是采用如下步骤实现的:(1)利用球面传感器阵列在线实时采集大气偏振模式;(2)将所采集的大气偏振模式作为三维定姿模型的原始数据,利用数据分析求出太阳子午线与体轴夹角及太阳投影点在体坐标系下位置坐标;(3)利用子午线与体轴夹角确定偏航角;(4)利用姿态解算公式求俯仰角及滚转角。本发明设计合理,采用大气偏振模式进行三维定姿,提供了一种很好的技术手段,具有完全自主特性,通过实时对大气偏振模式分布的检测,就可以解算出自身的三维姿态,简单可行没有累计误差,同时偏振信息存在于大气层内的可见光中,很难被人为的大面积干扰和破坏。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法,其特征在于:包括如下步骤:
    (1)、建立体坐标系,以飞行器的质心为原点Ob,Xb轴位于飞行器对称面内、平行于机身轴线,向前为正;Yb轴垂直于飞行器对称面,向右为正;Zb轴位于飞行器对称平面内,向下为正;
    建立参考坐标系,原点Oα位于地面上某一点,Xα轴指向正北方向,Yα轴指向正东方向,Zα轴铅直向下;以XαOαYα平面为参考水平面;
    将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处,即原点Ob;
    (2)、确定偏航角ψ
    将原点Ob和Oα重合后,利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E-矢量信息与偏振度信息,并确定检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置,那么检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影,即太阳子午线在参考水平面上的投影CD;同时仿生复眼球面传感器阵列测量确定CD与Xb纵轴在参考水平面上的投影Xb′的夹角
    此时,由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与Xα轴的夹角
    偏航角ψ由公式(1)确定:

    (3)、确定太阳位置
    参考坐标系下,太阳位置Sa=(xa ya za)T,由太阳历理论确定;
    体坐标系下,太阳位置Sb=(xb yb zb)T,由仿生复眼球面传感 器阵列检测到的偏振信息确定,即寻找满足下列三个条件的点:a)光强最大;b)偏振度为零;c)E-矢量方向水平;
    (4)、确定俯仰角θ和滚转角γ
    俯仰角θ由公式(2)确定:
    θ=arcsinxa(yc)2+(xc)2-arcsinyc(yc)2+(xc)2.....................(2)]]>
    滚转角γ由公式(3)确定:
    γ=arcsinzau2+(zc)2-arcsinzcu2+(zc)2.....................(3)]]>
    其中中间变量u由公式(4)确定:
    u=xcsinθ-yccosθ……………………………………(4)
    参数xc、yc和zc由公式(5)确定:
    xcyczc=RZ(ψ)xbybzb=xbcosψ+ybsinψybcosψ-xbsinψzb.....................(5)]]>
    即解算出偏航角ψ、俯仰角θ和滚转角γ,完成飞行器在空间的三维姿态确定。

    说明书

    说明书利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法
    技术领域
    本发明涉及飞行器空间姿态自主测量方法,具体是一种利用大气自然光的偏振模式确定大气层内运动载体(飞行器)的空间姿态信息的方法。
    背景技术
    目前,模仿昆虫利用大气偏振模式进行的仿生导航研究被认为是一种极具前景的新方向,可为时下重点研究的微型飞行器提供导航新方法。大气偏振模式是太阳光进入大气层后与空气分子离子散射形成的一种具有稳定分布的形式,是地球的自然属性,其中所蕴含的方向信息可为昆虫提供航向信息,具有纯自主,不易受到外部干扰的特点。
    研究表明,复眼中对偏振光敏感的小眼集中在成扇形分布背部边缘区,朝向天空各个方向上的小眼可检测到天空大片区域的偏振模式。昆虫利用所检测到的该区域的偏振信息感知太阳子午线与昆虫体轴的夹角来确定航向。对飞行昆虫,实现三维导航不仅要解决航向问题,还要解决飞行中的姿态问题。仿生行为学实验表明,利用大气偏振模式信息进行三维导航的方法是可行的。爬行昆虫利用偏振光和里程计定位,而飞行昆虫利用偏振光和光流感知来定位。
    大气偏振模式的分布规律:太阳辐射出的光线经过大气层的散射,到达地球表面的光线成了自然光和线偏振光的叠加,形成了具有稳定分布的偏振态。由于稳定分布的偏振态是针对整个太阳光的辐射光谱,其分布具有不易受电磁/人为干扰、全天候的特点,且分布沿着整个 地球的表面,其大气偏振态特征矢量信息与太阳间的相对位置具有极强的规律性,可为偏振光检测提供一个全球范围内可靠的信息载体。经过研究发现,任意观测位置下的大气存在一种相对稳定的偏振模式,其表现为两条稳定分布的对称线,一条是太阳子午线以及逆太阳子午线SM-ASM,大气偏振模式的偏振度关于SM-ASM对称分布,E-矢量关于SM-ASM逆对称分布;另一条是与太阳角距为90°的最大偏振线,大气偏振模式关于最大偏振线对称,在偏振线所在的位置,偏振度最大,距离对称线越远,偏振度越小。
    目前,对于大气层内的运动载体,尤其是无人自主移动平台如无人机、机器人等,其导航过程中,三维姿态的测量极为关键。传统的惯导存在积累误差的缺陷,而GPS需要大量卫星支持,易受到外部电磁波干扰。
    发明内容
    本发明为了解决现有的针对空间运行体的导航方法存在的上述问题,提供了一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器三维姿态的方法。
    本发明是采用如下技术方案实现的:
    一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法,包括如下步骤:
    (1)、建立体坐标系,以飞行器的质心为原点Ob,Xb轴(纵轴)位于飞行器对称面内、平行于机身轴线,向前为正(即指向机头方向为正);Yb轴(横轴)垂直于飞行器对称面,向右为正;Zb轴(竖轴) 位于飞行器对称平面内,向下为正;
    建立参考坐标系,原点Oα位于地面上某一点,Xα轴指向正北方向,Yα轴指向正东方向,Xα轴铅直向下;以XαOαYα平面为参考水平面;
    将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处,即原点Ob。
    (2)、确定偏航角ψ
    飞行器三维姿态的确定与飞行器的质心位置无关,将原点Ob和Oα重合后,利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E-矢量信息与偏振度信息,并确定检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置,这些水平方向的E-矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影,即太阳子午线在参考水平面上的投影CD;同时仿生复眼球面传感器阵列测量确定CD与Xb纵轴在参考水平面上的投影Xb′的夹角
    此时,由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与Xα轴的夹角
    偏航角ψ由公式(1)确定:

    (3)、确定太阳位置
    参考坐标系下,太阳位置Sa=(xa ya za)T,由太阳历理论确定;
    体坐标系下,太阳位置Sb=(xb yb zb)T,由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振信息确定,即寻找满足下列三个条件的点:a)光强最大;b)偏振度为零;c)E-矢量方向水平。
    (4)、确定俯仰角θ和滚转角γ
    俯仰角θ由公式(2)确定:
    θ=arcsinxa(yc)2+(xc)2-arcsinyc(yc)2+(xc)2.....................(2)]]>
    滚转角γ由公式(3)确定:
    γ=arcsinzau2+(zc)2-arcsinzcu2+(zc)2.....................(3)]]>
    其中中间变量u由公式(4)确定:
    u=xcsinθ-yccosθ……………………………………(4)
    参数xc、yc和zc由公式(5)确定:
    xcyczc=RZ(ψ)xbybzb=xbcosψ+ybsinψybcosψ-xbsinψzb.....................(5)]]>
    即解算出偏航角ψ、俯仰角θ和滚转角γ,完成飞行器在空间的三维姿态确定。
    上述方法利用大气偏振模式所蕴含的方向信息,为飞行器的飞行姿态提供参考,其工作原理是:利用仿生复眼传感器阵列实时采集各个方向上的E-矢量信息,确定检测水平方向的E-矢量的小眼阵列及其在球面上的几何位置;然后根据检测到太阳子午线的小眼阵列在参考水平面上的投影与Xb纵轴(平行于飞行器的体轴)在参考水平面上的投影的夹角,进而确定偏航角;最后利用公式(2)、(3)、(4)、(5)分别计算出俯仰角和滚转角。
    本发明设计合理,利用太阳子午线与Xb纵轴确定偏航角,利用飞行器所携带的偏振光检测阵列检测到的当前模式与水平状态下的偏振模式进行匹配,解算出俯仰角与横滚角。采用大气偏振模式进行三维定姿,提供了一种很好的技术手段,具有完全自主特性,通过实时 对大气偏振模式分布的检测,就可以解算出自身的三维姿态,简单可行,没有累计误差,同时偏振信息存在于大气层内的可见光中,很难被人为的大面积干扰和破坏。
    附图说明
    图1是具有偏航角的示意图。
    具体实施方式
    下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
    一种利用自然光偏振模式确定大气层内飞行器空间姿态的方法,包括如下步骤:
    (1)、建立体坐标系,以飞行器的质心为原点Ob,Xb轴(纵轴)位于飞行器对称面内、平行于机身轴线,向前为正;Yb轴(横轴)垂直于飞行器对称面,向右为正;Zb轴(竖轴)位于飞行器对称平面内,向下为正;
    建立参考坐标系,原点Oα位于地面上某一点,Xα轴指向正北方向,Yα轴指向正东方向,Zα轴铅直向下;以XαOαYα平面为参考水平面;
    将仿生复眼球面传感器阵列安装在飞行器的质心处,即原点Ob。
    所述仿生复眼球面传感器阵列,本领域技术人员可以基于沙蚁生物模型自行独立设计或定制国内外科研机构现有成熟产品。
    (2)、确定偏航角ψ
    飞行器三维姿态的确定与飞行器的质心位置无关,将原点Ob和Oα重合后,利用仿生复眼球面传感器阵列实时采集各个方向上的太阳光E-矢量信息与偏振度信息,并确定检测到水平方向的E-矢量的小眼阵 列及其在球面上的几何位置,那么检测到水平方向的E-矢量的小眼阵列在参考水平面上的投影,即太阳子午线在参考水平面上的投影CD;同时仿生复眼球面传感器阵列测量确定CD与Xb纵轴在参考水平面上的投影Xb′的夹角如图1所示。
    此时,本领域技术人员由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与Xα轴的夹角如图1所示。
    原理如下:根据已有的研究成果,大气偏振模式具有稳定的对称性,由于仿生复眼球面传感器阵列上朝向天空不同方向的小眼同时检测来自该方向上的偏振信息与光强信息,用以确定天空偏振模式与飞行姿态之间的关系。首先,如图1所示,在仿生复眼球面传感器阵列的球面上所有检测到的偏振角χ=90°的那些小眼在球面上的位置形成一条曲线,这条曲线与在天空半球内太阳子午线对应,太阳子午线必定通过太阳投影点S(检测点与太阳位置的连线和天空半球的交点)与天顶点Z(Zα轴与天空半球的交点),太阳子午线关于天顶点Z对称;然后,测量太阳投影点S与天顶点Z在球面阵列上的位置,根据瑞利散射理论,太阳投影点S方向上有这样几个特点:(1)偏振度P=0;(2)E-矢量方向水平;(3)光强最大。而Z处于太阳子午线中心点。以参考水平面上的正北方向为坐标基准方向,任意时刻任意地点的太阳子午线ASM-SM在参考水平面上的投影CD与正北方向的夹角为本领域技术人员可由太阳历理论计算得出在参考水平面上CD与Xα轴的夹角由于太阳子午线上的任一点的E-矢量方向具有这样的特点,即:沿着太阳子午线E-矢量方向水平。因此,在测量 时,只需要关注所有检测到偏振角χ=90°的那些小眼位置,它们在参考水平面上的投影和太阳子午线在参考水平面上的投影一致,测量得到这条投影线与Xb纵轴在参考水平面上的投影Xb′之间的夹角即为
    那么,偏航角ψ由公式(1)确定:

    (3)、确定太阳位置
    参考坐标系下,太阳位置Sa=(xa ya za)T,由太阳历理论确定;
    体坐标系下,太阳位置Sb=(xb yb zb)T,由仿生复眼球面传感器阵列检测到的偏振信息确定,即寻找满足下列三个条件的点:a)光强最大;b)偏振度为零;c)E-矢量方向水平。
    (4)、确定俯仰角θ和滚转角γ
    俯仰角θ由公式(2)确定:
    θ=arcsinxa(yc)2+(xc)2-arcsinyc(yc)2+(xc)2.....................(2)]]>
    滚转角γ由公式(3)确定:
    γ=arcsinzau2+(zc)2-arcsinzcu2+(zc)2.....................(3)]]>
    其中中间变量u由公式(4)确定:
    uuxcsinθ-yccosθ……………………………………(4)
    参数xc、yc和zc由公式(5)确定:
    xcyczc=RZ(ψ)xbybzb=xbcosψ+ybsinψybcosψ-xbsinψzb.....................(5)]]>
    即解算出偏航角ψ、俯仰角θ和滚转角γ,完成飞行器在空间的三 维姿态确定。

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