传感器倾斜对于偏振光航向解算的影响

梁华驹; 白宏阳; 周同; 沈凯

doi:10.37188/OPE.20212905.1024

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传感器倾斜对于偏振光航向解算的影响

现代应用光学 | 更新时间：2021-07-08

- 传感器倾斜对于偏振光航向解算的影响
- Impact of sensor tilt on bio-inspired polarized skylight orientation determination
- 光学精密工程 2021年29卷第5期页码：1024-1042
- 作者机构：
  
  1. 南京理工大学能源与动力工程学院，江苏南京 210094
  2. 南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094
  3. 北京理工大学自动化学院，北京 100081
- 作者简介：
  
  [ " 梁华驹(1993-)，男，安徽合肥人，博士研究生，2016年于南京理工大学获得学士学位，主要从事弹箭组合导航与偏振光导航的研究。E-mail：lianghuaju@sina.cn " ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目
- DOI：10.37188/OPE.20212905.1024
  中图分类号： TN29
- 收稿日期：2020-07-31，
  
  修回日期：2020-09-01，
  
  纸质出版日期：2021-05-15
- 稿件说明：
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梁华驹,白宏阳,周同等.传感器倾斜对于偏振光航向解算的影响[J].光学精密工程,2021,29(05):1024-1042.

LIANG Hua-ju,BAI Hong-yang,ZHOU Tong,et al.Impact of sensor tilt on bio-inspired polarized skylight orientation determination[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1024-1042.
梁华驹,白宏阳,周同等.传感器倾斜对于偏振光航向解算的影响[J].光学精密工程,2021,29(05):1024-1042. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1024.

LIANG Hua-ju,BAI Hong-yang,ZHOU Tong,et al.Impact of sensor tilt on bio-inspired polarized skylight orientation determination[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(05):1024-1042. DOI： 10.37188/OPE.20212905.1024.

摘要

昆虫利用偏振光获取航向，经典的偏振光航向角解算方法都需要偏振光传感器指向天顶点。针对这一问题，设计了基于太阳位置模型、瑞利天空模型和虚拟偏振传感器的偏振光航向解算仿真系统，详细研究了4种典型的基于偏振光的航向解算方法在仅俯仰倾斜、仅滚转倾斜、俯仰和滚转倾斜条件下的误差特性。最后，仿真和实验均表明，4种典型方法在受到倾斜干扰时，其航向解算误差具有一致性的规律性，而且解算误差不仅受倾角的影响，还受太阳高度角，太阳与偏振传感器相对位置的影响。本文的结果不仅可以用于量化估计传感器倾斜所引起的航向角解算误差，还可用于补偿修正传感器倾斜导致的航向角解算误差。

Abstract

Inspired by many insects， several polarized skylight orientation determination approaches have been proposed. However， almost all of these approaches always require polarization sensors pointing to the zenith of the sky dome. Therefore， the influence of sensor tilts （not pointing to the sky zenith） on bio-inspired polarization orientation determination needs to be analyzed urgently. Aiming at solving this problem， a polarization compass simulation system is designed based on a solar position model， the Rayleigh sky model， and a hypothetical polarization imager. Then， the error characteristics of four typical orientation determination approaches are investigated in detail under the pitch tilt condition， roll tilt condition， and both pitch and roll tilt conditions. Finally， simulations and field experiments indicate that the orientation errors of the four typical approaches are highly consistent when they are subjected to tilt interference； the errors are affected by not only the degree of inclination but also the solar altitude angle and the relative position between the Sun and polarization sensor. The results of this study can be used to estimate the orientation determination error caused by sensor tilts and correct this type of error.

关键词

Keywords

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BROSSARD M ， BARRAU A ， BONNABEL S . AI-IMU dead-reckoning ［EB/OL］. 2019： arXiv ： 1904 .

06064［ cs . RO］ . https：//arxiv.org/abs/1904.06064 https://arxiv.org/abs/1904.06064

DE PAULA VERONESE L ， BADUE C ， AUAT CHEEIN F ， et al . A single sensor system for mapping in GNSS-denied environments ［J］. Cognitive Systems Research ， 2019 ， 56 ： 246 - 261 .

AYCOCK T ， LOMPADO A ， WOLZ T ， et al . Passive optical sensing of atmospheric polarization for GPS denied operations ［C］. SPIE Defense + Security. Proc SPIE 9838 ， Sensors and Systems for Space Applications IX ， Baltimore ， Maryland， USA . 2016 ， 9838 ： 98380Y .

LIU G X ， SHI L F . Adaptive algorithm of magnetic heading detection ［J］. Measurement Science and Technology ， 2017 ， 28 （ 11 ）： 115101 .

褚金奎，关乐，李世奇，等 . 大气偏振模式图分布及仿生偏振导航技术［J］. 遥感学报， 2018 ， 22 （ 6 ）： 969 - 979 .

CHU J K ， GUAN L ， LI SH Q ， et al . Atmospheric polarization field pattern distribution and polarization navigation technology ［J］. Journal of Remote Sensing ， 2018 ， 22 （ 6 ）： 969 - 979 . （in Chinese）

尤政，赵开春 . 仿生偏振特征感知与导航信息融合的空间态势感知系统［J］. 遥感学报 , 22 ( 6 ): 917 - 925 .

YOU ZH ， ZHAO K CH . Space situational awareness system based on bionic polarization feature sensing and navigation information fusion ［J］. Journal of Remote Sensing ， 2018 ， 22 （ 6 ）： 917 - 925 . （in Chinese）

WEHNER R . Desert ant navigation： how miniature brains solve complex tasks ［J］. Journal of Comparative Physiology A ， 2003 ， 189 （ 8 ）： 579 - 588 .

WINTER C M ， BREED M D . Homeward navigation in Pogonomyrmex occidentalis harvester ants ［J］. Insectes Sociaux ， 2017 ， 64 （ 1 ）： 55 - 64 .

EVANGELISTA C ， KRAFT P ， DACKE M ， et al . Honeybee navigation： critically examining the role of the polarization compass ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society B： Biological Sciences ， 2014 ， 369 （ 1636 ）： 20130037 .

KRAFT P ， EVANGELISTA C ， DACKE M ， et al . Honeybee navigation： following routes using polarized-light cues ［J］. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci ， 2011 ， 366 （ 1565 ）： 703 - 708 .

MUHEIM R . Behavioural and physiological mechanisms of polarized light sensitivity in birds ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B ， Biological Sciences， 2011 ， 366 （ 1565 ）： 763 - 771 .

SCHMELING F ， TEGTMEIER J ， KINOSHITA M ， et al . Photoreceptor projections and receptive fields in the dorsal rim area and main retina of the locust eye ［J］. Journal of Comparative Physiology A ， 2015 ， 201 （ 5 ）： 427 - 440 .

HOMBERG U . Sky compass orientation in desert locusts-evidence from field and laboratory studies ［J］. Front Behav Neurosci ， 2015 ， 9 ： 346 .

HORVÁTH G . Polarized Light and Polarization Vision in Animal Sciences ［M］. Berlin， Heidelberg ： Springer Berlin Heidelberg ， 2014 .

GKANIAS E ， RISSE B ， MANGAN M ， et al . From skylight input to behavioural output： a computational model of the insect polarised light compass ［J］. PLoS Computational Biology ， 2019 ， 15 （ 7 ）： e1007123 .

AYCOCK T M ， LOMPADO A ， WHEELER B M . Using atmospheric polarization patterns for azimuth sensing ［C］. SPIE Defense + Security. Proc SPIE 9085 ， Sensors and Systems for Space Applications VII ， Baltimore ， Maryland， USA . 2014 ， 9085 ： 90850B .

BOHREN C F . Atmospheric Optics ［M］. Pennsylvania Pennsylvania State University ， 2007 .

KOKHANOVSKY A A . Light Scattering Reviews 10 ［M］. Berlin， Heidelberg ： Springer Berlin Heidelberg ， 2016 .

CHENG H Y ， CHU J K ， ZHANG R ， et al . Underwater polarization patterns considering single Rayleigh scattering of water molecules ［J］. International Journal of Remote Sensing ， 2020 ， 41 （ 13 ）： 4947 - 4962 .

POMOZI I ， HORVÁTH G ， WEHNER R . How the clear-sky angle of polarization pattern continues underneath clouds： full-sky measurements and implications for animal orientation ［J］. The Journal of Experimental Biology ， 2001 ， 204 （ Pt 17 ）： 2933 - 2942 .

SUHAI B C ， HORVÁTH G . How well does the Rayleigh model describe the E-vector distribution of skylight in clear and cloudy conditions？ A full-sky polarimetric study ［J］. Josa A ， 2004 ， 21 （ 9 ）： 1669 - 1676 .

RAYLEIGH L . On the scattering of light by small particles ［J］. Philosophical Magazine ， 1871 ， 41 （ 275 ）： 447 - 454 .

DUPEYROUX J ， SERRES J R ， VIOLLET S . AntBot： a six-legged walking robot able to home like desert ants in outdoor environments ［J］. Science Robotics ， 2019 ， 4 （ 27 ）： eaau0307 .

DUPEYROUX J ， VIOLLET S ， SERRES J R . An ant-inspired celestial compass applied to autonomous outdoor robot navigation ［J］. Robotics and Autonomous Systems ， 2019 ， 117 ： 40 - 56 .

DUPEYROUX J ， VIOLLET S ， SERRES J R . Polarized skylight-based heading measurements： a bio-inspired approach ［J］. Journal of the Royal Society ， Interface， 2019 ， 16 （ 150 ）： 20180878 .

LU H ， ZHAO K C ， YOU Z ， et al . Angle algorithm based on Hough transform for imaging polarization navigation sensor ［J］. Optics Express ， 2015 ， 23 （ 6 ）： 7248 - 7262 .

TANG J ， ZHANG N ， LI D L ， et al . Novel robust skylight compass method based on full-sky polarization imaging under harsh conditions ［J］. Optics Express ， 2016 ， 24 （ 14 ）： 15834 - 15844 .

LU H ， ZHAO K C ， WANG X C ， et al . Real-time imaging orientation determination system to verify imaging polarization navigation algorithm ［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2016 ， 16 （ 2 ）： 144 .

GUAN L ， LI S Q ， ZHAI L Y ， et al . Study on skylight polarization patterns over the ocean for polarized light navigation application ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 21 ）： 6243 - 6251 .

ZHANG W J ， CAO Y ， ZHANG X Z ， et al . Angle of sky light polarization derived from digital images of the sky under various conditions ［J］. Applied Optics ， 2017 ， 56 （ 3 ）： 587 - 595 .

MA T ， HU X ， ZHANG L ， et al . An evaluation of skylight polarization patterns for navigation ［J］. Sensors （Basel）， 2015 ， 15 （ 3 ）： 5895 - 5913 .

ZHAO H J ， XU W J ， ZHANG Y ， et al . Polarization patterns under different sky conditions and a navigation method based on the symmetry of the AOP map of skylight ［J］. Optics Express ， 2018 ， 26 （ 22 ）： 28589 - 28603 .

FAN C ， HU X P ， HE X F ， et al . Integrated polarized skylight sensor and MIMU with a metric map for urban ground navigation ［J］. IEEE Sensors Journal ， 2018 ， 18 （ 4 ）： 1714 - 1722 .

FAN C ， HU X P ， HE X F ， et al . Multicamera polarized vision for the orientation with the skylight polarization patterns ［J］. Optical Engineering ， 2018 ， 57 （ 4 ）： 043101 .

WANG Y L ， CHU J K ， ZHANG R ， et al . Orthogonal vector algorithm to obtain the solar vector using the single-scattering Rayleigh model ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 4 ）： 594 - 601 .

WANG Y L ， CHU J K ， ZHANG R ， et al . A bio-inspired polarization sensor with high outdoor accuracy and central-symmetry calibration method with integrating sphere ［J］. Sensors ， 2019 ， 19 （ 16 ）： 3448 .

LIANG H J ， BAI H Y ， LIU N ， et al . Limitation of Rayleigh sky model for bioinspired polarized skylight navigation in three-dimensional attitude determination ［J］. Bioinspiration & Biomimetics ， 2020 ， 15 （ 4 ）： 046007 .

PALMER L ， PALANKAR M . Blind hexapod walking over uneven terrain using only local feedback ［C］. 2011 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics . 711，2011 ， Karon Beach ， Thailand. IEEE ， 2011 ： 1603 - 1608 .

SAITO R ， WATANABE K ， NAGAI I . Laser odometry taking account of the tilt on the laser sensor ［C］. 2015 10th Asian Control Conference （ASCC） . 313，2015 ， Kota Kinabalu ， Malaysia. IEEE ， 2015 ： 1 - 4 .

GRENA R . An algorithm for the computation of the solar position ［J］. Solar Energy ， 2008 ， 82 （ 5 ）： 462 - 470 .

GRENA R . Five new algorithms for the computation of Sun position from 2010 to 2110 ［J］. Solar Energy ， 2012 ， 86 （ 5 ）： 1323 - 1337 .

BOURGES B . Improvement in solar declination computation ［J］. Solar Energy ， 1985 ， 35 （ 4 ）： 367 - 369 .

REDA I ， ANDREAS A . Solar position algorithm for solar radiation applications ［J］. Solar Energy ， 2004 ， 76 （ 5 ）： 577 - 589 .

BRINES M L ， GOULD J L . Skylight polarization patterns and animal orientation ［J］. Journal of Experimental Biology ， 1982 ， 96 （ 1 ）： 69 - 91 .

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