CN110887479A - 一种基于偏振北极点的航向确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于偏振北极点的航向确定方法，使用图像式偏振传感器连续采集全天空区域偏振图像，分别提取得到天空中各个方向散射点的E矢量方向；根据每张全天空区域偏振图像的拍摄时间，计算天空中各个方向散射点E矢量方向的平均旋转角速度；确定偏振图像中的天顶点坐标，以及确定E矢量方向旋转角速度为15度/小时的北极点坐标，计算天顶点坐标和所述北极点坐标连线在图像坐标系中的角度；最后根据事先所规定的载体参考方向在图像坐标系中的角度，和天顶点坐标和北极点坐标连线在图像坐标系中的角度之间的相对关系，计算得到载体航向角。本发明计算过程简便且无需已知观测点地理位置和观测时间，具有更强的鲁棒性和环境适应性。
Description
技术领域
本发明涉及天空偏振光导航领域，尤其涉及一种基于偏振北极点的航向确定方法。
背景技术
太阳光经过地球大气散射形成了稳定的偏振光分布模式。科学家近几十年的研究表明，沙蚁、帝王蝶、蜣螂等生物可以利用大气偏振分布模式进行导航，完成觅食、归巢、捕捉、迁徙等活动。近些年来，偏振光导航逐步发展成为一种新型的导航方式，因为天空偏振光在较大范围内稳定分布，不易受到外部干扰，是一种无源、全自主的导航方式。
目前现有的偏振光导航定向方式大体可分两种，一种是根据瑞利散射模型通过天空中E矢量求解太阳矢量，根据太阳天文年历求解当地太阳矢量方位，最终确定载体航向，该方法缺点是需要提前已知观测地点和时间，计算过程繁琐，例如已受理中国专利CN201710027484.2《基于大气偏振模式的太阳方位获取方法》、已受理中国专利CN201710914696.2《一种微阵列式偏振光罗盘的定向方法》；另一种是通过大气散射模型中的中性点信息确定太阳子午线的方向，需根据太阳天文年历求解当地太阳子午线方向，从而确定航向，该方法依赖于天空中的偏振中性点，在天气情况复杂的情况下中性点容易受到干扰，例如论文《基于大气偏振光特性辅助定向的自主导航方法》。
上述航向确定方法都基于静态模式下大气偏振散射模型，都需要提前已知观测时间和位置信息来计算太阳天文年历，得到太阳方位角，然后根据偏振信息和太阳信息的相对关系最终确定载体航向。且上述方法二需要寻找天空中偏振度为零的中性点，在空气质量较差等复杂天气环境下，容易受到干扰，从而导致定向失败。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有的天空偏振光定向需要已知观测点绝对位置信息、当前观测时刻且容易受到天气干扰的问题，提出一种动态天空偏振模型的航向确定方法。本发明从动态天空偏振光散射模型出发，通过寻找天空中E矢量方向旋转角速度为15度/小时的北极点，从而确定载体航向，计算过程简便，无需已知时间、位置等信息，不易受到天气等环境影响。
本发明的技术解决方案是：一种基于偏振北极点的航向确定方法。通过下步骤实现：
步骤(1)、使用图像式偏振传感器连续采集n张全天空区域偏振图像Imagei,i＝1,2,3,…,n，分别提取得到天空中各个方向散射点的E矢量方向
上角标i代表第i张偏振图像，下角标x,y表示散射点在图像坐标系中的坐标；
步骤(2)、根据每张全天空区域偏振图像的拍摄时间Ti,i＝1,2,3,…,n，计算天空中各个方向散射点E矢量方向的平均旋转角速度ωx,y；
步骤(3)、确定偏振图像Imagei中的天顶点坐标Z(xz,yz)，以及确定E矢量方向旋转角速度为15度/小时的北极点坐标P(xp,yp)，计算天顶点坐标Z(xz,yz)和所述北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β；
步骤(4)、根据事先所规定的载体参考方向在图像坐标系中的角度θ，以及天顶点坐标Z(xz,yz)和北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β之间的相对关系，计算得到载体航向角ψ。
进一步的，所述步骤(1)中的天空中各散射点的E矢量方向
其中α代表偏振角，上角标i代表第i张偏振图像，下角标x,y表示各个散射点在偏振图像坐标系中的坐标。
进一步的，所述步骤(2)中E矢量方向平均旋转角速度ωx,y的计算方法为，首先将相邻两时刻拍摄的天空中各散射点E矢量方向做差
然后除以时间间隔Ti+1-Ti得到该时刻的角速度，最后将每个时刻的角速度求和并除以总数量n-1得到平均角速度ωx,y，其具体计算公式为：
进一步的，所述步骤(3)中E矢量方向旋转角速度为15度/小时的点即为天球坐标系中的北极点P。
进一步的，所述步骤(3)中，北极点P(xp,yp)与天顶点Z(xz,yz)的连线在图像坐标系中的角度β具体计算方法为：
进一步的，所述步骤(4)中载体参考方向在图像坐标系中的角度θ为事先规定，北半球载体航向角具体计算公式为：
ψ＝β-θ。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明相比以往的静态天空偏振光航向确定方法，不需要已知观测点绝对位置和当前观测时刻，且计算过程简便；
(2)本发明根据动态天空偏振光散射模型，寻找天空中E矢量方向旋转角速度为15度/小时的北极点来确定航向，不易受到复杂天气的干扰，具有较强的环境适应性。
附图说明
图1为本发明程序流程图；
图2为本发明所利用的动态天空偏振光散射模型分布示意图；
图3为本发明航向确定示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
根据本发明的一个实施例，以地面移动机器人确定二维航向为例，阐述本发明具体实施步骤。首先将图像式偏振传感器的XYZ轴与地面移动机器人的XYZ轴重合安装，即水平安装在地面移动机器人上，竖直向上观测整个天空，如图3所示。事先规定地面移动机器人的参考方向为Y轴的负方向。如图1所示，一种基于偏振北极点的航向确定方法，具体实现步骤如下：
步骤(1)、使用图像式偏振传感器连续采集n张全天空区域偏振图像Imagei,i＝1,2,3,…,n，分别提取得到天空中各个方向散射点的E矢量方向
其中α代表偏振角，上角标i代表第i张偏振图像，下角标x,y表示各个散射点在图像坐标系中的坐标。
步骤(2)、根据每张全天空区域偏振图像的拍摄时间Ti,i＝1,2,3,…,n，计算天空中各散射点E矢量方向的平均旋转角速度ωx,y，其计算方法为，首先将相邻两时刻拍摄的天空中各散射点E矢量方向做差
然后除以时间间隔Ti+1-Ti得到该时刻的角速度，最后将每个时刻的角速度求和并除以总数量n-1得到平均角速度ωx,y，其具体计算公式为：
步骤(3)、根据动态天空偏振光散射模型分布模型(如图2所示)，无论一年四季任何时刻，天空中总存在一点，即北极点，该点E矢量方向的旋转角速度恒为15度/小时。当载体处于地球北半球时，该点即为北极点。如图3所示，确定偏振图像Imagei中的天顶点坐标Z(xz,yz)，以及确定E矢量方向旋转角速度为15度/小时(15°/h)的北极点坐标P(xp,yp)，计算天顶点坐标Z(xz,yz)和所述北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β，其具体计算方法为：
步骤(4)、如图3所示，根据事先所规定的载体参考方向在图像坐标系中的角度θ，和天顶点坐标Z(xz,yz)和北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β之间的相对关系，计算载体航向角ψ，其具体计算公式为：
ψ＝β-θ。
以上是所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改动应视为本发明的保护范围。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)、使用图像式偏振传感器连续采集n张全天空区域偏振图像Imagei,i＝1,2,3,…,n，分别提取得到天空中各个方向散射点的E矢量方向
上角标i代表第i张偏振图像，下角标x,y表示散射点在图像坐标系中的坐标；
步骤(2)、根据每张全天空区域偏振图像的拍摄时间Ti,i＝1,2,3,…,n，计算天空中各个方向散射点E矢量方向的平均旋转角速度ωx,y；
步骤(3)、确定偏振图像Imagei中的天顶点坐标Z(xz,yz)，以及确定E矢量方向旋转角速度为15度/小时的北极点坐标P(xp,yp)，计算天顶点坐标Z(xz,yz)和所述北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β；
步骤(4)、根据事先所规定的载体参考方向在图像坐标系中的角度θ，以及天顶点坐标Z(xz,yz)和北极点坐标P(xp,yp)连线在图像坐标系中的角度β之间的相对关系，计算得到载体航向角ψ。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的天空中各散射点的E矢量方向
其中α代表偏振角，上角标i代表第i张偏振图像，下角标x,y表示各个散射点在偏振图像坐标系中的坐标。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于：
所述步骤(2)中E矢量方向平均旋转角速度ωx,y的计算方法为，首先将相邻两时刻拍摄的天空中各散射点E矢量方向做差
然后除以时间间隔Ti+1-Ti得到该时刻的角速度，最后将每个时刻的角速度求和并除以总数量n-1得到平均角速度ωx,y，其具体计算公式为：
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于：
所述步骤(3)中E矢量方向旋转角速度为15度/小时的点即为天球坐标系中的北极点P。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，北极点P(xp,yp)与天顶点Z(xz,yz)的连线在图像坐标系中的角度β具体计算方法为：
6.根据权利要求1所述的一种基于偏振北极点的航向确定方法，其特征在于：
所述步骤(4)中载体参考方向在图像坐标系中的角度θ为事先规定，北半球载体航向角具体计算公式为
ψ＝β-θ。
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