基于偏振光的仿生导航传感器设计与实现

摘要

随着科技的进步，与人类生存和生产息息相关的导航技术得到了不断的发展，各种导航定位技术被广泛应用到交通、测绘、航天、航空等领域。然而从某一种导航定位技术来看，都存在着一定的缺陷，如惯性导航系统的误差积累，卫星导航系统对卫星的过度依赖，无线电导航系统易受干扰等，因此新型偏振光导航传感器的研制对改善现代导航技术尤为重要。
　　针对现有的偏振光传感器存在滤光效果不理想、线偏振光获取不纯净、偏振光光强较弱等缺点，本文从天空散射光偏振特性基理入手，结合沙蚁复眼的偏振光感光机理，在对硬件加工及系统软件设计的基础上，实现了一种改进的双通道偏振光导航传感器。具体的研究内容如下：
　　1、分析和归纳常用导航技术的优势和不足，对偏振光导航的研究成果进行概述，分析沙蚁利用大气偏振光进行导航定位的工作原理，研究天空中主要的散射现象、不同天气条件对天空偏振光的影响等理论。
　　2、提出传感器整机的设计方案，从偏振光检测模块、信息采集及控制处理模块、通信模块等模块入手，实现传感器的功能设计。偏振光检测模块选用侧向位移偏振分光棱镜，一路光路通道中可产生两束平行的偏振光，减少了光学器件的使用，实现了传感器的微型化和低成本；根据光学器件的中心波长、有效焦距、后焦距等指标，选择合适的滤光片、双凸透镜、光阑，优化光路中的器件位置，保证光电二极管接收到足够光强的偏振光，提高采集数据的精度；优化电路板布局，实现信号放大、A/D转换以及控制器等电子器件集成的目的，减少信号传输受到干扰。
　　3、本传感器的软件设计主要包括单片机初始化、信号采集处理、通信三部分，应用C语言对软件程序进行编写，采用Keil MDK集成开发环境进行设计。
　　4、对各模块进行试验调试后，完成偏振光传感器的整体装配；搭建性能测试平台，对传感器整机进行实地测试，验证偏振光传感器的性能，分析测试数据，并对误差进行分析与补偿。经过室外测试验证，本文设计的双通道偏振光传感器结构设计合理，性能稳定，精度较高，能满足进一步的研究需要，对仿生偏振光导航技术应用具有一定的推动作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 仿生偏振光导航的研究现状

1.3 本文的研究工作与内容安排

第2章 仿生偏振导航传感器的导航机理

2.1 天空散射光偏振特性基础理论

2.2 沙蚁利用偏振光导航机理

2.3 仿沙蚁POL-神经元的偏振光导航传感器模型

第3章 仿生偏振光导航传感器的工作原理与设计

3.1 一种改进的仿生偏振光导航传感器的工作原理

3.2 仿生偏振光导航传感器硬件功能结构设计方案

3.3 偏振光导航传感器的偏振光检测模块

3.4 信息采集及控制处理模块

3.5 通信模块

第4章 仿生偏振光导航传感器的软件功能结构设计

4.1 开发环境的建立

4.2 仿生偏振光导航传感器软件功能结构设计方案

4.3 数据采集及处理程序设计

4.4 串口通信程序设计

第5章 仿生偏振光导航传感器的性能测试与误差补偿

5.1 仿生偏振光导航传感器的性能测试

5.2 仿生偏振光导航传感器的测试数据分析

5.3 仿生偏振光导航传感器的误差分析与补偿

第6章 总结与展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢