CN110887509A - 一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，包括步骤：获取不同方向观测点的偏振角信息；利用载体所在的地理位置信息以及时间信息计算出地理坐标系下单位太阳矢量；结合高精度导航模块提供的姿态转换矩阵，天顶偏振传感器提供的偏振矢量，由观测点确定观测矢量，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差量测方程，并估计出两者之间的安装误差；利用加速度计获取重力信息，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量信息；利用地理系下的太阳矢量与重力矢量的夹角作为量测，建立不同方向偏振传感器模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差量测方程，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差。

Description

一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法

技术领域

本发明涉及一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，用于估计仿复眼偏振传感器与高精度导航模块以及仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器的位置安装误差，提高传感器的定姿、定位精度。

背景技术

自然界的生物具备高超的感知和获取空间运动信息的能力，经过研究发现生物可以通过感知天空偏振光分布，获取空间运动信息。因此，研究生物的导航机制，提出了偏振光导航的方法，由于偏振光导航具有自主性、抗干扰性以及环境适应性等优点，近几年受到国内外广泛的关注，而偏振传感器作为感知仪器，是信息获取的源头，导航的眼睛。因此，偏振传感器的研制成为仿生偏振导航系统的前端核心部分。

近几年，生物复眼的导航原理及结构成为研究热点，论文“多方向偏振光实时定位样机的设计与搭建”设计了5个方向的仿复眼偏振传感器，但是并未对仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器间的位置关系进行标定和补偿。专利“一种基于扩展卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法”(申请号:201810129372.2)，“一种基于无迹卡尔曼滤波的仿生偏振传感器多源误差标定方法”(申请号:201810129371.8)，分析了单个传感器的误差标定及补偿方法，同样未涉及仿复眼偏振传感器中不同角度偏振传感器间的位置标定和补偿。随着对导航精度要求的提高，对仿复眼偏振传感器标定的准确性、全面性要求也提高，特别是对仿复眼偏振传感器中不同角度偏振传感器间位置关系的标定和补偿的研究还有待研究。

发明内容

为了解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提出一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，结合重力信息、天空偏振信息、太阳矢量信息、观测矢量信息、高精度导航模块，所述高精度是指姿态精度0.1°，航向精度0.1°,估计仿复眼偏振传感器与高精度导航模块以及仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器的位置安装误差，提高传感器的定姿、定位精度。

本发明的技术解决方案为：一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，实现步骤如下：

步骤(1)、载体上安装有仿复眼偏振传感器，通过天文年历获取地理坐标系下的单位太阳矢量Sⁿ，利用仿复眼偏振传感器的天顶偏振传感器测量天空相应点的单位偏振矢量

结合地理系下的太阳矢量信息，仿复眼偏振传感器坐标系下的观测矢量信息、偏振矢量信息，高精度导航模块提供的姿态转换矩阵信息，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系，即高精度导航模块所在的坐标系的安装误差状态模型与量测模型，安装误差表示为φ₁，

为三维安装误差角，上标为数字1；

步骤(2)估计仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的位置安装误差φ₁，最后得到两者间的位置安装矩阵；

步骤(3)利用仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器测量的偏振矢量

其中i＝2～9，并结合天顶偏振传感器测量的偏振矢量，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量；

步骤(4)根据载体系下的重力矢量，结合步骤(3)得到的仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量以及步骤(2)估计出的位置安装矩阵，并利用地理系与载体系两个不同坐标系下，太阳矢量与重力矢量夹角不变的原理，建立不同方向偏振传感器模块坐标系，即每个单独偏振传感器的坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差状态模型与量测模型，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装误差φ_i，

表示不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的三维安装误差角，i＝2～9；

步骤(5)，经过步骤(1)～(4)，完成仿复眼偏振传感器坐标系与载体系安装误差角以及不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系安装误差角的估计，即完成对仿复眼偏振传感器安装误差的标定。

进一步的，所述步骤(1)中，载体上安装有仿复眼偏振传感器，通过天文年历获取地理坐标系下的单位太阳矢量Sⁿ，利用仿复眼偏振传感器的天顶偏振传感器测量天空相应点的单位偏振矢量

结合地理系下的太阳矢量信息，仿复眼偏振传感器坐标系下的观测矢量信息、偏振矢量信息，高精度导航模块提供的姿态转换矩阵信息，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差状态模型与量测模型，所述高精度导航模块的姿态精度0.1°，航向精度0.1°，安装误差表示为φ₁，

为三维安装误差角；仿复眼偏振传感器坐标系为m₁系，天顶偏振传感器测得的偏振方位角为

得到仿复眼偏振传感器坐标系m₁系下的单位偏振矢量

为：

中的下标为数字1，

与m₁的下标均为数字1；

选取仿复眼偏振传感器坐标系与载体坐标系的安装误差φ₁为状态量，建立状态模型：

量测模型：由于在同一坐标系下，偏振矢量垂直于太阳矢量与观测矢量，故：

其中，

为仿复眼偏振传感器坐标系与载体系之间已知的安装角度，

为已知的安装矩阵，

为待估计的安装误差角，M为待估计的安装误差矩阵，符号右上方的T表示转置；k₁＝±1，由偏振传感器测得的初始偏振矢量确定，

为观测矢量，

由高精度导航模块提供，sⁿ表示地理系下的太阳矢量，V₁表示天顶偏振传感器测量噪声；根据上述模型便估计出仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差

进一步的，所述步骤(2)，估计仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的位置安装误差φ₁，最后得到两者间的位置安装矩阵：

为已知的安装矩阵，M为待估计的安装误差矩阵。

进一步的，所述步骤(3)，利用仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器测量的偏振矢量

并结合天顶偏振传感器测量的偏振矢量，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量；不同安装方向的偏振传感器中，每个偏振传感器固连于1个传感器模块坐标系即m系，天顶偏振传感器坐标系，即仿复眼偏振传感器坐标系为m₁系，除天顶外，其他方向偏振传感器坐标系为m_i系，每个传感器模块坐标系m_i系(i＝2～9)到仿复眼偏振传感器坐标系m₁系的位置矩阵为

表示为：

其中，

为不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间已知的安装角度，

表示不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间等效旋转轴的方位角与高度角，

表示绕等效旋转轴旋转的角度；

为待估计的安装误差，

代表等效旋转轴，

表示等效旋转轴的第一个分量，

表示等效旋转轴的第二个分量，

表示等效旋转轴的第三个分量。

第i个偏振传感器测量得到偏振方位角

得到传感器模块坐标系m_i下的单位偏振矢量

为：

进一步得到m₁坐标系下第i个单位偏振矢量

为：

根据同一坐标系下太阳矢量与偏振矢量垂直的关系，得到m₁系下的太阳矢量：

进一步的，所述步骤(4)中，根据载体系下的重力矢量，结合步骤(3)得到的仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量以及步骤(2)估计出的位置安装矩阵，并利用地理系与载体系两个不同坐标系下，太阳矢量与重力矢量夹角不变的原理，建立不同方向偏振传感器模块坐标系，即每个单独偏振传感器的坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差状态模型与量测模型，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装误差φ_i，

表示不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的三维安装误差角，i＝2～9，其中，状态方程，选取状态量为：

状态模型：

量测模型：由于太阳矢量与重力矢量在地理系与载体系下夹角相同，因此，选择地理系下太阳矢量与重力矢量的夹角作为量测量，建立量测模型：

其中，gⁿ为地理系下的重力矢量，符号右上方的T表示转置，g^b为载体系下的重力矢量，由加速度计测得，k_i＝±1，由太阳位置确定，V_i表示量测噪声；根据上述量测模型便估计出不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差

亦能够得到不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装矩阵

本发明与现有技术相比的优点在于：

首次提出了仿复眼偏振传感器与高精度导航模块(姿态精度0.1°，航向精度0.1°)以及仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器的安装误差估计模型与方法，可进一步提高仿复眼偏振传感器的定向、定位精度。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为仿复眼偏振传感器结构示意图；图中(1)为天顶偏振传感器，所在的坐标系为仿复眼偏振传感器坐标系；(2)为第二层不同方向的偏振传感器；(3)为第三层不同方向的偏振传感器；(4)为高精度导航模块(姿态精度0.1°，航向精度0.1°)，所在的坐标系为载体系。

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。

本发明的载体可以是无人车、无人机、海洋舰船等，本发明的仿复眼偏振传感器是一种模仿生物复眼曲面多目结构的导航设备，该设备可用于解决无人车、无人机、深远海舰船等在卫星干扰、拒止以及地磁干扰环境下的自主导航、定位难题，可应用于电网巡线、环境监测、智能导航等多种领域。本发明提出的一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，可以补偿由于偏振传感器中偏振片制造工艺、安装以及不同方向传感器模块之间的安装问题引起的安装误差，这将大大提高仿复眼偏振传感器在工程应用中的定姿、定位精度。

根据本发明的一个实施例，仿复眼偏振传感器中包括高精度导航模块，安装于最下端；9个偏振传感器模块，分布于不同层的不同方向。其中每个偏振传感器为m_i，其所在的坐标系为m_i系，天顶偏振传感器为m₁，分布于半球的第一层，m₂,m₄,m₆,m₈均匀分布于半球的第二层，与m₁夹角为30°，m₃,m₅,m₇,m₉均匀分布于半球的第三层，与m₁夹角为45°，高精度导航模块与m₁平行安装，在不考虑高精度导航模块与m₁安装误差的情况下，两者坐标系重合。

如图1所示，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1、通过天文年历获取地理坐标系下的单位太阳矢量Sⁿ，利用仿复眼偏振传感器的天顶偏振传感器测量天空相应点的单位偏振矢量

结合地理系下的太阳矢量信息，仿复眼偏振传感器坐标系下的观测矢量信息、偏振矢量信息，高精度导航模块(姿态精度0.1°，航向精度0.1°)提供的姿态转换矩阵信息，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差状态模型与量测模型，安装误差表示为φ₁，

为三维安装误差角。仿复眼偏振传感器坐标系为m₁，天顶偏振传感器测得的偏振方位角为

得到仿复眼偏振传感器坐标系m₁下的单位偏振矢量

为：

选取状态量为：

建立状态模型：

量测模型：由于在同一坐标系下，偏振矢量垂直于太阳矢量与观测矢量，可得：

其中，

为仿复眼偏振传感器坐标系与载体系之间已知的安装角度，

为已知的安装矩阵，

为待估计的安装误差角，M为待估计的安装误差矩阵，符号右上方的T表示转置。k₁＝±1，可以由偏振传感器测得的初始偏振矢量确定，

为观测矢量，

由高精度导航模块提供，sⁿ表示地理系下的太阳矢量，V₁表示天顶偏振传感器测量噪声。根据上述模型便可估计出仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差

步骤2、估计仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的位置安装误差φ₁，最后得到两者间的位置安装矩阵：

步骤3、利用仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器测量的偏振矢量

并结合天顶偏振传感器测量的偏振矢量，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量。不同安装方向的偏振传感器中，每个偏振传感器固连于1个传感器模块坐标系即m系，天顶偏振传感器坐标系(即仿复眼偏振传感器坐标系)为m₁系，除天顶外，其他方向偏振传感器其坐标系为m_i系，每个传感器模块坐标系m_i系(i＝2～9)到仿复眼偏振传感器坐标系(m₁系)的位置矩阵为

可表示为：

其中，

为不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间已知的安装角度，

表示不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间等效旋转轴的方位角与高度角，

表示绕等效旋转轴旋转的角度。

为待估计的安装误差，

代表等效旋转轴，

表示等效旋转轴的第一个分量，

表示等效旋转轴的第二个分量，

表示等效旋转轴的第三个分量。

第i个偏振传感器测量得到偏振方位角

得到传感器模块坐标系m_i系下的单位偏振矢量

为：

进一步得到m₁坐标系下第i个单位偏振矢量

为：

根据同一坐标系下太阳矢量与偏振矢量垂直的关系，得到m₁系下的太阳矢量：

步骤4、根据载体系下的重力矢量，结合步骤3得到的仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量以及步骤2估计出的位置安装矩阵，并利用地理系与载体系两个不同坐标系下，太阳矢量与重力矢量夹角不变的原理，建立不同方向偏振传感器模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差状态模型与量测模型，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系，即每个单独偏振传感器的坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装误差φ_i，

表示不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的三维安装误差角，i＝2～9，其中，状态方程，选取状态量为：

状态模型：

量测模型：由于太阳矢量与重力矢量在地理系与载体系下夹角相同。因此，选择地理系下太阳矢量与重力矢量的夹角作为量测量，建立量测模型：

其中，gⁿ为地理系下的重力矢量，符号右上方的T表示转置，g^b为载体系下的重力矢量，可由加速度计测得，k_i＝±1，可由太阳位置确定，V_i表示量测噪声。根据上述模型便可估计出不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差

亦可得到不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装矩阵

步骤(5)经过(1)～(4)步，完成仿复眼偏振传感器坐标系与载体系安装误差角以及不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系安装误差角的估计，即完成对仿复眼偏振传感器安装误差的标定。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，其特征在于，实现步骤如下：

步骤(1)、载体上安装有仿复眼偏振传感器，通过天文年历获取地理坐标系下的单位太阳矢量Sⁿ，利用仿复眼偏振传感器的天顶偏振传感器测量天空相应点的单位偏振矢量

结合地理系下的太阳矢量信息，仿复眼偏振传感器坐标系下的观测矢量信息、偏振矢量信息，高精度导航模块提供的姿态转换矩阵信息，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系，即高精度导航模块所在的坐标系的安装误差状态模型与量测模型，安装误差表示为φ₁，

为三维安装误差角，上标为数字1；

步骤(2)估计仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的位置安装误差φ₁，最后得到两者间的位置安装矩阵；

步骤(3)利用仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器测量的偏振矢量

其中i＝2～9，并结合天顶偏振传感器测量的偏振矢量，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量；

步骤(4)根据载体系下的重力矢量，结合步骤(3)得到的仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量以及步骤(2)估计出的位置安装矩阵，并利用地理系与载体系两个不同坐标系下，太阳矢量与重力矢量夹角不变的原理，建立不同方向偏振传感器模块坐标系，即每个单独偏振传感器的坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差状态模型与量测模型，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装误差φ_i，

表示不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的三维安装误差角，i＝2～9；

步骤(5)、经过步骤(1)～(4)，完成仿复眼偏振传感器坐标系与载体系安装误差角以及不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系安装误差角的估计，即完成对仿复眼偏振传感器安装误差的标定。

2.根据权利要求1所述的一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，载体上安装有仿复眼偏振传感器，通过天文年历获取地理坐标系下的单位太阳矢量Sⁿ，利用仿复眼偏振传感器的天顶偏振传感器测量天空相应点的单位偏振矢量

结合地理系下的太阳矢量信息，仿复眼偏振传感器坐标系下的观测矢量信息、偏振矢量信息，高精度导航模块提供的姿态转换矩阵信息，建立仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差状态模型与量测模型，所述高精度导航模块的姿态精度0.1°，航向精度0.1°，安装误差表示为φ₁，

为三维安装误差角；仿复眼偏振传感器坐标系为m₁系，天顶偏振传感器测得的偏振方位角为

得到仿复眼偏振传感器坐标系m₁系下的单位偏振矢量

为：

中的下标为数字1，

与m₁的下标均为数字1；

选取仿复眼偏振传感器坐标系与载体坐标系的安装误差φ₁为状态量，建立状态模型：

量测模型：由于在同一坐标系下，偏振矢量垂直于太阳矢量与观测矢量，故：

其中，

为仿复眼偏振传感器坐标系与载体系之间已知的安装角度，

为已知的安装矩阵，

为待估计的安装误差角，M为待估计的安装误差矩阵，符号右上方的T表示转置；k₁＝±1，由偏振传感器测得的初始偏振矢量确定，

为观测矢量，

由高精度导航模块提供，sⁿ表示地理系下的太阳矢量，V₁表示天顶偏振传感器测量噪声；根据上述模型便估计出仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的安装误差

3.根据权利要求1所述的一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，其特征在于：

所述步骤(2)，估计仿复眼偏振传感器坐标系与载体系的位置安装误差φ₁，最后得到两者间的位置安装矩阵：

为已知的安装矩阵，M为待估计的安装误差矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，其特征在于：

所述步骤(3)，利用仿复眼偏振传感器中不同方向偏振传感器测量的偏振矢量

i＝2～9，并结合天顶偏振传感器测量的偏振矢量，计算仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量；不同安装方向的偏振传感器中，每个偏振传感器固连于1个传感器模块坐标系即m系，天顶偏振传感器坐标系，即仿复眼偏振传感器坐标系为m₁系，除天顶外，其他方向偏振传感器坐标系为m_i系，每个传感器模块坐标系m_i系(i＝2～9)到仿复眼偏振传感器坐标系m₁系的位置矩阵为

表示为：

其中，

为不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间已知的安装角度，

表示不同方向偏振传感器与天顶偏振传感器间等效旋转轴的方位角与高度角，

表示绕等效旋转轴旋转的角度；

为待估计的安装误差，

代表等效旋转轴，

表示等效旋转轴的第一个分量，

表示等效旋转轴的第二个分量，

表示等效旋转轴的第三个分量；

第i个偏振传感器测量得到偏振方位角

得到传感器模块坐标系m_i下的单位偏振矢量

为：

进一步得到m₁坐标系下第i个单位偏振矢量

为：

根据同一坐标系下太阳矢量与偏振矢量垂直的关系，得到m₁系下的太阳矢量：

5.根据权利要求1所述的一种仿复眼偏振传感器多方向标定方法，其特征在于：

所述步骤(4)中，根据载体系下的重力矢量，结合步骤(3)得到的仿复眼偏振传感器坐标系下的太阳矢量以及步骤(2)估计出的位置安装矩阵，并利用地理系与载体系两个不同坐标系下，太阳矢量与重力矢量夹角不变的原理，建立不同方向偏振传感器模块坐标系，即每个单独偏振传感器的坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差状态模型与量测模型，估计出不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装误差φ_i，

表示不同方向偏振传感器的模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的三维安装误差角，i＝2～9，其中，状态方程，选取状态量为：

状态模型：

量测模型：由于太阳矢量与重力矢量在地理系与载体系下夹角相同，因此，选择地理系下太阳矢量与重力矢量的夹角作为量测量，建立量测模型：

其中，gⁿ为地理系下的重力矢量，符号右上方的T表示转置，g^b为载体系下的重力矢量，由加速度计测得，k_i＝±1，由太阳位置确定，V_i表示量测噪声；根据上述量测模型便估计出不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的安装误差

亦能够得到不同方向模块坐标系与仿复眼偏振传感器坐标系的位置安装矩阵

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