检索结果-南通市图书馆

作者：翟立媛大连理工大学

学位级别：硕士

太阳光经过大气粒子的散射在天空中形成了相对稳定的偏振分布,许多昆虫可以根据这种固定的偏振分布规律辨认方位。经过长期研究,科学家们建立了描述天空偏振光散布模式的模型,从天空偏振图像中提取特征信息用于导航。由于偏振导航累积... 详细信息

太阳光经过大气粒子的散射在天空中形成了相对稳定的偏振分布,许多昆虫可以根据这种固定的偏振分布规律辨认方位。经过长期研究,科学家们建立了描述天空偏振光散布模式的模型,从天空偏振图像中提取特征信息用于导航。由于偏振导航累积误差小、不受电磁干扰等优点,越来越多的研究人员参与到的偏振导航传感器的开发中。但是目前偏振导航只能根据天空光的偏振角测算载体的导航角度信息,无法进行导航应用中距离测量的功能。本文的主要研究内容是提出偏振增强光流技术实现偏振导航距离测量的功能,并基于偏振增强光流法搭建了三通道的成像式位移测算系统。光流可以通过采集到的相邻帧图像计算导航速度,但易受外界光照的影响,尤其是在低照度环境下无法正常工作。偏振增强光流法就是针对这种情况,采用了增强图像对比度的偏振成像来克服环境亮度对光流计算的影响。本文的主要工作如下:首先,为了解决偏振导航无法测量位移的问题,提出了偏振增强光流法。详细介绍了本算法进行位移测量的原理,研究了偏振对比增强原理,分析了偏振成像对传统光流算法的改善作用。其次,为了突出偏振增强光流法测量位移时受环境亮度影响较小的优点,设置了5个量级的环境光照度对照实验,并将偏振图像的对比度和偏振光流值用作验证标准。实验结果表明,即使在低照度0.7198lx的环境下偏振增强光流法误差也小于8mm,普通光流法误差达到55mm。然后,基于偏振增强光流算法搭建了三通道的成像式位移测量系统。选择嵌入式linux系统的HI3520DV300处理器作为系统核心,依照系统需求搭建了由8mm的C口镜头、CMOS图像传感器以及线偏振片组成的光学采集部分。根据设备硬件条件设计了该装置的软件方案,完成了镜头对焦、图像配准与偏振图像计算、偏振增强光流算法的位移计算等功能。最后,进行了位移测量系统的室内标定实验和室外测试实验,验证了偏振增强光流算法在搭建的系统平台上测量位移的可行性。室内标定结果表明系统补偿后的精度为±0.02mm（5mm）,具有一定的鲁棒性。同时,本系统在室外进行了日间和夜间性能测试实验,误差分别在±0.02m（2m）和±0.038m（0.1m）。论文的研究完善了偏振光导航无法进行距离测量从而实现定位功能的问题。

关键词：偏振导航光流偏振成像位移测量

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成像式仿生偏振导航装置的设计与开发

成像式仿生偏振导航装置的设计与开发

作者：李彬大连理工大学

学位级别：硕士

随着信息时代的到来,导航技术在生产生活以及军事应用等各方面扮演着越来越重要的角色。与惯性导航、卫星导航等技术相比,天文导航具有自主性强、隐蔽性好、无误差累积、可靠性高等优点。但是其结构复杂、造价昂贵、体积庞大,所以应用... 详细信息

随着信息时代的到来,导航技术在生产生活以及军事应用等各方面扮演着越来越重要的角色。与惯性导航、卫星导航等技术相比,天文导航具有自主性强、隐蔽性好、无误差累积、可靠性高等优点。但是其结构复杂、造价昂贵、体积庞大,所以应用范围有限。现代生物学家通过实验发现,蜣螂、沙蚁等昆虫能够利用偏振视觉(对天空光偏振方向极其敏感的视觉组织、结构及其相关神经系统)感应天空光偏振分布,并通过大脑分析偏振方位来进行运动中的导航定位。这种利用天空光的仿生偏振导航方式受外界环境干扰更小,且误差不会随时间积累,拥有更广阔的发展前景。本文模仿昆虫偏振视觉结构,使用商用CMOS图像传感器和DSP数字信号处理芯片,结合微纳加工技术设计与开发了一种全新的成像式仿生偏振导航装置,它可以利用特定时间、地点天空光相对稳定的偏振分布,计算装置偏振零度参考线与子午线的夹角,输出航向角变化信息,具有更好的适应性和鲁棒性。本文内容主要有以下几个方面：首先,研究天空光偏振分布原理,分析成像式仿生偏振导航装置的工作方式,设计成像式仿生偏振导航装置的整体构架,搭建成像式仿生偏振导航装置的硬件系统。整个系统主要由长焦镜头、偏振片或金属光栅偏振器、图像传感器及数字信号处理器组成。其次,在初步完成成像式仿生偏振导航装置搭建的基础上,设计和编写成像式偏振导航装置内部嵌入式系统的工作程序,实现天空光偏振信息采集、图像数据提取、偏振方位角计算以及计算结果网络传输。然后,研究成像式仿生偏振导航算法,选择强度均匀的偏振图像区域提取象素值;引入图像滤波操作;针对微纳金属光栅偏振器,计算微纳光栅透射率比值;加入邻域补偿计算,解决过亮或过暗问题;使用六个偏振方向光强度,组成关于斯托克斯矢量的超限定方程组,求偏振方位角的最小二乘解,提高装置适应性和鲁棒性;模拟昆虫神经网络,定性测量光偏振信息。最后,室内、室外不同条件下对成像式仿生偏振导航装置的导航性能进行反复测试,室内精度-0.3-+0.5°,室外精度-1.0～+0.5°,验证成像式仿生偏振导航装置偏振导航的可行性,并根据测试表现不断修正工作程序中的相关参数,完善硬件和软件的设计方案。

关键词：偏振光导航数字信号处理器 CMOS图像传感器金属光栅偏振器

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一种基于光流传感器的移动机器人定位方法

一种基于光流传感器的移动机器人定位方法

作者：李世云大连理工大学

学位级别：硕士

随着智能化时代的到来,移动机器人在各个行业的应用和需求越来越大。移动机器人要完成预设的任务,前提是获得自己的位置和姿态,因此机器人的定位问题是机器人领域的一个基础研究问题。其中,基于视觉技术的移动机器人导航定位是目前机器... 详细信息

随着智能化时代的到来,移动机器人在各个行业的应用和需求越来越大。移动机器人要完成预设的任务,前提是获得自己的位置和姿态,因此机器人的定位问题是机器人领域的一个基础研究问题。其中,基于视觉技术的移动机器人导航定位是目前机器人研究领域的一个热门,视觉是机器人获得周围世界信息的重要来源,它可以为机器人提供周围丰富的环境信息。随着计算机视觉技术的不断发展,视觉感知设备层出不穷,光流传感器作为一种新型的视觉传感器,已经开始应用在测程、距离估计、高度保持、垂直降落等多种导航任务中。本文主要研究内容是基于机器视觉中的光流算法平面流模型,研究移动机器人在室内的短距离定位问题。在定位系统中,基于视觉传感器的定位装置成为定位系统研究的一个热点方向。作为一种视觉传感器,传统的光流传感器都是基于光电鼠标主芯片加上镜头模块的二次开发制作而成,但是受光照要求高,安装距离离地面近等因素限制,应用范围比较窄。本文采用了一种新型的光流传感器,对光照的要求比较低,并且没有了紧贴地面的限制,大大扩大了应用的范围,因此基于它搭建了新型的定位装置,研究了它在室内移动机器人的定位方面的应用。本文的主要工作如下：首先,研究了现有的光流算法的基本数学原理并分析了它在导航定位方面的应用,分析了目前存在的主要的光流传感器的性能和它在导航定位方面的应用,本文建立了光流算法平面流模型用于定位,仿真结果证明它有很高的定位精度。其次,为了验证在移动机器人上的光流模型定位的可行性,综合考虑到经济性和鲁棒性,本文以三个光流传感器为例,搭建了定位模型的验证平台,为了同步采集三个传感器的测量数据,采用了美国赛普拉斯的微处理器作为数据采集模块。然后,在搭建数据采集模块之后,开发了数据采集模块的各个软件部分：数据采集程序的设计、驱动程序的设计、上位机用户应用程序和轨迹推算程序的设计,实现了传感器数据的同步采集和处理。最后,在搭建的硬件平台上面,做了移动机器人的定位验证室内实验。移动机器人按照预定的轨迹移动,通过数据采集模块将三个传感器的数据实时传输到上位机保存、处理,室内实验验证了理论模型的可行性。

关键词：移动机器人光流传感器定位

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基于天空偏振光场的成像式航向测量系统研究

基于天空偏振光场的成像式航向测量系统研究

作者：李世奇大连理工大学

学位级别：硕士

天空偏振光场是一种具有地球自然属性的矢量场,结合昆虫偏振视觉导航机制,利用天空偏振光作为信息源的仿生偏振导航技术具有无误差累积、抗干扰强、隐蔽性好的特点,是目前新概念仿生导航技术的热门研究方向。目前研发的点源式偏振光导... 详细信息

天空偏振光场是一种具有地球自然属性的矢量场,结合昆虫偏振视觉导航机制,利用天空偏振光作为信息源的仿生偏振导航技术具有无误差累积、抗干扰强、隐蔽性好的特点,是目前新概念仿生导航技术的热门研究方向。目前研发的点源式偏振光导航传感器是一种以POL(polarization sensitive neurons)神经元为偏振敏感机制的单方向检测的测量系统,其仿生的昆虫单复眼结构与昆虫阵列式复眼的全天空范围检测特性有差异,因此在鲁棒性和信息完整性上有所欠缺。面向天空偏振光场的成像式偏振导航技术更接近于昆虫的偏振视觉特性,尤其在弱光、多云等环境下,这种方法具有更好的鲁棒性和抗干扰能力。论文基于天空偏振光场成像的航向测量技术的研究现状,从影响偏振光场图像太阳子午线提取的因素和数字信号的偏振数据筛选机制的优化两方面展开了研究,并搭建了基于天空偏振光场的成像式航向测量系统,具体研究内容如下:对比了目前基于偏振光场成像的航向测量方法,首先开展了海上天空偏振光场的长距离偏振成像测试,并在Linux环境下利用Libradtran软件包对测试过程进行了理论仿真,对比分析了长距离航行条件下利用偏振光场图像太阳子午线提供航向基准的可行性。并通过对获取的偏振方位角图和偏振度图的分析,研究了晴朗、多云天气下,影响日夜间天空偏振光场二维成像效果的因素,提出了一种在阈值分割背景下,基于分箱-数据筛选的太阳子午线提取算法。结合斯托克斯矢量偏振成像技术,搭建了三通道的面向天空偏振光场的成像式航向测量系统,该系统由鱼眼镜头、线偏振片、CCD图像传感器和DSP数字信号处理器组成。完成了对各器件的选型,以及三通道图像解码模块的电路设计。设计了测量装置的嵌入式软件系统,搭建了完整的图像采集、偏振角信息计算、太阳子午线提取和航向基准角度输出的程序框架,在DSP嵌入式系统中实现了天空偏振图像采集与航向基准角度的串口实时输出。通过对搭建的成像式偏振光航向测量系统的初步标定,在室内人造偏振光源下验证了该装置和算法提取太阳子午线方向的可行性,实验结果表明:传感器在人造线偏振光源下经补偿后的室内绝对角度误差为±1°;实际的室外天空偏振光源下的实验结果表明:该系统在弱光及有云等低偏振度条件下,经过补偿后的传感器误差在±2.5°左右,具有一定的鲁棒性和实时性。论文的算法研究及系统搭建在一定程度上丰富了基于天空偏振光场特征提取的偏振光导航传感器的现有研究。

关键词：偏振光导航太阳子午线 DSP

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基于偏振成像的太阳相对方位角估计算法研究

基于偏振成像的太阳相对方位角估计算法研究

作者：刘胜大连理工大学

学位级别：硕士

基于大自然特性的导航科学在科研领域扮演着十分重要的角色,具有非常重要的应用价值,目前导航科学在军事及民用领域都有着广泛的应用。近些年来,基于天空光偏振分布模式对称特性,以对称线—太阳子午线为基准来获取方向信息的新型偏振导... 详细信息

基于大自然特性的导航科学在科研领域扮演着十分重要的角色,具有非常重要的应用价值,目前导航科学在军事及民用领域都有着广泛的应用。近些年来,基于天空光偏振分布模式对称特性,以对称线—太阳子午线为基准来获取方向信息的新型偏振导航方法成为了偏振光导航研究领域的热点,此种航向信息获取方法由于利用全天域偏振信息,具有稳定性高,抗干扰能力强等优势,在军事和民用导航领域具有深远的研究价值。目前大多数的成像式偏振导航算法是利用偏振方位角图像的对称性,对太阳子午线进行近似提取,保留太阳子午线及其附近一定区域内的偏振信息。此种方法优势在于其便利性以及处理数据较少,计算较快,但是丢失了偏振图像中大部分的偏振信息,鲁棒性差,计算误差较大等。本文针对以上情况,提出了一种适用于各种成像式偏振导航传感器的太阳子午线相对转角估计算法。不同于以前的算法,本文算法是基于整幅偏振图像,以图像的最小单位像素为研究对象,大大提高了偏振图像中偏振信息的利用率。首先,在偏振方位角图像上建立极坐标系,使得偏振方位角图像中的每一个像素点在极坐标系中都可以用极径和极角表示。建立极坐标系的目的是把偏振图像上的每一个像素点都能建立与极径、极角的一一对应关系,为单像素环的提取打下基础。然后进行单像素环提取的过程,在极坐标系的基础上遍历整幅偏振方位角图像,以某一个极径为半径,提取该极径下的单像素环。然后遍历整幅偏振图像,进行像素点的匹配工作,整个过程包括内层某一极径下的单像素环的像素点匹配,以及外层所有像素环上的匹配。这样就把整幅图像绝大多数的像素点进行了计算,也就大大提高了偏振信息的利用率。为了保证在遍历过程中算法的效率,本文进行了算法搜索过程的制表法优化,大大提高了算法的运算效率。最后本文分别进行了仿真实验以及室外静态、动态实验。仿真实验利用构造的偏振方位角图像分别讨论了不同图像灰度分辨率下对算法计算结果的影响,实验表明灰度分辨率的提高有助于提高算法精度;室外静态实验是在室外空旷环境下,利用课题组的全偏振成像探测器采集不同时刻的天空偏振图像进行处理,验证本文算法的室外可行性,实验表明室外静态实验本文算法的误差在0.63°以内;室外动态实验利用转台搭载该偏振信息采集装置转动采集天空偏振图像,利用坐标转换前的偏振方位角作为本次实验的真实值进行对比,实验结果中本文算法的误差在-0.7°0.5°之间,从而证明本文算法的可行性及鲁棒性。

关键词：偏振光极坐标转换偏振方位角太阳子午线

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基于深度学习的多云天空偏振场方向特征识别

基于深度学习的多云天空偏振场方向特征识别

作者：蔡弘大连理工大学

学位级别：硕士

天空偏振导航定向具有无误差累积、不受电磁干扰的优势。在晴朗少云的天气条件下,偏振方位角图中太阳子午线的对称性比较显著,很多学者开发了通过识别太阳子午线确定航向角的偏振导航方法。然而当天空中有较厚的云层存在时,云层中大量... 详细信息

天空偏振导航定向具有无误差累积、不受电磁干扰的优势。在晴朗少云的天气条件下,偏振方位角图中太阳子午线的对称性比较显著,很多学者开发了通过识别太阳子午线确定航向角的偏振导航方法。然而当天空中有较厚的云层存在时,云层中大量的水滴或冰晶粒子对太阳光的多次散射和吸收造成该区域的偏振度降低,且偏振方位角出现异常。此时若对较多云层遮挡的目标空域偏振方位角异常像素直接拟合来提取太阳子午线特征,则得到的将是错误的载体坐标系下的太阳方位角基准信息,目前已有的成像式偏振定向方法在大面积厚云层分布的天气情况下应用范围有限。本文提出了一种利用改进的U-Net深度卷积神经网络并结合偏振度阈值进行云分割的方法,在偏振方位角图中将有云区域对应的异常像素点去除,并基于瑞利散射理论和太阳矢量约束获取太阳方向,从而实现天空偏振定向。首先根据瑞利散射理论构建晴朗无云天空偏振模型,并基于斯托克斯矢量公式获得实际天空偏振场图（偏振度和偏振角图）及天空强度图,对偏振角图进行处理得到偏振方位角图。利用米散射理论分析了多云天气下的云层区域偏振分布规律,研究发现该区域偏振度过低导致偏振方位角异常。然后构建用于天空云分割的改进的U-Net深度卷积神经网络,采用包含三个残差结构的Respath模块,使U-Net神经网络的编码区与解码区能够更好的融合。将神经网络预测的二值分割图与设置偏振度阈值为0.1的二值分割图进行或运算,得到能够较好分割云和蓝天的二值图,将该二值图作为mask模板去除偏振方位角图中异常像素点。其次详细阐述了基于瑞利散射理论和太阳矢量约束的成像式天空偏振定向方法。并通过模拟晴朗无云天气和多云天气进行仿真天空偏振定向实验。搭建了成像式天空偏振探测系统,为了解决鱼眼镜头存在较大的径向畸变问题,提出了一种以信标发光二极管为基准的鱼眼镜头天顶角标定方法。最后分别进行了实际晴朗无云天气和多云天气下获取载体坐标系下的太阳方位角的实验。晴朗无云天气下的实验表明本文方法与拟合太阳子午线的两种方法（最小二乘法、分箱法）相比,太阳相对转角的均方根误差（RMSE）最小,为0.28°。多云天气下的实验表明使用该方法获取载体坐标系下太阳方位角的RMSE误差为0.42°。从实验结果可知,本文方法在天空偏振导航的实际定向应用中具有较好的可行性和较高的鲁棒性。

关键词：卷积神经网络偏振度阈值瑞利散射理论太阳矢量约束天顶角标定

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面向微光环境导航应用的等离子体透镜设计

面向微光环境导航应用的等离子体透镜设计

作者：王忠旭大连理工大学

学位级别：硕士

偏振光导航属于自主导航,误差不随时间积累,抗电磁干扰能力强,可以用来弥补现有的应用广泛的各种导航技术的弊端,通过与现有导航技术组合提高导航系统的整体性能,以适应更复杂,更多样的导航要求。在此背景下,基于偏振光的导航原理及应... 详细信息

偏振光导航属于自主导航,误差不随时间积累,抗电磁干扰能力强,可以用来弥补现有的应用广泛的各种导航技术的弊端,通过与现有导航技术组合提高导航系统的整体性能,以适应更复杂,更多样的导航要求。在此背景下,基于偏振光的导航原理及应用得到了广泛的研究,现有的偏振光导航方法可以为载体提供准确、稳定的导航信息,但其应用场景目前还限制在晴朗的白天等非微光环境,能否解决现有的相对成熟的偏振光导航系统无法在微光环境下应用的问题,实现偏振光导航的全天候应用,很大程度上决定了这种新型导航技术的未来。本文将在已进行过实验验证的偏振光导航系统的基础上,针对导航系统中的关键器件——偏振光导航传感器,设计一种能够兼容传感器偏振敏感功能的聚焦器件,以实现导航系统未来在微光环境下的应用。首先,本文对聚焦光学器件的发展历程进行了系统的阐述,指出了第一代传统光学器件和第二代二元光学器件无法满足导航传感器在微光环境下应用的各项要求,并结合二元光学器件的原理,为偏振光导航传感器设计了相应的微透镜阵列,通过实验验证了微透镜阵列无法满足需求。同时,本文分析了第三代平面纳米金属透镜可以作为拓展偏振光传感器在微光环境下应用的光学器件的可行性和优势,并对其原理和各项参数进行了系统的阐述和分析。其次,本文根据平面纳米金属透镜的相位调控原理,结合偏振光传感器的核心部件——亚波长纳米金属光栅,设计了能够与传感器兼容的纳米金属光栅偏振聚光器,并对结构关键参数:狭缝宽度和金属层高度进行了系统的参数设计,并采用时域有限差分(FDTD)方法,对聚光器的结构参数进行了数值模拟,通过对聚光器光场分布的优化分析,给出了各参数对焦点位置和聚焦效果的影响规律,同时求解了结构的TM光的透射率,计算了结构的消光比。最后,对一系列结构的数值模拟结果进行了系统的分析,最优结构的焦点位置位于偏振聚光器光出口2798nm,光强值提高到了16倍。在450nm的偏振光导航器敏感波段其透射率约为63%。本文提出的新型纳米金属光栅偏振聚光器,兼容了原有相对成熟的导航传感器的偏振敏感功能,同时实现了对微光的聚焦功能,为未来微纳偏振导航器件的光学设计与集成制造提供了有效的参考。

关键词：聚焦偏振视觉偏振器纳米金属光栅时域有限差分方法