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仿生偏振导航传感器实验模型的构建与标定

2008-02-26 嵌入式在线收藏 | 打印

1 引言

生物学家研究表明，沙蚁等昆虫的复眼具有对天空偏振光敏感的独特结构，能够感知偏振光在天空中强度和方向的分布模式，并利用其来实现导航定位的目的。

仿生导航微传感器就是模仿沙蚁复眼的偏振光导航定位机理，结合微电子技术和微机械加工技术，利用MEMS工艺进行研制的一种微型导航定位系统。相比传统的导航设备，它具有体积小、精度高、灵敏度好、集成度高及抗干扰能力强等特点，因而在导航定位领域有着极其广阔的应用前景。本文设计和构建了一种新型仿生导航传感器的实验模型，进行了传感器的光学标定和导航角度输出实验。

2 仿生偏振导航传感器工作原理

著名的瑞士生物神经学家Wehner经过长时间对沙蚁的研究发现，沙蚁复眼具有三类偏振对立的神经元，接受视网膜上最大敏感方向互相垂直的视神经感杆的输入，经过计算和译码就可以得出沙蚁体轴与太阳子午线的夹角，实现其导航功能。

本文模仿沙蚁的三类对不同偏振角度敏感的偏振神经元，配备了三个面向不同偏振方向轴的检偏器(0°，60°，120°)。每个检偏器由一对偏振方向互相垂直的偏振片组成，以模仿沙蚁偏振敏感的视神经感杆。传感器光电探测头采用了一个套筒结构来实现。测试系统通过光电二极管和对数运算放大器，把从三个检偏器输出的偏振光信号转化为三路电压信号，再根据相关的计算公式，计算出相应位置的定位角度。导航传感器的整体功能结构如图1。

传感器系统采集到的三路电压信号与此位置的定位角度之间的关系为

3 导航传感器实验模型

搭建的传感器实验模型照片如图2所示。偏振导航传感器实验模型系统主要由光电探测转换模块、信号调理模块、数据采集处理模块以及运算控制模块组成。

3.1 光电探测转换与信号调理模块

光电探测与转换模块由蓝色滤光片、线性偏振器以及光电二极管构成。光电探测器采用了日本滨松公司生产的硅光电二极管S1087，这种光电探测装置对波长范围在370～520 nm内的光比较敏感，而且具有体积小、灵敏度高以及转换精度较高等特点，可以很好地满足测试系统的需要。在信号调理中，系统采用了TI公司的精密对数运算放大器LOG100。它把光电二极管输出的两路电流信号转换为一路电压信号，从而利用对数比率运算消除了原始光强对定位角度计算的影响。光电转换和对数运算电路如图3所示。

3.2 数据采集处理与运算控制模块

传感器实验模型采用了中泰公司的高速光电隔离型采集卡USB7325作为系统的数据采集模块。硬件安装非常简单，使用时只需将USB7325的USB接口插入计算机内任何一个USB接口插座中，其I／O信号、脉冲输入及脉冲输出信号均由模块上的双排针插头与外部信号源及设备连接。A／D转换后的数据结果通过先进先出存储器(FIFO)缓存后由USB总线读出。运算控制模块采用虚拟仪器系统，以数据采集卡为测试工具，以PC机为处理平台，设计基于LabVIEW的测试系统。该系统主要包括：采集卡驱动函数调用；三通道偏振信号的采集、处理、存储与显示；导航方位角度的计算与显示等部分。

4 传感器光学标定与角度输出实验

4.1 实验标定装置

光学标定装置由简化的光学积分球组成，如图4。漫射出光孔直径φ100 mm，并配有盖板；筒内设有2～3个光源，12 V／10 W，每次渐弱光强1／3，出口照度可变；积分器内壁涂有漫反射材料，厚度2～3mm，涂层厚度均匀、牢固，表面为漫反射面这样的光学积分系统可以产生辐照度可调的均匀无偏振光。

4.2 暗场标定与无偏振均匀光场标定

导航传感器的光电探测、转换与放大调理模块不可避免地会引入热噪声、电子噪声以及暗电流。没有光照输入时，传感器仍会产生噪声电压输出。在暗室中，将传感器的光学探头用不透光物体遮住，三个通道的输出电压如图5。实验标定的结果显示整个传感器系统存在轻微上移。导航传感器的偏振光探测模块是由蓝紫滤光片和线性偏振器组成。非偏振光经过导航传感器的线性偏振器之后，变成了具有确定相位差的线性偏振光，但是每一个通道中的两个光电二极管接受到的光强度都变成了原来强度的一半。这样，导航传感器在均匀非偏振光场中的三个通道输出值应该为零。图6为标定实验结果，输出曲线微小上移可能是由偏振器件的光学特性不一致造成的。

4.3 传感器角度输出实验

天空偏振光的强度和偏振程度都随着时间的变化而变化，而传感器三个偏振分析通道的输出值与偏振光的偏振程度相关，只有对三个偏振通道进行标准化处理，获得归一化曲线，才能保证传感器在不同时间段准确地测向。图7给出2007年3月23日下午大连理工大学机械工程学院新楼门前2：30和4：30不同时刻三偏振分析器电压输出和归一化曲线。图7(a)中，振幅较大的是4：30三个偏振分析器的输出，符合Rayleigh大气偏振分布规律。利用归一化曲线，可以准确实现不同时段的导航定位。