王　璐， 王寅龍， 王志文, 褚金奎

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

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基于集成光電探測器的仿生偏振光導(dǎo)航傳感器*

王璐， 王寅龍， 王志文, 褚金奎

(大連理工大學(xué) 精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

摘要:根據(jù)沙漠螞蟻(Cataglyphis)導(dǎo)航機(jī)制設(shè)計(jì)了一個(gè)體積小、集成度高的偏振光導(dǎo)航傳感器。傳感器采用一個(gè)具有多方向偏振檢測功能的集成光電探測器采集光信號(hào)，減小分立元件帶來的安裝誤差。設(shè)計(jì)了以MSP430為核心的硬件電路來對(duì)電信號(hào)進(jìn)行控制處理，采用分段導(dǎo)航算法計(jì)算導(dǎo)航角，提高傳感器分辨率；設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)信息顯示界面，便于實(shí)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行監(jiān)測。在室內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行了性能測試，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的導(dǎo)航精度在±0.1°以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明：該傳感器精度較高且性能穩(wěn)定，有著良好的發(fā)展應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:光電探測器； 導(dǎo)航； 傳感器； 仿生； 偏振光

0引言

大自然中的每種生物都有獨(dú)特的生存本領(lǐng),其中，一種叫做Cataglyphis的沙漠螞蟻(以下簡稱沙蟻)就因其驚人的導(dǎo)航本領(lǐng)引起了科學(xué)工作者們的興趣。生物學(xué)家們觀察發(fā)現(xiàn)該種沙蟻到遠(yuǎn)離其巢穴200 m的地方覓食后能夠準(zhǔn)確地以一條近乎直線路徑返回巢穴，而這其中的路程是它自身身體長度的數(shù)千倍[1]。研究表明，沙蟻能夠?qū)Ш蕉ㄎ坏脑蛟谟谄鋸?fù)眼具有對(duì)天空中偏振光敏感的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能夠感知偏振光在天空中的偏振度和方向的分布模式[2～4]。

大連理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)組是國內(nèi)最早研究偏振光導(dǎo)航的單位之一，其對(duì)天空偏振光導(dǎo)航做了大量的研究工作,研究了天空中偏振光的分布模式，搭建了測量天空偏振光分布的實(shí)驗(yàn)裝置,并通過大量的實(shí)驗(yàn)測量得到了天空偏振光基本的分布模式[5]，提出了一種仿沙蟻偏振光導(dǎo)航傳感器模型并設(shè)計(jì)了傳感器樣機(jī)。之后多次改進(jìn)了傳感器的設(shè)計(jì)，逐步提高傳感器性能[6～9]，還搭建了測試傳感器性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)傳感器進(jìn)行了室內(nèi)室外測試[10，11]，并且進(jìn)行了機(jī)器人導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)[12]。

本文設(shè)計(jì)了以MSP430為控制核心，基于集成光電探測器的仿生偏振光傳感器，有效地縮減了傳感器的體積，利于傳感器的集成化發(fā)展；設(shè)計(jì)了應(yīng)用在上位機(jī)上的實(shí)時(shí)導(dǎo)航信息顯示界面，方便實(shí)時(shí)檢測傳感器。在室內(nèi)均勻光場環(huán)境下對(duì)傳感器樣機(jī)進(jìn)行了性能標(biāo)定測試，結(jié)果表明：該傳感器精度較高,且穩(wěn)定。

1傳感器工作原理

沙蟻能夠利用天空中的偏振光進(jìn)行導(dǎo)航，一是因?yàn)樘炜罩械钠窆庥兄€(wěn)定的分布模式；二是因?yàn)樯诚亾碛袑?duì)偏振光敏感的視覺神經(jīng)系統(tǒng)——其視網(wǎng)膜層(復(fù)眼背部邊緣區(qū))上含有大量面向不同方向的視神經(jīng)感桿，每個(gè)感桿僅對(duì)與其同向的偏振光敏感，并且這些視神經(jīng)感桿按一定方向排列。沙蟻在偏振模式下旋轉(zhuǎn)體軸，偏振復(fù)眼對(duì)于偏振光的刺激呈現(xiàn)出規(guī)則的正弦響應(yīng)，當(dāng)其體軸與太陽子午線的方向平行時(shí)得到最大響應(yīng)。沙蟻通過旋轉(zhuǎn)復(fù)眼，找到天空中太陽子午線的方向從而得到自身體軸和太陽子午線夾角。同時(shí)，沙蟻通過其內(nèi)部的羅盤神經(jīng)元能夠得到太陽子午線方向和正南正北方向夾角，這兩個(gè)角度相加即得到自身體軸和正南正北夾角。

本傳感器模仿沙蟻的視覺神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而成，其主要包括偏振光檢測部分和電信號(hào)處理部分。其中，偏振光檢測部分包括一個(gè)光電探測器和三個(gè)對(duì)數(shù)放大器，光電探測器內(nèi)含有三個(gè)互成60°的偏振檢測通道，且每個(gè)通道由兩個(gè)偏振光檢測單元組成，該偏振光檢測部分將入射到金屬光柵上的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；而電信號(hào)處理部分主要由控制電路組成，其通過一定的算法對(duì)對(duì)數(shù)放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理從而得到導(dǎo)航角度。

將本傳感器中的三個(gè)通道依次定義為0°通道、60°通道、120°通道。

0°，60°，120°通道電壓信號(hào)分別為

(1)

(2)

(3)

其中，θ為偏振方位角，V1,V2,V3分別為0°,60°,120°通道的電壓值，d為偏振度。

(4)

(5)

(6)

由式(4)～式(6)可知，V1,V2,V3隨偏振方位角θ變化而變化，其中，以0°通道為例，V1對(duì)偏振方位角θ的變化率為

(7)

圖1　偏振光檢測結(jié)構(gòu)輸出電壓曲線Fig 1　Output voltage curves of polarized light detection structure

觀察曲線可知，通道電壓在其峰值附近的變化率很小，因此,將偏振方位角分為不同區(qū)間進(jìn)行分段組合計(jì)算。這種分段組合計(jì)算方法有效地避開了使用三路通道電壓的峰值附近的點(diǎn)，當(dāng)偏振方位角變化時(shí)電壓變化值比較明顯，這樣能夠有效提高傳感器的分辨率、提高導(dǎo)航精度[13]。

2傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了基于集成光電探測器的仿生偏振光導(dǎo)航傳感器(如圖2所示)。該傳感器的底座邊長63 mm，高30 mm，鏡頭連接部高13 mm，與之前的傳感器[10]相比體積明顯地縮小。

圖2　基于集成光電探測器的仿生偏振光導(dǎo)航傳感器Fig 2　Bionic polarized light navigation sensor based on integrated photodetector

2.1電源部分

本傳感器采用外接5 V的鋰電池供電，一來可以和飛機(jī)測試平臺(tái)共用一個(gè)供電電池來減少測試平臺(tái)的載重，再者，通過體積很小的電壓轉(zhuǎn)換芯片將+5 V電壓轉(zhuǎn)換為-5 V電壓和3.3 V電壓就可以完成整個(gè)傳感器的供電，減小了傳感器的體積。

2.2偏振光檢測部分

根據(jù)本傳感器的工作原理可知，本傳感器需要三路通道，每個(gè)通道之間相差60°且每個(gè)通道具有一對(duì)偏振方向相互垂直的偏振光檢測單元，本傳感器采用了一個(gè)具有多方向偏振檢測功能的光電探測器[13](如圖3所示)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。該光電探測器分為兩部分，上面的部分為利用納米壓印技術(shù)和金屬蒸鍍工藝制作的雙層金屬納米光柵，六個(gè)方向的金屬納米光柵全部集成在一片板子上，下面的部分為硅基光電探測器。該光電探測器制作簡單，體積小，能夠消除分立元件的安裝誤差，使傳感器部件的安裝變得簡易，并且有效地減小了傳感器的體積，提高了本傳感器的集成度。

圖3　光電探測器Fig 3　Photodetector

光電探測器將入射到其上的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)輸出，其后，三組電流信號(hào)通過精密對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器LOG104轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，放大系數(shù)為0.5。對(duì)數(shù)比例運(yùn)算消除了外界對(duì)導(dǎo)航角度的影響，同時(shí)縮小了電壓信號(hào)的變化范圍以便于處理。

2.3控制處理部分

采用TI公司的MSP430F4794型號(hào)的芯片作為控制處理芯片。該芯片最顯著的特點(diǎn)是能夠超低功耗運(yùn)行且CPU在1.8～3.6 V寬電壓范圍內(nèi)都可以工作，其次，MSP430單片機(jī)采用模塊化的結(jié)構(gòu)，每個(gè)模塊都有獨(dú)立而完整的結(jié)構(gòu)，同一種模塊的使用方式和寄存器都相同并且MSP430單片機(jī)每年都會(huì)推出新型號(hào)的單片機(jī)，便于以后傳感器的更新?lián)Q代。

本傳感器利用MSP430單片機(jī)內(nèi)置的16位Σ-Δ型ADC(即SD16模塊)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,且通過串口將導(dǎo)航角度信息和經(jīng)緯度信息輸出到上位機(jī)。

本傳感器利用u-blox公司的NEO—M8N模塊采集經(jīng)緯度信息。NEO-M8N模塊是u—blox公司的M8系列中的一款，該模塊最大的特點(diǎn)是能夠同時(shí)獲取和跟蹤不同的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以獲得更廣闊的覆蓋范圍和更高的精度，即使在GNSS惡劣的環(huán)境下仍然能夠保持較高的準(zhǔn)確性和可用性。

3上位機(jī)顯示界面設(shè)計(jì)

利用LabVIEW設(shè)計(jì)了三路電壓和偏振方位角的實(shí)時(shí)顯示界面，可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)值和一定時(shí)間內(nèi)的波形。傳感器通過串口RS—232與上位機(jī)連接。該顯示界面便于操作者判斷傳感器的好壞和信號(hào)的質(zhì)量。

4性能測試

利用傳感器標(biāo)定裝置模擬偏振環(huán)境(如圖4所示)，在室內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。重復(fù)進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4　實(shí)驗(yàn)標(biāo)定裝置Fig 4　Experimental calibration device

角度(°)4次實(shí)驗(yàn)角度(°)123400.1960.1900.0860.1171010.17910.25110.06910.1142020.19920.30020.08720.1653030.30130.40430.22330.3124040.58340.66840.53740.596?????100100.01299.89599.95699.961110109.925109.889109.953109.899?????170170.110169.800169.867169.982180180.129179.741179.849179.969

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到傳感器輸出角度的原始誤差曲線(如圖5所示)。從該圖中可以看出傳感器輸出的原始角度誤差在±0.9°以內(nèi)且該角度誤差按一定規(guī)律分布。利用最小二乘支持向量機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償[9]，從而得到對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償后的誤差曲線，各組數(shù)據(jù)補(bǔ)償后的誤差均在±0.1°內(nèi)，以其中一組數(shù)據(jù)為例的補(bǔ)償后的誤差曲線如圖6所示。

圖5　原始角度誤差Fig 5　Original angle error

圖6　最小二乘支持向量機(jī)補(bǔ)償后誤差Fig 6　Error after compensation by LS-SVM

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于集成光電探測器的仿生偏振光導(dǎo)航傳感器，該傳感器體積小、功耗低。在室內(nèi)對(duì)傳感器進(jìn)行了性能測試并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得出傳感器原始誤差在±0.9°以內(nèi)，誤差補(bǔ)償后導(dǎo)航精度在±0.1°以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)證明：該傳感器精度較高且性能穩(wěn)定，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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王璐(1988-)，女，遼寧撫順人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠窆鈧鞲衅鳌?/p>

Bionic polarized light navigation sensor based on integrated photodetector*

WANG Lu, WANG Yin-long, WANG Zhi-wen, CHU Jin-kui

(Laboratory of Technology Precision & Non-traditional Machining,Ministry of Education, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Abstract:A polarization navigation sensor of small size and high integration is designed according to Desert ants Cataglyphis navigation mechanism.In order to decrease installation error caused by discrete components,this sensor uses an integrated photodetector to collect light signal.Hardware circuit of this sensor is designed based on MSP430 microcontroller;in order to improve the resolution of the sensor,subsection navigation algorithm is used to calculate navigation angle;real-time information display interface is designed for sensor monitoring.Performance tests on this sensor is carried out indoors,the results show the navigation precision is within ±0.1° after experimental datas are processed.The experiment shows that the sensor has high precision and stable property,and it has widespread application prospect in the future.

Key words:photodetector; navigation; sensor; bionic; polarized light

作者簡介:

中圖分類號(hào):TP 212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)01—0091—04

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305057)；國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB302105)

收稿日期：2015—04—13

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0091—04