仿生偏振光传感器设计与性能测试_吕文红.pdf

书书书ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023实验技术DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 001仿生偏振光传感器设计与性能测试吕文红a，徐金风b，孔芳c，张建华c，郭银景b(山东科技大学 a 交通学院;b 电子信息工程学院;c 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)摘要:偏振信息的有效获取是实现偏振光导航的重要前提。仿照沙蚁复眼的偏振敏感视觉神经结构设计了一款三通道式仿生偏振光传感器，该传感器以 AM 微处理器为处理核心，每个天空偏振光感知通道包含两个覆盖极化方向垂直偏振片的光电二极管与对数放大器，设计的偏振光传感器具有结构紧凑、实时性好且成本较低的优点，并设计了传感器稳定性与采集精度检测方案。试验结果表明，该传感器检测到的偏振角误差在 3.9之内，平均误差为 1.53。该仿生偏振光传感器能实现偏振信息的有效检测、实时采集与存储，且具备稳定的采集能力，并在最后分析了传感器的误差产生原因及下一步的改进措施。关键词:仿生导航;偏振信息;偏振光传感器;AM 微处理器中图分类号:TB 96文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0001 06A Bionic Polarization Sensor Design and Performance TestL Wenhonga，XU Jinfengb，KONG Fangc，ZHANG Jianhuac，GUO Yinjingb(a College of Transportation;b College of Electronic Information Engineering;c College of Electrical Engineeringand Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong，China)Abstract:Effective acquisition of polarization information is an important prerequisite for polarization navigation Athree-channel polarization navigation sensor which based on the polarization sensitive structure of sand cataglyphisommateum is designed The sensor takes AM microprocessor as the processing core，and each sky polarization sensingchannel consists of two photodiodes which are covered polarizers with mutually perpendicular polarization directions，andlogarithmic amplifiers The polarization sensor has the advantages of compact structure，good real-time performance andlow cost The detection scheme of sensor stability and acquisition accuracy is designed Experimental results show thatthe detection error of the polarization angle detected by the sensor is within 3.9，and the average error is 1.53 Thissensor can effectively detect，collect and store polarization information in real time，and it has stable acquisition abilityFinally，the causes of polarization sensor error and the improvement measures are analyzedKey words:bionic navigation;polarization information;polarization sensor;AM microprocessor收稿日期:2022-07-05基金项目:国家自然科学基金项目(61471224);山东省重点研发计划(公益类专项)项目(2018GHY115022);青岛西海岸新区科技项目(2020-39)作者简介:吕文红(1968 )，女，山东济南人，教授，现主要从事偏振光导航技术研究。Tel:13806390344;E-mail:zklwh sdust edu cn0引言生物学家不断发现自然界中的一些昆虫1、鸟类2、鱼类3 可以通过感知天空偏振光实现导航，以帮助其进行觅食、归巢和迁徙等行为。解剖学研究表明，大多数具有偏振光视觉或对偏振光敏感的生物依赖于其眼中的一些独特结构，即在背缘区域(dorsalrim area，DA)有序排列的小眼4。不同生物体 DA小眼中的神经感杆对不同类型、不同方向的偏振光具有一定的敏感性。正是受这些生物奇妙的偏振视觉导航能力和特殊视觉器官的启发，国内外学者开展了有关仿生偏振光传感器设计方面的探究与试验。第 42 卷仿生偏振光传感器是借鉴生物的视觉器官感知天空偏振光的机理，通过测量不同方向的天空偏振光，以实现载体航向、姿态等导航参数解算的传感器。目前，偏振光导航传感器仍处于技术探索阶段，可以获取偏振信息的偏振光导航传感器的设计有图像式5 与点源式6 两种。图像式传感器可以获取到全天候的偏振信息，但偏振相机价格昂贵，不利于微小型化发展7。基于光电二极管的偏振光导航传感器采用光电二极管仿照生物的复眼设计，具有结构简单、体积小、实时性好等特点，且感知精度较高于图像式传感器。国内外学者已经将设计的各类偏振光导航传感器应用到机器人上，验证了偏振光导航的可行性。2009年，大连理工大学褚金奎团队模仿沙蚁复眼的导航机理设计了检测天空光的导航传感器，该传感器在控制机器人移动的实验中证实了偏振光传感器的误差不随时间累积，且传感器误差仅在 0.28。2020 年，该团队又将偏振光传感器应用于四旋翼机器人的组合导航系统，是将仿生偏振传感器应用由二维平面导航拓展到三维平面导航的新探索9。国防科技大学胡小平团队基于仿生多传感器的无人车自动归航的控制系统提出一种与视觉惯性系统的自适应集成算法，可将归位误差减小至 0.49 m10。2020 年，Du 等11-12 提出一种 EKF-SLAM 方法将仿沙蚁复眼偏振光传感器、激光雷达和里程计进行融合，用于估算机器人实验中的位置、方向和地图。实验结果表明:偏振光传感器误差在 2以内，采用偏振光传感器的 EKF-SLAM 可以减小 30%位 置 误 差 和 航 向 角。2017 年，Dupeyroux等13-14 设计的仿沙蚁复眼结构的天体罗盘实验表明，在各种气象条件下以及在大部分天空被树叶遮挡的情况下仍然表现出极高的精度和可靠性，不需要 GPS 导航或者地图机器人就能探索任意环境并回家，其稳态航向方向误差在 0.3(晴天)1.9(阴天)。基于光电二极管的仿生偏振光传感器可以将大气中的偏振光量化为易被处理的电压信号，具有结构紧凑、实时性好、成本低等优点，满足实际应用的需求。因此，本文模仿沙蚁的 3 对不同偏振角度敏感的偏振神经元，设计光电探测与信号处理电路，制备三通道仿生偏振光传感器，并对传感器的稳定性与采集精度进行测试。1生物偏振感知模型沙蚁依靠复眼中的视网膜层感知偏振光，相互正交的单向感光器构成神经感杆，可以感应与它同向的偏振光15，其偏振光感知结构和大脑对偏振光信号处理如图 1 所示。当沙蚁感受到偏振信息时，神经感杆每侧通道 图 1(b)产生一路信号传至神经元处理，偏振信息经处理后输出的信号接近正弦曲线图 1(c)16。(a)复眼中小眼(b)偏振光感受器通道(c)偏振信息处理图 1沙蚁感受和处理偏振光信息依据生物的偏振光检测机理，采用偏振片、光电二极管和对数运算放大器等模块，完成生物偏振敏感神经元模型的提取17。2偏振光传感器设计2.1传感器原理天空光穿过大气，被粒子散射成为部分偏振光。设入射光强为 I，偏振角为，偏振度为 d，通过偏振化方向为 的偏振片，出射光强可以表示为I()=I2 1+dcos(2 2)(1)本文设计的三通道传感器检测结构中，每通道都包含两个极化方向相互正交的偏振片，取值为 0、90;60、150;120、210，分别代入到式(1)，可以求得天空偏振光经过偏振角度 后的光强。以 0、90方向为例，通道 1 输出的两组光强值为:I11=I2 1+dcos 2，=0I21=I2 1+dcos(2 )，=90(2)光电二极管将光信号转化为电流信号输入到对数放大器中。已知对数放大器的转换公式为U=0.5lg(I1/I2)(3)由于光强与光电二极管产生的电流成正比例关系，因此可以将出射光强作为光电二极管的输出电流信号代入到对数放大器的转换式(3)中，得到偏振光传感器输出的通道 1、2、3 电压信号分别为:U1=0.5lg1+dcos 21 dcos 2(4)U2=0.5lg1+dcos(2 2/3)1 dcos(2 2/3)(5)U3=0.5lg1+dcos(2 4/3)1 dcos(2 4/3)(6)由 3 个通道中的任意两通道联立求解 2 个未知变2第 1 期吕文红，等:仿生偏振光传感器设计与性能测试量，可以求出偏振度 d 与偏振角。2.2传感器结构设计根据传感器偏振信息解算的原理，设计的仿生偏振光传感器结构如图 2 所示。偏振片用于选择特定的偏振感知方向，选择极化方向相互垂直的一对单元用于模拟生物光感受器的前端部分;光电二极管用于将给定的线偏振信号转化为电信号，用于后续信号处理;对数运算放大器可以模拟实现生物的偏振敏感响应;AM 微处理器用于模拟生物神经中枢。图 2仿生偏振光传感器结构自然光经过单个通道内 2 个相互垂直的偏振片后，不同角度的偏振信息被提取;在光电二极管中将光信号转化为电流信号;经对数放大器对两光电二极管的输出值作对数相减处理，即可将此作为单个通道的输出信号，此时电流信号转化为电压信号。通过加法电路将对数运算后的电压值调整到可供单片机采集到的范围;模数转换将模拟的电压值转化为数字电压;通过串口将数据发送到上位机，信息处理后就可以获取入射自然光的偏振角和偏振度信息。偏振光传感器设计使用的元器件如表 1 所示。表 1系统器件选型器件名称主要参数数量/个光电二极管 S2386光谱响应范围:320 1 100 nm，最大暗电流 30 pA6线性偏振片适用波段 400 700 nm，偏光率 99%，消光比 1 000 16高精度对数比例放大器 LOG104输入电流动态范围100 pA 3.5 mA3模数转换模块 ADS1256高精度 24 bit 8 通道 AD 采集1STM32F1 最小系统运行速度:72 MHz;12 bit ADC12.3传感器电路设计2 3 1偏振检测电路设计本设计选择的光电转换器件为 S2386 光电二极管，S2386 具有较低暗电流和高灵敏度，且具有优异的线性特性。对数放大器采用的是 ANALOG DEVICES公司的 LOG104，对数放大器在弱光检测时具有较为优异的性能。根据对数放大器芯片手册给出的经典电路来进行偏振检测部分的电路设计(见图 3)。大气中的部