專利名稱：基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法
技術領域：
本發(fā)明涉及導航定位領域，尤其是一種基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法。
背景技術：
科研人員從螞蟻、蜜蜂等動物利用偏振光定向的本領中得到啟發(fā)，對大氣層內偏振模式、基于偏振的導航方法等方面開展廣泛深入的研究，已經(jīng)將利用偏振光進行仿生導航的方法應用于移動機器人、船舶、飛行器等大氣層內的各種運動物體。目前國內外對天空偏振分布模式和導航方法的研究，主要是利用傳感器感知到天空偏振度和偏振角的分布信息信息，進而提取出其全局特征，即太陽子午線或者最大偏振度線，進而感知到其自身與太陽子午線或者最大偏振度線之間的夾角，從而根據(jù)《航海天文歷》就可以獲取到自身的航向信息，再借助于其他輔助手段就能完成對移動機器人的導航和定位。如圖I所示的全天空偏振分布模型圖，從太陽點11到反太陽點22天空偏振度具有梯度分布的特點，距離太陽點與反太陽點90度角距的弧線為最大偏振度線，天空偏振度分布關于最大偏振度線呈對稱分布，連接太陽點與反太陽點過天頂?shù)幕【€為太陽子午線，所謂天頂為移動機器人正上方的天空，當偏振相機正對天空時，天空偏振分布模式圖的中心位置即對應天頂。對于現(xiàn)有的基于天空偏振分布的導航定位研究主要存在三個缺點第一，太陽子午線和最大偏振度線是天空偏振分布的全局特征，即只有獲取到完整的全天空偏振分布，才能獲取到這種特征。尤其是最大偏振度線必須獲取到完整的全天空偏振分布，才能找出偏振度分布中偏振度最大的線，即最大偏振度線，而太陽子午線是過太陽和觀測者天頂?shù)木€，盡管可以通過觀察天空正上方的局部偏振角分布獲得，然而為了保證足夠的精度，也需要盡量的獲取全天空的偏振分布，這是因為天空偏振分布存在著大量的不規(guī)則區(qū)域，只根據(jù)某些局部的天空偏振分布無法獲得精確的太陽子午線。第二，現(xiàn)有對天空偏振分布的信息利用的不夠深入，只能獲取到移動機器人的航向信息，而對于天空偏振分布中大量的局部特征沒有充分利用。因此現(xiàn)有的基于天空偏振分布的定位都需要依賴其他的輔助信息，如車輛的輪速信息等。第三，現(xiàn)有的從天空偏振分布中獲取航向信息的技術也有待于改進。目前基于天空偏振分布的導航研究中，其航向信息的獲取需要通過查表獲得，如通過《航海天文歷》查詢太陽的赤經(jīng)和赤緯等。這種定位手段的精度依賴于基準表的繪制精度，需要先驗知識。同時現(xiàn)有的這種查表方法，其使用的表是通過多年的觀測結果繪制的，環(huán)境自適應性和準確性比較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種無需獲取全天空的偏振分布情況、無需借助其他輔助信息、環(huán)境自適應性和準確性更好的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，該方法包括下列順序的步驟
(I)以移動機器人正方向為O度參考方向，米用偏振相機對移動機器人正上方的天空進行實時拍攝，經(jīng)計算合成獲取實時天空偏振分布偽色彩圖像；(2)對天空偏振分布偽色彩圖像進行局部特征建模；(3)對天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征進行穩(wěn)定特征點的提取、特征匹配，獲得天空偏振分布模型圖之間的仿射變換關系；(4)根據(jù)天空偏振分布模型圖之間的仿射變換關系，計算移動機器人的位置和航向。以移動機器人正方向為O度參考方向，采用偏振方向分別為O度、45度和90度的三個偏振相機對移動機器人正上方的天空進行實時拍攝，根據(jù)三個偏振相機拍攝的圖像，計算出移動機器人正上方天空的天空偏振度分布和天空偏振角分布；根據(jù)所述天空偏振度分布和天空偏振角分布創(chuàng)建天空偏振度分布偽色彩圖像和天空偏振角分布偽色彩圖像；將天空偏振度分布偽色彩圖像與天空偏振角分布偽色彩圖像進行合成，得到實時天空偏振分布偽色彩圖像。所述偏振相機是在鏡頭前加裝偏振片的相機，所述偏振方向指偏振片的偏振化方向。利用圖像邊緣提取方法對獲取的實時天空偏振分布偽色彩圖像進行邊緣提取，得到天空偏振分布局部特征初圖，通過選擇性注意方法和稀疏化處理方法對天空偏振分布局部特征初圖進行處理，得到天空偏振分布模式圖，完成天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征建模。所述局部特征是指具有區(qū)域性分布差異的穩(wěn)定特征。采用SIFT算法對實時天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征進行穩(wěn)定特征點的提取，然后對所述穩(wěn)定特征點進行特征匹配，獲取當前時刻天空偏振分布模式圖和上一個時刻天空偏振分布模式圖之間的仿射變換關系。通過SIFT算法提取出穩(wěn)定特征點A，所述穩(wěn)定特征點A在前一時刻獲取的天空偏振分布模式圖中的坐標為A(Xl，yi)，在當前時刻獲取的天空偏振分布模式圖中相匹配的坐標為A(x2，y2)，則前一時刻獲取的天空偏振分布模式圖與當前時刻獲取的天空偏振分布模式圖之間的仿射變換關系由式(I)表示
權利要求
1.一種基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，該方法包括下列順序的步驟 (1)以移動機器人正方向為O度參考方向，米用偏振相機對移動機器人正上方的天空進行實時拍攝，經(jīng)計算合成獲取實時天空偏振分布偽色彩圖像； (2)對天空偏振分布偽色彩圖像進行局部特征建模； (3)對天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征進行穩(wěn)定特征點的提取、特征匹配，獲得天空偏振分布模型圖之間的仿射變換關系； (4)根據(jù)天空偏振分布模型圖之間的仿射變換關系，計算移動機器人的位置和航向。
2.根據(jù)權利要求I所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于以移動機器人正方向為O度參考方向，采用偏振方向分別為O度、45度和90度的三個偏振相機對移動機器人正上方的天空進行實時拍攝，根據(jù)三個偏振相機拍攝的圖像，計算出移動機器人正上方天空的天空偏振度分布和天空偏振角分布；根據(jù)所述天空偏振度分布和天空偏振角分布創(chuàng)建天空偏振度分布偽色彩圖像和天空偏振角分布偽色彩圖像；將天空偏振度分布偽色彩圖像與天空偏振角分布偽色彩圖像進行合成，得到實時天空偏振分布偽色彩圖像。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于所述偏振相機是在鏡頭前加裝偏振片的相機，所述偏振方向指偏振片的偏振化方向。
4.根據(jù)權利要求I所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于利用圖像邊緣提取方法對獲取的實時天空偏振分布偽色彩圖像進行邊緣提取，得到天空偏振分布局部特征初圖，通過選擇性注意方法和稀疏化處理方法對天空偏振分布局部特征初圖進行處理，得到天空偏振分布模式圖，完成天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征建模。
5.根據(jù)權利要求I所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于所述局部特征是指具有區(qū)域性分布差異的穩(wěn)定特征。
6.根據(jù)權利要求I所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于采用SIFT算法對實時天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征進行穩(wěn)定特征點的提取，然后對所述穩(wěn)定特征點進行特征匹配，獲取當前時刻天空偏振分布模式圖和上一個時刻天空偏振分布模式圖之間的仿射變換關系。
7.根據(jù)權利要求6所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于通過SIFT算法提取出穩(wěn)定特征點A，所述穩(wěn)定特征點A在前一時刻獲取的天空偏振分布模式圖中的坐標為A(Xl，yi)，在當前時刻獲取的天空偏振分布模式圖中相匹配的坐標為A(x2, y2)，則前一時刻獲取的天空偏振分布模式圖與當前時刻獲取的天空偏振分布模式圖之間的仿射變換關系由式(I)表示
8.根據(jù)權利要求7所述的基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，其特征在于移動機器人的位置和航向以GPS坐標系進行定義，移動機器人在GPS坐標系中的位置和航向用(La，Lo，Θ)表示，其中La為移動機器人所在位置的緯度，Lo為移動機器人所在位置的經(jīng)度，Θ為移動機器人的航向，所述航向以正北方向為O度方向、以逆時針為正； 假設上一時刻移動機器人在GPS坐標系中的位置和航向為(Latl, Lo0, Θ 0),其中Latl為移動機器人上一時刻所在位置的纟韋度，Lotl為移動機器人上一時刻所在位置的經(jīng)度，Θ (!為移動機器人上一時刻所在位置的GPS航向；上一時刻天空偏振分布模式圖與當前時刻天空偏振分布模式圖之間的仿射變換關系為(祝tx，ty)，由公式(2)求解出移動機器人當前時刻的位置和航向(La1, Lo1, Θ J
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于天空偏振分布模型匹配的導航定位方法，包括以移動機器人正方向為0度參考方向，以移動機器人正方向為0度參考方向，采用偏振相機對移動機器人正上方的天空進行實時拍攝，經(jīng)計算合成獲取實時天空偏振分布偽色彩圖像；對天空偏振分布偽色彩圖像進行局部特征建模；對天空偏振分布偽色彩圖像的局部特征進行穩(wěn)定特征點的提取、特征匹配，獲得天空偏振分布模型圖之間的仿射變換關系；計算移動機器人的位置和航向。本發(fā)明無需獲取到全天空的偏振分布；利用天空偏振分布的局部特征信息，使得從天空偏振分布中不僅能獲取到移動機器人的航向，同時也能獲取到移動機器人的位置；無需依賴先驗知識，其環(huán)境自適應性及準確性更好。
文檔編號G01C11/08GK102967311SQ20121050486
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者梁華為, 王道斌, 梅濤, 祝輝, 許鐵娟 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院