生物視覺仿生在無人機導航中的應用

生物視覺仿生在無人機導航中的應用

無人機最早在20世紀20年代出現，當時是作為訓練用的靶機使用。隨著21世紀全世界科學技術飛速的發展，對無人機的研究有了長足的進步，其不僅有著廣泛的應用領域，如航拍、農業植保、測繪等，更是在未來戰爭中起著關鍵的作用。無人機的導航性能是決定其飛行準確性的重要因素，其自主定位水平又是衡量其導航性能的一大重要指標。將生物科學和技術科學結合與滲透，人類開辟了一項新的技術，并誕生了一門邊緣科學——仿生學 （bionics）。仿生學是指人類模仿生物的某些能力，來應用于發明創造的科學，在飛機制造的發展中，仿生學就給人類提供了很多靈感，如機翼曲線與鳥類、機翼震顫與蜻蜓翼尖小翼與鷹隼等。

為了實現今后無人機更輕更快更小，運載武器能力更強，同時導航能力更精準的目標，其導航方式可以選擇另外一種方式——基于視覺仿生的導航。美國等先進國家已經有科學家在著手相關方面的工作，其先進、前沿的導航思想將無人機的發展引領向一個自主化更強、智能化更高的方向，期望無人機能像昆蟲一樣，能夠在復雜情況下躲避障礙，提高飛行能力。本文通過對導航方式及生物視覺導航的分析，對這樣一種導航方式的應用可能性進行探索性研究。

現有導航方式及優缺點

慣性導航系統（INS）

牛頓力學理論是慣性導航系統的基本原理：通過測量航空器在慣性參考系中不斷變化的加速度，包括大小和方向，然后將其對時間進行積分運算，并將其轉換為導航坐標，最后通過設備顯示可以得到航空器在特定的導航坐標系中的速度、航向角等位置信息。INS的優點是它不靠任何外界的輔助信息就可以實現自主導航，而且在戰略上具有很好的隱蔽性，由于不需要與外界傳輸信息，所以也不受外界情況干擾，包括時段、天氣、地形的影響，能夠一直工作。其缺點也是很明顯的，由于積分運算而導致的定位誤差隨時間的積累而不斷增大，最終在長時間運行下會影響慣導系統的精度，這是最主要的缺點之一。

捷聯式慣導系統是目前的主流慣導種類，現在已經將基于捷聯慣導應用于四旋翼無人機，但是仍然存在精度不夠、導航時間太短等問題。隨著科技的進步，現在已經研究出光纖慣導、激光慣導、微固態慣性儀表、撓性慣導等多種不同的方式，其中陀螺儀是最關鍵的組件之一，傳統的繞線陀螺也已經向光纖陀螺、微機械陀螺、靜電陀螺、激光陀螺等成本低、精度高的陀螺技術方向發展。

全球定位系統（GPS）

全球定位系統起始于1958年美國的一個軍方項目，并于1964年投入使用。經過幾十年的研究和巨大的耗資，到1994年，美國在太空部署的24顆GPS衛星在功能上已經能覆蓋全球98%的區域。全球定位系統的原理是測量出衛星到接收機的距離，然后根據多顆衛星的測量數據精確的定位到接收機的位置。GPS的優勢明顯：全球全天候定位、定位精度高、觀測時間短，采取實時動態定位模式時，每站觀測僅需幾秒鐘。但是全球定位系統也有一定的缺陷：不能提供飛行姿態等信息參數，而且也會由于載體的運動而不易接受和捕獲衛星的無線電信號，最為重要的是，全球定位系統使用的衛星受到美國軍方的限制。

其他導航方式

其他的單一導航技術還有地形輔助導航、多普勒導航、地磁導航、天文導航等，而基于單一導航方式各有優劣，因此現在廣泛采用組合導航，利用其性能上的互補，得到更高的導航性能，比如INS/GPS組合導航系統、慣導/多普勒組合導航系統等，由此可見，現有的導航方法都存在一定的缺陷。

昆蟲的生物視覺導航

昆蟲視覺導航的研究

對于不同的生物來說，有著各自不同的自主導航方式。青蛙、甲蟲、烏龜等生物在視覺信息處理上，利用其復眼有著自己精巧的結構和獨特的功能，相比之下，人類及靈長目類的眼睛對視覺信息的處理在很多方面及程度上遠遠達不到。昆蟲的腦部重量只有不到1毫克，神經細胞相比哺乳動物更是不到萬分之一，但是昆蟲有運轉極其快速、精確的視覺系統，并且能夠在相對復雜的自然環境下實現導航。所以如果能夠充分研究出昆蟲的視覺導航機理，并且應用于現有的航空器中，開發出生物視覺仿生的導航方式，使航空器能夠在相對復雜的自然環境下自動躲避障礙物，達到導航精度的提升及導航方式的改變，這將有助于推動無人機的巨大升級和發展。

澳大利亞的Srinivasan教授對昆蟲的視覺導航機理進行了一定的研究，對蜜蜂的飛行實驗研究發現蜜蜂是對所看見的物體和場景在視網膜上產生的圖像變化進行處理而產生的導航信息；另一種常見的昆蟲——蠅，具有獨特的視覺飛行控制系統，可以檢測其相對于環境的運動，不斷地調整和校正自己的飛行路線。在蠅的視覺飛行控制系統中，主要由兩個獨立的場景系統并行工作完成，都是基于初級運動檢測器（EMD）對環境及自身運動的局域測量，再根據測量結果完成不同特性的空間神經生理整合，實現生物控制。瑞士蘇黎世大學的Wehner教授在對沙蟻的研究過程中，發現了沙蟻是利用天空偏振光判斷方向來進行導航的。總之，昆蟲擁有奇妙的復眼結構，對光信號和動態信號更敏感，處理更迅速，能夠將獲取的信息作為路標，結合大腦中樞系統的記憶功能完成復雜的導航任務。本文重點分析選取沙蟻作為研究目標，分析其如何利用復眼來觀測太陽光，處理偏振光光信息和其他信息來獲得方位信息，實現導航定位的。

昆蟲的復眼結構

蜜蜂、蒼蠅、沙蟻等昆蟲的復眼中含有上萬只獨立又相連的小眼，其最大的優勢即是可以充分的觀察并捕獲環境中所有物體的方位信息和動態信息。在顯微鏡下觀察一只昆蟲的復眼剖面，可以看到許多小眼聚集在一起，形成像萬花筒一般的弧形復眼結構，而每個小眼都是由角膜、晶錐、感桿束、色素細胞和基膜等功能細胞組成，如圖1所示。

圖1　昆蟲復眼結構示意圖

圖2　天空P點e矢量偏振信息

天空偏振光的分布

太陽光在穿透大氣層時，太陽光照射到大氣分子上，被大氣中的溶膠分子和其他氣體分子吸收、形成瑞利散射，從而形成了偏振光，偏振光用偏振度P和偏振方位角φ來定量描述。

在圖2所示偏振光分析中，S為太陽、P為天空觀察點、O為地面觀察點，根據瑞利散射理論，在三維坐標系中，偏振光的振動方向垂直于平面OSP。角度φ為偏振方位角，定義為e矢量在觀察點P處與子午線（PZ弧）的夾角，又有P點的偏振光e矢量振動方向與PS垂直，所以φ= 90-∠ZPS。，式中θ為入射光與觀測方向的夾角；AS、AP分別為太陽和觀察點P的方位角；hS、hP分別為太陽和觀察點P的高度角。

由上圖的球面三角形中各點的方位幾何關系可知，天空中任意一觀測點P處的偏振光偏振方位角φ可右如下方式計算：在球面三角形 OPS 中，由余弦定理知：cosθ=sinhP*sinhS+coshP*coshS*cos（AS-AP），從而可知sinθ；

在球面三角形 ZPS 中，由正弦定理知：

進而有

得到：

綜上可以計算出天空中任意一觀察點處點處偏振光束的偏振方位角φ。

圖3　視網膜感桿陣列

沙蟻基于偏振光的導航

大多數昆蟲的復眼都對偏振光極其敏感，能夠精確的接受天空中偏振光的分布信息以及振動方向和強度，從而利用其進行導航定位。昆蟲中具有代表性的沙蟻，也能夠利用天空中的偏振光作為有效的信息進行導航定位。

沙蟻之所以能夠精確地感知偏振光的分布模式，是因為沙蟻的視網膜由朝向數百個不同方向的視神經感桿組成，每一個視神經感桿又僅對與它同方向的偏振光敏感（圖1中的視桿）。多個相互交叉的視神經感桿組成了完整的視網膜感桿陣列，如圖3所示，這樣的結構可以使特定方向的偏振光刺激同樣方向的視網膜感桿，當所有同方向的敏感神經感桿都同時相應時，視網膜產生刺激信號，將接收到的偏振光信息傳遞到大腦。

當太陽偏振光投射在地面的沙蟻身上時，視網膜中同方向神經感桿產生相應的刺激信號，傳遞到大腦中樞系統中，隨著沙蟻的身體發生轉動，神經信號也相應的發生改變。視網膜感桿陣列將感應到的光信號通過神經刺激輸入到大腦中樞的視神經葉部分，通過與大腦皮層的其它功能區域共同完成對信號的處理，最后實現其導航功能。

偏振光導航的應用

基于目前對昆蟲偏振光導航的研究，科學家已經開發出了一種具有導航功能的角度傳感器，它具有精度高、體積小、靈敏度好、抗干擾能力強、導航誤差不隨時間累積的特點。由于偏振光只能提供一個參考的方向，所以目前這樣的導航思路只能針對在地面、水面等在二維空間中運動的物體進行研究和開發。單獨使用基于偏振光的導航方法只能用于二維環境，要想實現三維空間導航，可以與GPS等傳統導航方式結合來實現，這樣的話還可以減少傳統導航給設備帶來的負擔。沙蟻基于偏振光導航的特性只是眾多生物不同導航方式中的一種，而最適合開發應用于無人機的導航方式還需要理論加實驗的論證。

結束語

隨著無人機的迅猛發展，其導航能力會越來越備受重視，舊的導航技術雖然在很多情況下都能發揮其穩定的作用，但是在特定的一些環境下以及未來更多變的戰爭環境中，還需要導航技術進一步的突破。這就給生物視覺導航技術的開發和研究帶來了很大的必要性，也具有很高的理論價值和現實意義。目前視覺導航相關研究還處于初步階段，雖然有成功應用于在簡單環境中機器人的二維導航案例，但所涉及的導航任務也比較簡單，對于在復雜環境中視覺導航研究需要進一步的探索。而如何利用計算與仿真將生物視覺系統完全的植入機器，還需要人類不斷進行深入的研究。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.031