生物視覺仿生在無人機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用

無人機(jī)最早在20世紀(jì)20年代出現(xiàn)，當(dāng)時(shí)是作為訓(xùn)練用的靶機(jī)使用。隨著21世紀(jì)全世界科學(xué)技術(shù)飛速的發(fā)展，對(duì)無人機(jī)的研究有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其不僅有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如航拍、農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪等，更是在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中起著關(guān)鍵的作用。無人機(jī)的導(dǎo)航性能是決定其飛行準(zhǔn)確性的重要因素，其自主定位水平又是衡量其導(dǎo)航性能的一大重要指標(biāo)。將生物科學(xué)和技術(shù)科學(xué)結(jié)合與滲透，人類開辟了一項(xiàng)新的技術(shù)，并誕生了一門邊緣科學(xué)——仿生學(xué) （bionics）。仿生學(xué)是指人類模仿生物的某些能力，來應(yīng)用于發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)，在飛機(jī)制造的發(fā)展中，仿生學(xué)就給人類提供了很多靈感，如機(jī)翼曲線與鳥類、機(jī)翼震顫與蜻蜓翼尖小翼與鷹隼等。

為了實(shí)現(xiàn)今后無人機(jī)更輕更快更小，運(yùn)載武器能力更強(qiáng)，同時(shí)導(dǎo)航能力更精準(zhǔn)的目標(biāo)，其導(dǎo)航方式可以選擇另外一種方式——基于視覺仿生的導(dǎo)航。美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家已經(jīng)有科學(xué)家在著手相關(guān)方面的工作，其先進(jìn)、前沿的導(dǎo)航思想將無人機(jī)的發(fā)展引領(lǐng)向一個(gè)自主化更強(qiáng)、智能化更高的方向，期望無人機(jī)能像昆蟲一樣，能夠在復(fù)雜情況下躲避障礙，提高飛行能力。本文通過對(duì)導(dǎo)航方式及生物視覺導(dǎo)航的分析，對(duì)這樣一種導(dǎo)航方式的應(yīng)用可能性進(jìn)行探索性研究。

現(xiàn)有導(dǎo)航方式及優(yōu)缺點(diǎn)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）

牛頓力學(xué)理論是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理：通過測(cè)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(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，并將其轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航坐標(biāo)，最后通過設(shè)備顯示可以得到航空器在特定的導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、航向角等位置信息。INS的優(yōu)點(diǎn)是它不靠任何外界的輔助信息就可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，而且在戰(zhàn)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(shí)段、天氣、地形的影響，能夠一直工作。其缺點(diǎn)也是很明顯的，由于積分運(yùn)算而導(dǎo)致的定位誤差隨時(shí)間的積累而不斷增大，最終在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下會(huì)影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度，這是最主要的缺點(diǎn)之一。

捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是目前的主流慣導(dǎo)種類，現(xiàn)在已經(jīng)將基于捷聯(lián)慣導(dǎo)應(yīng)用于四旋翼無人機(jī)，但是仍然存在精度不夠、導(dǎo)航時(shí)間太短等問題。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)在已經(jīng)研究出光纖慣導(dǎo)、激光慣導(dǎo)、微固態(tài)慣性儀表、撓性慣導(dǎo)等多種不同的方式，其中陀螺儀是最關(guān)鍵的組件之一，傳統(tǒng)的繞線陀螺也已經(jīng)向光纖陀螺、微機(jī)械陀螺、靜電陀螺、激光陀螺等成本低、精度高的陀螺技術(shù)方向發(fā)展。

全球定位系統(tǒng)（GPS）

全球定位系統(tǒng)起始于1958年美國(guó)的一個(gè)軍方項(xiàng)目，并于1964年投入使用。經(jīng)過幾十年的研究和巨大的耗資，到1994年，美國(guó)在太空部署的24顆GPS衛(wèi)星在功能上已經(jīng)能覆蓋全球98%的區(qū)域。全球定位系統(tǒng)的原理是測(cè)量出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，然后根據(jù)多顆衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)精確的定位到接收機(jī)的位置。GPS的優(yōu)勢(shì)明顯：全球全天候定位、定位精度高、觀測(cè)時(shí)間短，采取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位模式時(shí)，每站觀測(cè)僅需幾秒鐘。但是全球定位系統(tǒng)也有一定的缺陷：不能提供飛行姿態(tài)等信息參數(shù)，而且也會(huì)由于載體的運(yùn)動(dòng)而不易接受和捕獲衛(wèi)星的無線電信號(hào)，最為重要的是，全球定位系統(tǒng)使用的衛(wèi)星受到美國(guó)軍方的限制。

其他導(dǎo)航方式

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

昆蟲的生物視覺導(dǎo)航

昆蟲視覺導(dǎo)航的研究

對(duì)于不同的生物來說，有著各自不同的自主導(dǎo)航方式。青蛙、甲蟲、烏龜?shù)壬镌谝曈X信息處理上，利用其復(fù)眼有著自己精巧的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的功能，相比之下，人類及靈長(zhǎng)目類的眼睛對(duì)視覺信息的處理在很多方面及程度上遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。昆蟲的腦部重量只有不到1毫克，神經(jīng)細(xì)胞相比哺乳動(dòng)物更是不到萬分之一，但是昆蟲有運(yùn)轉(zhuǎn)極其快速、精確的視覺系統(tǒng)，并且能夠在相對(duì)復(fù)雜的自然環(huán)境下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。所以如果能夠充分研究出昆蟲的視覺導(dǎo)航機(jī)理，并且應(yīng)用于現(xiàn)有的航空器中，開發(fā)出生物視覺仿生的導(dǎo)航方式，使航空器能夠在相對(duì)復(fù)雜的自然環(huán)境下自動(dòng)躲避障礙物，達(dá)到導(dǎo)航精度的提升及導(dǎo)航方式的改變，這將有助于推動(dòng)無人機(jī)的巨大升級(jí)和發(fā)展。

澳大利亞的Srinivasan教授對(duì)昆蟲的視覺導(dǎo)航機(jī)理進(jìn)行了一定的研究，對(duì)蜜蜂的飛行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)蜜蜂是對(duì)所看見的物體和場(chǎng)景在視網(wǎng)膜上產(chǎn)生的圖像變化進(jìn)行處理而產(chǎn)生的導(dǎo)航信息；另一種常見的昆蟲——蠅，具有獨(dú)特的視覺飛行控制系統(tǒng)，可以檢測(cè)其相對(duì)于環(huán)境的運(yùn)動(dòng)，不斷地調(diào)整和校正自己的飛行路線。在蠅的視覺飛行控制系統(tǒng)中，主要由兩個(gè)獨(dú)立的場(chǎng)景系統(tǒng)并行工作完成，都是基于初級(jí)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器（EMD）對(duì)環(huán)境及自身運(yùn)動(dòng)的局域測(cè)量，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果完成不同特性的空間神經(jīng)生理整合，實(shí)現(xiàn)生物控制。瑞士蘇黎世大學(xué)的Wehner教授在對(duì)沙蟻的研究過程中，發(fā)現(xiàn)了沙蟻是利用天空偏振光判斷方向來進(jìn)行導(dǎo)航的?？傊ハx擁有奇妙的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，對(duì)光信號(hào)和動(dòng)態(tài)信號(hào)更敏感，處理更迅速，能夠?qū)@取的信息作為路標(biāo)，結(jié)合大腦中樞系統(tǒng)的記憶功能完成復(fù)雜的導(dǎo)航任務(wù)。本文重點(diǎn)分析選取沙蟻?zhàn)鳛檠芯磕繕?biāo)，分析其如何利用復(fù)眼來觀測(cè)太陽(yáng)光，處理偏振光光信息和其他信息來獲得方位信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的。

昆蟲的復(fù)眼結(jié)構(gòu)

蜜蜂、蒼蠅、沙蟻等昆蟲的復(fù)眼中含有上萬只獨(dú)立又相連的小眼，其最大的優(yōu)勢(shì)即是可以充分的觀察并捕獲環(huán)境中所有物體的方位信息和動(dòng)態(tài)信息。在顯微鏡下觀察一只昆蟲的復(fù)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(fù)眼結(jié)構(gòu)，而每個(gè)小眼都是由角膜、晶錐、感桿束、色素細(xì)胞和基膜等功能細(xì)胞組成，如圖1所示。

圖1　昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　天空P點(diǎn)e矢量偏振信息

天空偏振光的分布

太陽(yáng)光在穿透大氣層時(shí)，太陽(yáng)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(yáng)、P為天空觀察點(diǎn)、O為地面觀察點(diǎn)，根據(jù)瑞利散射理論，在三維坐標(biāo)系中，偏振光的振動(dòng)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(diǎn)P處與子午線（PZ?。┑膴A角，又有P點(diǎn)的偏振光e矢量振動(dòng)方向與PS垂直，所以φ= 90-∠ZPS。，式中θ為入射光與觀測(cè)方向的夾角；AS、AP分別為太陽(yáng)和觀察點(diǎn)P的方位角；hS、hP分別為太陽(yáng)和觀察點(diǎn)P的高度角。

由上圖的球面三角形中各點(diǎn)的方位幾何關(guān)系可知，天空中任意一觀測(cè)點(diǎn)P處的偏振光偏振方位角φ可右如下方式計(jì)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(jìn)而有

得到：

綜上可以計(jì)算出天空中任意一觀察點(diǎn)處點(diǎn)處偏振光束的偏振方位角φ。

圖3　視網(wǎng)膜感桿陣列

沙蟻基于偏振光的導(dǎo)航

大多數(shù)昆蟲的復(fù)眼都對(duì)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(dòng)方向和強(qiáng)度，從而利用其進(jìn)行導(dǎo)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(jìn)行導(dǎo)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?yàn)樯诚伒囊暰W(wǎng)膜由朝向數(shù)百個(gè)不同方向的視神經(jīng)感桿組成，每一個(gè)視神經(jīng)感桿又僅對(duì)與它同方向的偏振光敏感（圖1中的視桿）。多個(gè)相互交叉的視神經(jīng)感桿組成了完整的視網(wǎng)膜感桿陣列，如圖3所示，這樣的結(jié)構(gòu)可以使特定方向的偏振光刺激同樣方向的視網(wǎng)膜感桿，當(dāng)所有同方向的敏感神經(jīng)感桿都同時(shí)相應(yīng)時(shí)，視網(wǎng)膜產(chǎn)生刺激信號(hào)，將接收到的偏振光信息傳遞到大腦。

當(dāng)太陽(yáng)偏振光投射在地面的沙蟻身上時(shí)，視網(wǎng)膜中同方向神經(jīng)感桿產(chǎn)生相應(yīng)的刺激信號(hào)，傳遞到大腦中樞系統(tǒng)中，隨著沙蟻的身體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，神經(jīng)信號(hào)也相應(yīng)的發(fā)生改變。視網(wǎng)膜感桿陣列將感應(yīng)到的光信號(hào)通過神經(jīng)刺激輸入到大腦中樞的視神經(jīng)葉部分，通過與大腦皮層的其它功能區(qū)域共同完成對(duì)信號(hào)的處理，最后實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)航功能。

偏振光導(dǎo)航的應(yīng)用

基于目前對(duì)昆蟲偏振光導(dǎo)航的研究，科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了一種具有導(dǎo)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(qiáng)、導(dǎo)航誤差不隨時(shí)間累積的特點(diǎn)。由于偏振光只能提供一個(gè)參考的方向，所以目前這樣的導(dǎo)航思路只能針對(duì)在地面、水面等在二維空間中運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行研究和開發(fā)。單獨(dú)使用基于偏振光的導(dǎo)航方法只能用于二維環(huán)境，要想實(shí)現(xiàn)三維空間導(dǎo)航，可以與GPS等傳統(tǒng)導(dǎo)航方式結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，這樣的話還可以減少傳統(tǒng)導(dǎo)航給設(shè)備帶來的負(fù)擔(dān)。沙蟻基于偏振光導(dǎo)航的特性只是眾多生物不同導(dǎo)航方式中的一種，而最適合開發(fā)應(yīng)用于無人機(jī)的導(dǎo)航方式還需要理論加實(shí)驗(yàn)的論證。

結(jié)束語

隨著無人機(jī)的迅猛發(fā)展，其導(dǎo)航能力會(huì)越來越備受重視，舊的導(dǎo)航技術(shù)雖然在很多情況下都能發(fā)揮其穩(wěn)定的作用，但是在特定的一些環(huán)境下以及未來更多變的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，還需要導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)一步的突破。這就給生物視覺導(dǎo)航技術(shù)的開發(fā)和研究帶來了很大的必要性，也具有很高的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。目前視覺導(dǎo)航相關(guān)研究還處于初步階段，雖然有成功應(yīng)用于在簡(jiǎn)單環(huán)境中機(jī)器人的二維導(dǎo)航案例，但所涉及的導(dǎo)航任務(wù)也比較簡(jiǎn)單，對(duì)于在復(fù)雜環(huán)境中視覺導(dǎo)航研究需要進(jìn)一步的探索。而如何利用計(jì)算與仿真將生物視覺系統(tǒng)完全的植入機(jī)器，還需要人類不斷進(jìn)行深入的研究。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.031