生物视觉仿生在无人机导航中的应用

无人机最早在20世纪20年代出现，当时是作为训练用的靶机使用。随着21世纪全世界科学技术飞速的发展，对无人机的研究有了长足的进步，其不仅有着广泛的应用领域，如航拍、农业植保、测绘等，更是在未来战争中起着关键的作用。无人机的导航性能是决定其飞行准确性的重要因素，其自主定位水平又是衡量其导航性能的一大重要指标。将生物科学和技术科学结合与渗透，人类开辟了一项新的技术，并诞生了一门边缘科学——仿生学 （bionics）。仿生学是指人类模仿生物的某些能力，来应用于发明创造的科学，在飞机制造的发展中，仿生学就给人类提供了很多灵感，如机翼曲线与鸟类、机翼震颤与蜻蜓翼尖小翼与鹰隼等。

为了实现今后无人机更轻更快更小，运载武器能力更强，同时导航能力更精准的目标，其导航方式可以选择另外一种方式——基于视觉仿生的导航。美国等先进国家已经有科学家在着手相关方面的工作，其先进、前沿的导航思想将无人机的发展引领向一个自主化更强、智能化更高的方向，期望无人机能像昆虫一样，能够在复杂情况下躲避障碍，提高飞行能力。本文通过对导航方式及生物视觉导航的分析，对这样一种导航方式的应用可能性进行探索性研究。

现有导航方式及优缺点

惯性导航系统（INS）

牛顿力学理论是惯性导航系统的基本原理：通过测量航空器在惯性参考系中不断变化的加速度，包括大小和方向，然后将其对时间进行积分运算，并将其转换为导航坐标，最后通过设备显示可以得到航空器在特定的导航坐标系中的速度、航向角等位置信息。INS的优点是它不靠任何外界的辅助信息就可以实现自主导航，而且在战略上具有很好的隐蔽性，由于不需要与外界传输信息，所以也不受外界情况干扰，包括时段、天气、地形的影响，能够一直工作。其缺点也是很明显的，由于积分运算而导致的定位误差随时间的积累而不断增大，最终在长时间运行下会影响惯导系统的精度，这是最主要的缺点之一。

捷联式惯导系统是目前的主流惯导种类，现在已经将基于捷联惯导应用于四旋翼无人机，但是仍然存在精度不够、导航时间太短等问题。随着科技的进步，现在已经研究出光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表、挠性惯导等多种不同的方式，其中陀螺仪是最关键的组件之一，传统的绕线陀螺也已经向光纤陀螺、微机械陀螺、静电陀螺、激光陀螺等成本低、精度高的陀螺技术方向发展。

全球定位系统（GPS）

全球定位系统起始于1958年美国的一个军方项目，并于1964年投入使用。经过几十年的研究和巨大的耗资，到1994年，美国在太空部署的24颗GPS卫星在功能上已经能覆盖全球98%的区域。全球定位系统的原理是测量出卫星到接收机的距离，然后根据多颗卫星的测量数据精确的定位到接收机的位置。GPS的优势明显：全球全天候定位、定位精度高、观测时间短，采取实时动态定位模式时，每站观测仅需几秒钟。但是全球定位系统也有一定的缺陷：不能提供飞行姿态等信息参数，而且也会由于载体的运动而不易接受和捕获卫星的无线电信号，最为重要的是，全球定位系统使用的卫星受到美国军方的限制。

其他导航方式

其他的单一导航技术还有地形辅助导航、多普勒导航、地磁导航、天文导航等，而基于单一导航方式各有优劣，因此现在广泛采用组合导航，利用其性能上的互补，得到更高的导航性能，比如INS/GPS组合导航系统、惯导/多普勒组合导航系统等，由此可见，现有的导航方法都存在一定的缺陷。

昆虫的生物视觉导航

昆虫视觉导航的研究

对于不同的生物来说，有着各自不同的自主导航方式。青蛙、甲虫、乌龟等生物在视觉信息处理上，利用其复眼有着自己精巧的结构和独特的功能，相比之下，人类及灵长目类的眼睛对视觉信息的处理在很多方面及程度上远远达不到。昆虫的脑部重量只有不到1毫克，神经细胞相比哺乳动物更是不到万分之一，但是昆虫有运转极其快速、精确的视觉系统，并且能够在相对复杂的自然环境下实现导航。所以如果能够充分研究出昆虫的视觉导航机理，并且应用于现有的航空器中，开发出生物视觉仿生的导航方式，使航空器能够在相对复杂的自然环境下自动躲避障碍物，达到导航精度的提升及导航方式的改变，这将有助于推动无人机的巨大升级和发展。

澳大利亚的Srinivasan教授对昆虫的视觉导航机理进行了一定的研究，对蜜蜂的飞行实验研究发现蜜蜂是对所看见的物体和场景在视网膜上产生的图像变化进行处理而产生的导航信息；另一种常见的昆虫——蝇，具有独特的视觉飞行控制系统，可以检测其相对于环境的运动，不断地调整和校正自己的飞行路线。在蝇的视觉飞行控制系统中，主要由两个独立的场景系统并行工作完成，都是基于初级运动检测器（EMD）对环境及自身运动的局域测量，再根据测量结果完成不同特性的空间神经生理整合，实现生物控制。瑞士苏黎世大学的Wehner教授在对沙蚁的研究过程中，发现了沙蚁是利用天空偏振光判断方向来进行导航的。总之，昆虫拥有奇妙的复眼结构，对光信号和动态信号更敏感，处理更迅速，能够将获取的信息作为路标，结合大脑中枢系统的记忆功能完成复杂的导航任务。本文重点分析选取沙蚁作为研究目标，分析其如何利用复眼来观测太阳光，处理偏振光光信息和其他信息来获得方位信息，实现导航定位的。

昆虫的复眼结构

蜜蜂、苍蝇、沙蚁等昆虫的复眼中含有上万只独立又相连的小眼，其最大的优势即是可以充分的观察并捕获环境中所有物体的方位信息和动态信息。在显微镜下观察一只昆虫的复眼剖面，可以看到许多小眼聚集在一起，形成像万花筒一般的弧形复眼结构，而每个小眼都是由角膜、晶锥、感杆束、色素细胞和基膜等功能细胞组成，如图1所示。

图1　昆虫复眼结构示意图

图2　天空P点e矢量偏振信息

天空偏振光的分布

太阳光在穿透大气层时，太阳光照射到大气分子上，被大气中的溶胶分子和其他气体分子吸收、形成瑞利散射，从而形成了偏振光，偏振光用偏振度P和偏振方位角φ来定量描述。

在图2所示偏振光分析中，S为太阳、P为天空观察点、O为地面观察点，根据瑞利散射理论，在三维坐标系中，偏振光的振动方向垂直于平面OSP。角度φ为偏振方位角，定义为e矢量在观察点P处与子午线（PZ弧）的夹角，又有P点的偏振光e矢量振动方向与PS垂直，所以φ= 90-∠ZPS。，式中θ为入射光与观测方向的夹角；AS、AP分别为太阳和观察点P的方位角；hS、hP分别为太阳和观察点P的高度角。

由上图的球面三角形中各点的方位几何关系可知，天空中任意一观测点P处的偏振光偏振方位角φ可右如下方式计算：在球面三角形 OPS 中，由余弦定理知：cosθ=sinhP*sinhS+coshP*coshS*cos（AS-AP），从而可知sinθ；

在球面三角形 ZPS 中，由正弦定理知：

进而有

得到：

综上可以计算出天空中任意一观察点处点处偏振光束的偏振方位角φ。

图3　视网膜感杆阵列

沙蚁基于偏振光的导航

大多数昆虫的复眼都对偏振光极其敏感，能够精确的接受天空中偏振光的分布信息以及振动方向和强度，从而利用其进行导航定位。昆虫中具有代表性的沙蚁，也能够利用天空中的偏振光作为有效的信息进行导航定位。

沙蚁之所以能够精确地感知偏振光的分布模式，是因为沙蚁的视网膜由朝向数百个不同方向的视神经感杆组成，每一个视神经感杆又仅对与它同方向的偏振光敏感（图1中的视杆）。多个相互交叉的视神经感杆组成了完整的视网膜感杆阵列，如图3所示，这样的结构可以使特定方向的偏振光刺激同样方向的视网膜感杆，当所有同方向的敏感神经感杆都同时相应时，视网膜产生刺激信号，将接收到的偏振光信息传递到大脑。

当太阳偏振光投射在地面的沙蚁身上时，视网膜中同方向神经感杆产生相应的刺激信号，传递到大脑中枢系统中，随着沙蚁的身体发生转动，神经信号也相应的发生改变。视网膜感杆阵列将感应到的光信号通过神经刺激输入到大脑中枢的视神经叶部分，通过与大脑皮层的其它功能区域共同完成对信号的处理，最后实现其导航功能。

偏振光导航的应用

基于目前对昆虫偏振光导航的研究，科学家已经开发出了一种具有导航功能的角度传感器，它具有精度高、体积小、灵敏度好、抗干扰能力强、导航误差不随时间累积的特点。由于偏振光只能提供一个参考的方向，所以目前这样的导航思路只能针对在地面、水面等在二维空间中运动的物体进行研究和开发。单独使用基于偏振光的导航方法只能用于二维环境，要想实现三维空间导航，可以与GPS等传统导航方式结合来实现，这样的话还可以减少传统导航给设备带来的负担。沙蚁基于偏振光导航的特性只是众多生物不同导航方式中的一种，而最适合开发应用于无人机的导航方式还需要理论加实验的论证。

结束语

随着无人机的迅猛发展，其导航能力会越来越备受重视，旧的导航技术虽然在很多情况下都能发挥其稳定的作用，但是在特定的一些环境下以及未来更多变的战争环境中，还需要导航技术进一步的突破。这就给生物视觉导航技术的开发和研究带来了很大的必要性，也具有很高的理论价值和现实意义。目前视觉导航相关研究还处于初步阶段，虽然有成功应用于在简单环境中机器人的二维导航案例，但所涉及的导航任务也比较简单，对于在复杂环境中视觉导航研究需要进一步的探索。而如何利用计算与仿真将生物视觉系统完全的植入机器，还需要人类不断进行深入的研究。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.031