基于MSP430的仿生偏振光导航传感器的设计与实现
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２１ ０ ２年 第 ３ 卷 第 ８期 １
传感 器与微系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
１７ ０
基 于 ＭＳ ４ ０的仿 生偏 振 光 导 航传 感 器 的设 计 与 实现 Ｐ３
褚金 奎 ， 林 林 ，陈文静 ，王 寅龙
ｐｒｃ ｓ ｏ ｓ ｓ ｄ ｏ ｅ ｕｃ ｐｏ ｒ ｃ ｎｓ ｍ ｐ ｉｎ ｆ ｔ ｅ ｅ ｏ ，ｗｉｅｅ ｓ ｏ ｏ ｅ ｓ ｒｉ ｕ ｅ ｔ ｒ ｄ ｅ ｗｅ ｏ ｕ ｔｏ ｏ ｈ ｓ ｎｓ ｒ ｒｌ ｓ ｃ ｍｍ ｕ ｃ ｔ ｎ ｎｉａｉ ｍｏ ｅ ｎｃｅ ｓ ｓ ｉ ａ ｏ ｄ ｉ ｒ ａ ｅ ｓｇ ｌ ｎ
远的地方捕食 ， 巢轨 迹 近乎 直线 Ｊ Ｌ ｂａｔ 归 ， ａｈｒ Ｔ等 人发 现
种偏振导航机理 ，ａｔ Ｔ Ｃ ａｌ 等人设计 了仿 生偏 Ｓｒａ ，ｈｈ Ｊ ｉ
振视觉传感 器并应 用 在无 人机 上进行 导航 Ｊ 。本 实 验组
对天空 偏振光导航 也做 了相应研 究 ， 立 了三维 天空偏振 建
（ 连 理 工 大 学 精 密 特 种 加 工教 育部 重 点 实验 室 ， 宁 大 连 １６ ２ ） 大 辽 １０ ３
摘
要 ：根据沙 漠蚂蚁 Ｃ ｔ ｌ ｈｓ ａ ｇ ｐ ｉ 的导航机 理 ， 用分段导航 算法研制 了以 ＭＳ ４ ０为控 制核心 的偏 振 ａｙ 采 Ｐ３
光导航传感器 。该传感器利用分段算法通过 变化 明显 的两路电压信号计算导航角 ， 分辨率高 ， 采用混合信 号处理器降低传感器功耗 ， 无线通信方式增加 了信号传输距离和灵活性 ， 方便应用 。分析了传感 器导航机
理和分段导航算法 ； 设计 传感器的硬件电路和软件程序 ， 制作传感器样机 ； 了测试传感器 的性能 ， 为 在标定
平台上进行 了实验 ， 并处理实验数据 ， 出传感器 原始误差 在 ±０ ６ 以内， 得 ．。 误差 补偿后 导航精度 在 ±０ ２ ．。 以内。实验证实 ： 偏振光传感器 自主导航 ， 度高 ， 精 性能稳定 ， 导航系统 中有广泛的应用前 景。 在
０ 引 言
Ｃ ｔｇ ｐｉ 脑部 Ｐ Ｌ神经元将复眼接收的天空偏振光信号 ａａｌ ｈｓ ｙ Ｏ 转换成相应 的电信号 进而导航 。除了沙蚁 ， 自然 界 中很
大 自然蕴藏着大量 的智 慧和能量 ， 们 向 自然界 学习 人 的理念也逐步提升 。近年来 ， 多科 研工 作者展 开 了对 自 许 然界的研究探索 ， 人工智 能 、 生学 、 仿 仿生 机器人 等研究 越
之后 ， 能够 以近乎直线 的轨 迹返 回巢 穴 ， 过科 学 家多 年 经
研 究 发 现 ， 蚁 是 通 过 天 空 中 的偏 振 光 进 行 导 航 的 。 这 沙
种功 能的建立基 于天空 中稳 定 的偏 振光 分布 模式 ， 另外 ， 沙蚁 的 自身结构随着 长时间 的进化 ， 形成 了对太 阳光偏 振 方 向极其 敏感 的视觉神 经系统 。生物学 家研究 显示 ， 沙蚁 的视 网膜 是 由数百个 面向不 同方 向的视神经感 杆组成 ， 每 个神经感 杆包含 ２种物质 ， 它们分别 对互相 垂直 的偏振 光 敏感 。当体轴旋转 时 ， 偏振复 眼产 生关于偏 振光 的正 弦响 应 。当体 轴与太 阳子午 线平行时 响应 达到最 大 ， 进而判 断
ｔ ｎ ｍｉｓｏ ｉｔｎ ｅ ａ ｄ ｆ ｘｂ ｌ ｙ，ｔ ｉ ｃ ｎ ｅ ｉｎ ｏ ａ ｐ ｙ Ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ａ ｉ ａｉｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ａ ｄ ｓ ｂ ｅ ｔ ｎ ｒ ｓ ｓ ｉｎ ｄｓａ ｃ ｎ ｌ ｉ ｉ ｔ ｉ ｓ ｏ ｖ ｎ ｅ ｔ ｔ ｐ ｌ ． ｈ ｅ ｓ ｒ ｎ ｖ ｇ ｔ ｃ ａ ｉｍ ｎ ｕ ｓ ｃｉ ａ ｅ ｉ ｏ ｏ ｎ ｖ ｇ ｔ ｎ ａｇ ｒ ｈ ａｅ ａ ａｙ ｅ ． ｈ ｅ ｓ ｒ ｈ ｒ ｗ ｒ ｉｃ ｉ ａ ｄ ｓ ｆ ＇ ｐ ｏ ｒ ｍ ｒ ｅ ｉ ｎ ｄ， ｎ ｈ ｅ ｓ ｒ ａ ｉ ａｉ ｌｏ ｉ ｍ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ Ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ａ ｄ ａ ｅ ｃ ｒｕ ｔ ｎ ｏｔ ｅ ｒ ｇ ａ ａｅ ｄ ｓｇ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ｏ ｔ ｗｍ
ｏ ａ ａｉｎ ｔ ａ ｃ ｌｔ ａ ｉａｉ ｎ ａ ｇｅ ｔ ｒ ｕ ｈ ｓ ｂ ｅ ｔ ｎ ａ ｇ ｒｔ ｍ， ｔ ｈ ｓ ｈｇ ｅ ｏｕ ｉｎ， ｈ ｘ ｄ ｓ ｎ ｌ ｆｖ ｒ ｔ ｏ ｃ ｌｕ ａ ｅ ｎ ｖｇ ｔ ｎ ｌ ｈ ｏ ｇ ｕ ｓ ｃ ｉ ｌｏ ｉ ｉ ｏ ｏ ｏ ｈ ｉ ａ ｉｈ ｒ ｓ ｌ ｔ ｏ ｔｅ ｍｉｅ ｉ ａ ｇ
Ｃ ｉ—ｕ ， Ｉ ｉ ， Ｈ Ｎ Ｗｅ －ｎ ，ＷＡ Ｇ Ｙｎｌｎ ＨＵ Ｊ ｋ ｉ ＬＮ Ｌｎ Ｃ Ｅ ｎｊ ｇ ｎ ｉ Ｎ ｉ－ ｇ ｏ
（ ｙ Ｌａ ｏ ａｏ ｙｏ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｉｉｎ＆ Ｎｏ －ｒ ｄ ｔ ｎ ｌ ｃ ｉ ｉｇ ｏ ｎｓｒ ｆＥｄ ｃ ｔ ｎ， Ｋｅ ｂ ｒ ｔｒ ｆＴｅｈ ｏｏ ｙ Ｐｒｃｓｏ ｎ ｔａ ｉ ｏ ａ ｉ Ｍａ ｈｎｎ ｆＭｉ ｉ ｙ ｏ ｕ ａｉ ｔ ｏ
１ 工 作 原 理
ｏ５。 ［ — ＿ ］・ ・ｌ — ｇ
１ ｄ ｏ （ ０一 ） － ｃｓ ２
（） ３
而 Байду номын сангаас
（ ｌ２３ ， ，，）变换后， 可以得到 ３ 个入射的天空偏振
１ １ 模 型搭 建 ．
沙漠蚂蚁 Ｃ ｔｇ ｐ ｉ 沙漠 中经 过 曲折 的 路线 觅食 ａ ｌ ｈｓ在 ａｙ
ａ ｄ ｈ ｓ ｂ ｏ ｄ ａ ｌｃ ｔｏ ｏ ｐ ｃ ｎ ｎａ ｉａｉ ｎ ｓ ｔｍ ． ｎ ａ ｒ ａ ｐｐ ｉａｉ ｎ ｐｒｓ ｅ ｔｉ ｖｇ ｔｏ ｙｓｅ Ｋ ｅ ｏ ｄｓ： ｂｏ ｃ； ｏａ ｚ ｄ ｌｇ ； ｓ ｎ ｏ ；ｎ ｖ ｇ ｔｏ Ｍ Ｓ ３０ ｙｗ ｒ ｉｎｉ ｐ ｌｒ ｅ ｉｈｔ ｅ ｓ ｒ ａ ｉ ａｉｎ； Ｐ４ ｉ
ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｖ ｒｆ ｓｔ ａ ｈ ｏａ ｉｅ ｉｈ ｅ ｓ ｒ ｎ ｖｇ ｔ ｓｉ ｄ ｐ ｎ ｅ ｔ ｉ ｈ ｓ ｈｇ ｒ ｃ ｓ ｎ ａ ｄ ｗｏｋ ｔｂ ｙ ｘｅ ｉ ｎ ｅ ｉ ｅ ｈ ｔ ｅ ｐ ｌｒ ｄ ｌ ｔｓ ｎ ｏ ａ ｉａｅ ｎ ｅ ｅ ｄ ｎ ｌ ｔ ａ ｉｈ ｐ ｅ ｉｉ ｎ ｒ ｓ ｓａ ｌ ｉ ｔ ｚ ｇ ｙ， ｏ
来 越 受 社 会 关 注 。这 些 研 究 最 终 目的就 是 为 了探 索 千 万 年
多 昆虫 的迁移 、 觅食都是利 用天 空偏 振光导 航 ， 例如 ： 蜘蛛 利用二 阶眼结 构 过 滤偏 振 光信 息 找到 回巢 穴 的方 向 Ｊ ，
Ｋｎｓｉ ｉｏｈｔ Ｍ等人研究分析 了沙漠蝗虫 的脑神经 的光谱特性 ａ 反应与外界偏 振光 方 向相 对应 Ｊ 。ＷｅｎｒＲ等 人讨 论利 ｈｅ
＝
０５。［ — — ・ｌ — ｇ
］，
（） ２
１－ ｓ２ 一 ） ｄ ｏ（ ０ ｃ １＋ ｃｓ ２ ） ｄ ｏ（ 一
测试传 感 器 性 能 的 实 验 平 台 ， 行 了室 内 室 外 测 试 实 进 验 ， 陈文静 、 王洪青等 人对传 感器 性能 进行 了相 应的 改
用 偏 振 光 进 行 导 航 是 可 行 的 Ｌ ，Ｌｍｂ ｎ ｓＤ 等 人 研 究 出 ５ ａ ｒ ｏ ｊ ｉ
一
演变后 的 自然界 ， 并将研究成果运用到生产和生活 中。 自然界蕴藏 的无穷本 领 中， 最令 人惊 叹的便 是昆虫 的
导航本 领 。尽管 它 们 个 体 微 小 ， 拥 有 精 密 的 “ 航 仪 却 导 器” 沙哈拉沙漠 的一 种蚂 蚁 Ｃ ｔ ｌ ｈ ， ａ ｇ ｐｉ ａ ｙ ｓ到距 离巢 穴 ２ ０ ０ｍ
关键词 ：仿生 ；偏振光 ； 传感器 ； 导航 ； Ｐ３ ＭＳ ４ ０
中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ４ １ Ｔ ９ ． Ｐ ９ ． ； Ｈ６ １９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ － ７７ ２ １ ）８０ ０ －４ ０ ０９ ８ （０ ２ ０－ １ ７０
Ｄｅ ｉ ｎ ａ ｄ ｒ ａ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｉ ｏ ａ ｉ ｅ ｉ ｈ ｓｇ ｎ ｅ ｌｚ ｔｏ ｆｂｉ ｎ ｃ ｐ ｌ ｒｚ ｄ ｌｇ ｔ ｎ ｖ ｇ ｔｏ ｅ ｓ ｒ ｂａ ｅ ｎ Ｍ Ｓ ３ ａ ｉ ａ ｉｎ ｓ ｎ ｏ ｓ ｄ ｏ Ｐ４ ０
］ ， 一ａ ］ １ ， ｎ ［ ］ 焉 ．
善， 并且进行 了机器人导航实验 。 本文在前 人工作 的基础上改 进 了传感 器导航模 型 ， 分 段导航算法提高 了传感 器 的分辨 率 ； 设计 了以 ＭＳ ４ ０为 Ｐ３ 核心的硬件系统和软件 系统 ， 并分别 在 暗场 和均 匀光场 环 境下对传感器样机进 行 了性 能标 定测试 。结 果表 明 ： 传 该 感器精度高 ， 性能稳定 ， 功耗低 ， 通信方便 ， 应用前景广 阔。
ＤａｉｎＵ ｉｅｓ ｙｏ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｄ ｌ ｎ１６ ２ Ｃ ｉａ ｌ ｎｖ ｒｉ ｆ ｃ ｎ ｌｇ ， ａｉ １ ０３， ｈｎ ） ａ ｔ Ｔ ａ
Ａｂｓ ｒ ｃ ｔ ａ ｔ： Ａｃ ｏ ｄｎｇ ｔ ｈｅｄｅ ｅ ａ ｔ ｔ ｇｙ ｈｉ ｖ ｇ ｔｏ ｃ ｎ ｓ ，ｕｂ ｅ ｔｏ ａ ｉ ａｉｎ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｓｕｓｄ ｃ ｒ ｉ ｏ ｔ ｓ ￣ ｎ ｓＣａ ａ ｌ ｐ ｓｎａ ｉ ａｉｎ ｍｅ ｈａ ｉｍ ｓ ｓ ｃ ｉｎ ｎ ｖ ｇ ｔｏ ｌｏ ｈ ｉ ｅ ｉ ｔ ｅ ｅ ｒ ｈ ｔ ｅ ｐ ｌ ｒｚ ｄ ｌｇ ｔｎａ ｉａｉ ｎ ｓ ｎｓ ｒｕ ｉ ｇ Ｍ Ｓ ４３０ ａ ｏ ｔｏ ｏ ｅ Ｔｈ ｅ ｏ ｓ ｗｏ ｖ ｈａ ｅｓｇ ａ ｓ ｏ ｒ ｓ ａ ｃ ｈ ｏ ａ ｅ ｉｈ ｖｇ ｔｏ ｅ ｏ ｓｎ Ｐ ｉ ｓｃ ｎ ｒｌｃ ｒ ． ｅ ｓ ｎｓ ｒｕ ｅｓｔ ｏ ｇ ｉｎ ｌ
收稿 日期 ：０ ２ ０ － ７ ２ １－ ２ ２ ｝基金项 目： 国家“ ７ ” ９ ３ 重点基础研究发展计划资助项 目（ ０ １ Ｂ ０ １５；０ １ Ｂ ０ １１ ２１Ｃ ３２０ ２１Ｃ ３２０ ）
传感 器与微系统 （ ｒｎｄｃｒ ｎ ｃｏｙｔ ｅｈ ｏ ｇ ｓ Ｔａｓｕｅ ｄＭｉ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎ ｌ ｉ ） ａ ｒ ｅ ｏｅ
１７ ０
基 于 ＭＳ ４ ０的仿 生偏 振 光 导 航传 感 器 的设 计 与 实现 Ｐ３
褚金 奎 ， 林 林 ，陈文静 ，王 寅龙
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（ 连 理 工 大 学 精 密 特 种 加 工教 育部 重 点 实验 室 ， 宁 大 连 １６ ２ ） 大 辽 １０ ３
摘
要 ：根据沙 漠蚂蚁 Ｃ ｔ ｌ ｈｓ ａ ｇ ｐ ｉ 的导航机 理 ， 用分段导航 算法研制 了以 ＭＳ ４ ０为控 制核心 的偏 振 ａｙ 采 Ｐ３
光导航传感器 。该传感器利用分段算法通过 变化 明显 的两路电压信号计算导航角 ， 分辨率高 ， 采用混合信 号处理器降低传感器功耗 ， 无线通信方式增加 了信号传输距离和灵活性 ， 方便应用 。分析了传感 器导航机
理和分段导航算法 ； 设计 传感器的硬件电路和软件程序 ， 制作传感器样机 ； 了测试传感器 的性能 ， 为 在标定
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关键词 ：仿生 ；偏振光 ； 传感器 ； 导航 ； Ｐ３ ＭＳ ４ ０
中 图分 类 号 ：Ｔ ３ ４ １ Ｔ ９ ． Ｐ ９ ． ； Ｈ６ １９ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１０ － ７７ ２ １ ）８０ ０ －４ ０ ０９ ８ （０ ２ ０－ １ ７０
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善， 并且进行 了机器人导航实验 。 本文在前 人工作 的基础上改 进 了传感 器导航模 型 ， 分 段导航算法提高 了传感 器 的分辨 率 ； 设计 了以 ＭＳ ４ ０为 Ｐ３ 核心的硬件系统和软件 系统 ， 并分别 在 暗场 和均 匀光场 环 境下对传感器样机进 行 了性 能标 定测试 。结 果表 明 ： 传 该 感器精度高 ， 性能稳定 ， 功耗低 ， 通信方便 ， 应用前景广 阔。
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收稿 日期 ：０ ２ ０ － ７ ２ １－ ２ ２ ｝基金项 目： 国家“ ７ ” ９ ３ 重点基础研究发展计划资助项 目（ ０ １ Ｂ ０ １５；０ １ Ｂ ０ １１ ２１Ｃ ３２０ ２１Ｃ ３２０ ）
