复眼偏振光导航,无GPS机器人也能回家

无人机 2019-03-24 21:38

美国《每日科学》网站近日报道,法国研究人员受沙漠蚂蚁的启发,研制出一款新型“蚂蚁机器人”(AntBot),无需全球定位系统(GPS)就可以自由探索周围环境并自动返回的行走机器人。这项研究为自动驾驶车辆和无人机导航开辟了新途径。


昆虫复眼具有导航和定位能力其精巧的组织、器官和结构经过数亿年的进化形成的生物功能和物理机能,大连理工大学微系统研究中心褚金奎团队在我国于2004年开展了仿昆虫复眼偏振敏感结构、不依赖卫星导航的微纳传感器研究,在全球定位技术的研究中取得创新性成果,研究成果“偏振遥感物理机理、关键方法与技术应用”,获2015年国家技术发明奖二等奖。

偏振光是光的第四维信息,在光的传播过程中,具有特定的振动方向,该振动方向被识别就可以作为导向信息被利用,光在大气的传播过程中形成了少量的偏振光,且偏振光波的分布还具有空间分布的稳定性和时间分布的可重复性,因此生物通过亿万年进化选择利用偏振光进行定位和导航。近年来,各国科学家开始对昆虫复眼的神奇功能进行探索,发现昆虫复眼神经感杆对偏振光敏感,于是开始研发模仿昆虫复眼的偏振敏感机理的导航技术。

展开基于仿生机理的导航和定位技术的研制,是为汲取生物飞行中自主导航、抗干扰、适应性强的特点。目前大多数国家移动设备是由卫星系统(GPS、GLONASS、北斗)导航,战时很容易受到破坏和干扰,为争夺在军事上信息不对称优势和增强精确打击能力,各发达国家正在大力发展多种新型自主导航系统。

对天空偏振光分布规律和多通道式仿生偏振导航传感器进行研究,采用纳米级加工手段制作了测角精度高于0.1°、高精度仿生偏振光导航原理,经机器人导航检测,实现了移动机器人精确轨迹规划实验,微纳传感器可以充分利用于移动设备导航,搭建全新的导航系统。可为机器人及无人机等技术领域提供一种强有力的自主导航定位手段。

    人眼对偏振光和紫外线辐射并不敏感,但蚂蚁却用此来给自己定位,箭蚁属(Cataglyphis)沙漠蚂蚁在这方面尤为突出,它们可以在沙漠阳光的直射下行走几百米寻找食物,然后直线返回巢穴,而不会迷路。


    研究人员指出,沙漠蚂蚁非凡的导航天赋依赖两条信息:使用一种“天体指南针”借助太阳的偏振光来测量航向,从而给自身定位;通过简单计算行走的步数并结合它们相对于太阳的运动率测量行走的距离。一旦距离和航向这两个基本信息相组合,它们就可以顺利班师回巢。


    法国国家科学研究中心(CNRS)和艾克斯-马赛大学(AMU)的研究人员设计的全新的“蚂蚁机器人”正是复制了沙漠蚂蚁这种卓越的导航能力。该机器人配备了一个光学罗盘,用于通过偏振光确定其前进的方向;并通过一个指向太阳的光学运动传感器来测量所行进的距离。



在实验中,“蚂蚁机器人”利用这些信息,就能像沙漠蚂蚁一样,探索周围环境并在行进了14米后自行回家,精确度达1厘米。该机器人重量仅为2.3千克,有6只脚,使其可以在轮式机器人和无人机部署非常困难的复杂环境(如灾区、崎岖的地形、探索外星土壤等)中移动。


研究人员指出,“蚂蚁机器人”也有助于科学家进一步加强对沙漠蚂蚁如何导航的理解。不过,在将该机器人用作航空机器人或用于汽车工业领域前,他们必须厘清在夜间或更长距离如何操作该机器人。

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