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高隽，范之国 著

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• 仿生学
• 偏振光
• 导航
• 生物导航
• 光学
• 传感器
• 机器人
• 动物行为
• 信息处理
• 控制工程

店铺： 中图天下图书专营店

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030420978

商品编码：29426782483

包装：平装

出版时间：2015-12-01

基本信息

书名：仿生偏振光导航方法

定价：59.0元

作者：高隽,范之国

出版社：科学出版社

出版日期：2015-12-01

ISBN：9787030420978

字数：224

页码：

版次：31

装帧：平装

开本：B5

商品重量：0.4kg

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导语_点评_词

内容提要

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目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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序言

仿生偏振光导航方法 核心内容概述 本书深入探索了模仿生物体利用天空偏振光进行导航的机制，并在此基础上提出了一系列创新的导航方法。我们将从生物学的视角出发，剖析多种动物（如蜜蜂、蚂蚁、鸽子、甲虫等）如何在感知和利用天空偏振光模式进行空间定位和路径规划。在此基础上，本书将详细介绍将这些生物学原理转化为工程化导航系统的技术细节，包括偏振光传感器的设计、信号处理算法、以及如何克服环境干扰等关键问题。最终，本书旨在为开发新一代自主导航系统提供理论依据和技术指导，尤其是在GPS信号受限或失效的复杂环境中，仿生偏振光导航方法将展现出其独特的优势和广阔的应用前景。 第一章：生物体中的偏振光导航：自然界的指南针 本章将带领读者走进一个奇妙的生物学世界，探究为何许多生物能够在大自然中精确地找到方向，仿佛拥有天然的“指南针”。我们将聚焦于“天空偏振光”这一被长期忽视但却至关重要的线索。 天空偏振光的基本原理： 首先，我们将从物理学角度解释天空偏振光是如何产生的。阳光照射到大气中的分子和尘埃粒子时会发生瑞利散射，使得光波在散射过程中产生定向性，形成特定的偏振模式。这种偏振模式在天空不同区域具有高度的规律性，其方向与太阳的位置紧密相关，即使在阴天，云层对偏振光的影响也相对可控。我们将深入探讨偏振光的基本概念，如偏振度、偏振角，以及它们在天空中的分布规律，并介绍相关的物理模型。 动物的视觉系统与偏振光感知： 接下来，我们将重点介绍不同动物的眼睛是如何感知并利用这些偏振光信息的。许多昆虫，如蜜蜂、蚂蚁，拥有能感知偏振光特定方向的复眼结构，它们的视觉系统能够解析天空偏振图，并将其转化为导航指令。鸟类，特别是鸽子，其眼部视网膜上的特定细胞（如蓝色细胞）被证实对偏振光敏感，这在它们的远距离迁徙中扮演着关键角色。我们还将探讨一些较为独特的例子，如甲虫通过腹部感受器感知偏振光，以及某些水生生物如何利用水面偏振光来判断方向。 偏振光导航在生物体中的具体应用： 本节将详细阐述生物体如何将接收到的偏振光信息转化为实际的导航行为。例如，蜜蜂利用天空偏振光来确定相对于太阳的方向，即使在视线被遮挡的情况下也能准确返回蜂巢。鸽子在迷失方向时，能够通过天空偏振光来重新校准其内部的“指南针”。蚂蚁在觅食归来时，会根据日照方向和地貌特征，并结合天空偏振光线索，规划出最优的返回路径。我们将引用大量的科学研究和实验证据，展示这些生物导航机制的精妙之处。 生物导航的优势与局限性： 最后，本章将总结生物体利用偏振光导航的显著优势，如其在无参照物环境下的鲁棒性、低能耗等。同时，也会分析其局限性，如对光照条件的依赖性、以及感知能力的特异性等，为后续的工程化仿生设计奠定基础。 第二章：仿生偏振光导航系统的关键技术 在理解了生物体的导航奥秘后，本章将聚焦于如何将这些生物学原理转化为可行的工程化导航系统。我们将从硬件设计、算法开发和系统集成等多个维度进行深入探讨。 偏振光传感器的设计与实现： 核心在于开发能够精确、高效地测量天空偏振光信息的光学传感器。我们将介绍不同类型的偏振光传感器，包括使用起偏器（如滤光片）和检偏器（如渥拉斯顿棱镜）的传统方法，以及近年来兴起的基于液晶、纳米结构阵列等新型偏振敏感材料的设计。重点将放在如何设计一种能够在宽广视场范围内、快速、稳定地捕捉天空偏振模式的传感器。我们将详细讨论传感器的光谱响应、空间分辨率、测量精度等关键参数的设计考量，并分析不同传感器架构的优缺点。 偏振光信号的处理与信息提取： 传感器捕获的原始偏振光数据需要经过复杂的信号处理才能转化为有用的导航信息。本节将介绍一系列信号处理算法，包括噪声抑制、图像校正、以及如何从偏振图像中提取关键的偏振度（DoP）和偏振角（AoP）信息。我们将重点介绍几种主要的偏振光导航信息提取方法，如基于图像分割的方法、基于特征匹配的方法，以及近年来兴起的机器学习和深度学习在偏振光模式识别中的应用。我们将探讨如何利用这些算法来反演出太阳的方向，即使在有云或部分遮挡的情况下也能保持较高的精度。 太阳位置的推算与导航解算： 一旦获得了精确的太阳位置信息，就可以将其与内部的航位推算（Dead Reckoning）或外部参考（如惯性测量单元IMU、磁力计）相结合，进行导航解算。本节将详细介绍如何利用太阳位置来校准航位推算误差，以及如何将偏振光导航信息融入到卡尔曼滤波、粒子滤波等状态估计算法中。我们将讨论如何在二维和三维空间中进行导航定位，以及如何处理因地理位置、时间和季节变化引起的太阳位置偏移问题。 环境干扰的建模与鲁棒性增强： 真实环境中存在各种干扰因素，如地面反射、人造光源、大气透明度变化等，这些都可能影响偏振光信号的准确性。本章将专门探讨如何对这些干扰进行建模，并开发相应的鲁棒性增强算法。我们将分析不同类型干扰对偏振光测量结果的影响，并提出相应的滤波、补偿或自适应校正技术。例如，通过多角度观测、组合不同类型的传感器信息、或者利用先验知识来区分天空偏振光与地面反射的偏振光。 系统集成与实验验证： 最后，本节将概述如何将上述各个模块有机地集成到一个完整的仿生偏振光导航系统中。我们将讨论硬件平台的选择、嵌入式系统的设计、以及软件系统的架构。此外，还将介绍如何设计和进行实验来验证系统的性能，包括在不同天气条件、不同地理环境下进行实地测试，以及与其他导航系统进行对比评估。 第三章：仿生偏振光导航系统的应用前景与挑战 本章将展望仿生偏振光导航技术的广阔应用前景，并深入分析当前面临的技术挑战以及未来的发展方向。 在无GPS环境下的应用： 鉴于GPS信号易受干扰、易被屏蔽的缺点，仿生偏振光导航系统在许多关键领域具有巨大的应用潜力。我们将重点探讨其在水下机器人、地下探测器、室内导航、以及军事领域的应用。例如，水下机器人可以在没有GPS信号的情况下，通过感知水面偏振光反射来确定自身位置和方向，实现自主导航。 在低功耗与小型化设备中的优势： 相比于依赖复杂硬件和强大计算资源的传统导航系统，仿生偏振光导航系统可以设计得更加轻便、低功耗，这对于无人机、微型机器人、以及可穿戴设备等应用场景至关重要。我们将分析如何优化传感器和算法，以满足这些设备对功耗和尺寸的严格要求。 与其他导航技术的融合： 仿生偏振光导航并非要完全取代现有的导航技术，而是可以与其进行有效的融合，形成混合导航系统，提高整体的鲁棒性和精度。本节将探讨如何将偏振光导航信息与IMU、视觉里程计（Visual Odometry）、地磁导航等技术相结合，形成优势互补的混合导航方案。 当前面临的技术挑战： 尽管前景光明，但仿生偏振光导航技术仍面临诸多挑战。我们将深入分析这些挑战，包括： 精度与可靠性： 如何在各种复杂的环境条件下（如多云、雾霾、强光照变化）保持高精度的太阳位置推算和导航定位。 实时性： 如何在保证精度的前提下，实现快速的偏振光信息提取和导航解算，满足动态场景的需求。 抗干扰能力： 如何有效识别和抑制来自地面、建筑、甚至其他光源的非天空偏振光干扰。 成本与小型化： 如何在保证性能的同时，降低传感器的成本，并实现系统的极致小型化。 标准化与互操作性： 缺乏统一的标准和评估体系，影响了技术的推广和应用。 未来发展趋势与研究方向： 本节将展望仿生偏振光导航技术的未来发展趋势。我们将讨论以下几个重要的研究方向： 先进偏振传感器技术： 探索新型高灵敏度、宽视场、低成本的偏振传感器材料和设计。 机器学习与人工智能在偏振光导航中的应用： 利用深度学习等技术，实现更智能、更鲁棒的偏振光模式识别和导航解算。 多模态信息融合： 进一步加强偏振光导航与其他传感器的融合，构建更全面的导航系统。 仿生机制的深入研究： 持续从生物体中汲取灵感，研究更精妙的偏振光感知和利用机制。 应用场景的拓展： 探索偏振光导航在更多新兴领域的应用，如智慧农业、环境监测、人机交互等。 结论： 本书通过对生物体偏振光导航机制的深入剖析，以及对仿生导航系统关键技术的详细阐述，旨在为开发新一代自主导航技术提供坚实的基础。仿生偏振光导航方法以其独特的优势，特别是在无GPS环境下的鲁棒性和低功耗特性，预示着在未来的自主系统领域将发挥越来越重要的作用。尽管挑战依然存在，但随着技术的不断进步和研究的深入，我们有理由相信，仿生偏振光导航必将成为实现未来智能导航不可或缺的关键技术之一。

评分☆☆☆☆☆

从拿到这本书的那一刻起，我就被它散发出的专业气息所吸引。封面上简洁而富有力量感的标题，似乎暗示着某种颠覆性的理论或开创性的技术。我的直觉告诉我，这绝非一本泛泛而谈的科普读物，而可能是一部严谨的学术专著，或者是对某一领域前沿探索的深入剖析。我开始想象，这本书的作者一定是一位在该领域深耕多年的专家，他将如何用其精湛的笔触，将复杂深奥的知识体系化，并以一种令人信服的方式呈现给读者。我尤其好奇，书中是否会引用大量的实验数据、理论模型，甚至是尚未公开的研究成果？这将是对我知识储备的一次极大的挑战，也是一次难得的学习机会。我希望这本书能够帮助我拓宽视野，理解那些 heretofore 难以理解的现象，甚至能够激发我进一步思考和研究的兴趣。或许，这本书将是我在学术道路上遇到的一个重要里程碑，它将教会我如何更批判性地思考问题，如何构建更严谨的论证，以及如何在这个瞬息万变的知识海洋中找到自己的方向。我期待着，这本书能够成为我案头不可或缺的参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字给我一种强烈的科幻感，仿佛它是一扇通往未来世界的窗户，让我窥探到那些尚未实现的奇思妙想。我猜想，这本书很可能探讨的是一些非常规的、甚至有些超乎想象的科技概念，它们可能来自于最新的科学猜想，或者是对自然界某种神奇现象的模仿与借鉴。我脑海中浮现出各种可能的场景：也许是关于生物体的独特能力，也许是关于人造智能的全新发展方向，又或者是关于人类如何与自然界更深层次地互动。我非常期待书中能够出现一些令人耳目一新的观点，能够颠覆我原有的认知，让我对“可能性”的边界产生更深刻的理解。我希望这本书不仅仅停留在理论层面，更能通过生动的案例或富有想象力的描述，将这些抽象的概念具象化，让我能够切身感受到科技进步所带来的震撼和魅力。这不仅仅是阅读，更是一次心智的冒险，一次对未知的勇敢探索，一次对人类智慧无限潜力的赞颂。

评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

这本书的标题带有一种浓厚的哲学韵味，让我联想到那些关于存在、意识、以及人类在宇宙中位置的宏大命题。我好奇，作者将如何从一个独特的视角切入，去解读这些深邃的问题。是会从历史的角度梳理人类对这些问题的思考脉络？还是会引入最新的科学发现，来为这些哲学思考提供新的佐证？我设想，这本书的语言风格可能不会像学术论文那样晦涩难懂，而是会更加注重情感的表达和思想的共鸣。我期待书中能够出现一些充满智慧的哲理，它们可能简单却深刻，能够触动我的内心，让我对生活有新的感悟。我希望这本书能够引导我去反思一些我习以为常的事情，去质疑一些我从未怀疑过的观念，从而获得更清晰的自我认知，以及对世界更深刻的理解。这是一种精神上的滋养，一次灵魂的洗礼，一种帮助我拨开迷雾、看清前路的灯塔。

评分☆☆☆☆☆

当我看到这本书的名称时，脑海中立刻浮现出一种充满神秘感和探索精神的画面。我隐约感觉到，这本书很可能讲述的是一段关于发现、关于突破，甚至关于挑战极限的历程。我猜测，其中或许会包含一些在严酷环境下进行的科学考察，或者是为了解开某个自然之谜而付出的不懈努力。我期待书中能够描绘出那些令人惊心动魄的场景，以及那些在困难面前展现出的勇气和智慧。我希望作者能够用细腻的笔触，将那些幕后的艰辛、科学家的执着、以及最终的 Eureka 时刻，都生动地展现在我眼前。这本书对我来说，可能不仅仅是知识的获取，更是一种精神的激励。它或许会让我明白，每一个伟大的成就背后，都蕴藏着无数的汗水和坚持。它让我看到，人类的探索精神是如此的伟大，我们总是在不断地挑战自己的极限，去追求那些看似不可能的目标。