吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室,吉林 长春 130012
生物复眼具有良好的光学特性,如视野大、体积小、无像差、对运动物体敏感等。而对运动物体敏感对昆虫十分重要,如飞行昆虫觅食时需要追逐小型、快速移动的目标等。受昆虫复眼对运动物体敏感的启发,制备了具有5个小眼的单层复眼,每个小眼由1个菲涅耳透镜构成。通过飞秒激光双光子聚合加工技术和软光刻复写技术,制备出具有高精度和可重复性的柔性仿生复眼。实验结果表明,该仿生复眼可以获得可辨识的图像并且可以用于追踪运动目标。
飞秒激光 激光技术 柔性仿生复眼 菲涅耳透镜 软光刻 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0522001
1 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院 机器人研究所,上海20620
2 上海市大型构件智能制造机器人技术协同创新中心,上海0160
为拓展光纤光栅在机器人智能感知领域的应用,设计了光纤光栅感知护具并研发了光纤光栅波电转换系统及其人机仿生跟随的交互操控算法。感知护具中设置有3个光纤布拉格光栅传感单元,主要包括弹性绳的拉力环。通过拉力环对光纤光栅施加预紧力,可有效避免由于衣物或皮肤聚集引起的牵引力方向偏移。光纤光栅波电转换系统对人体手臂的肘关节弯曲角度、腕关节俯仰角度、指关节开合角度进行运动姿态特征提取,分别对应控制机械臂的方向、高度和机械爪开合角度。构建了人体手臂运动角度范围和机械臂运动角度量程的对应关系,获取了检测系数和控制系数,最终通过动态实时波长与PWM控制电信号的转换推导出系统的波电转换系数。实验结果显示,在实验量程内,机械臂的方向、高度、开合控制输出的波电转换系数最大累积误差分别是0.771 11%,1.992 91%,0.341 17%,3个控制角度的输出偏差分别为1.135 60°,1.720 56°,1.826 57°。光纤光栅波电转换的仿生跟随方法具有良好的控制精度,实现了机械臂运动与人体手臂运动的仿生跟随,为智能机器人仿生跟随的深入研究奠定了理论基础。
光纤布拉格光栅 仿生跟随 波电转换 姿态特征 optical fiber Bragg grating bionic tracing wave-electric conversion posture feature 光学 精密工程
2023, 31(23): 3414
1 重庆理工大学光纤传感与光电检测重庆市重点实验室,重庆 400054
2 重庆邮电大学通信与信息工程学院,重庆 400065
人类指尖的指纹图案以及互锁的表皮-真皮微结构在放大触觉信号并将其传递给各种机械感受器方面发挥着关键作用,从而实现对各种静态和动态触觉信号的时空感知。本文报道了一种受指尖皮肤微结构启发的微纳光纤柔性触觉传感器,该传感器具有环形脊的指纹状表面、错峰互锁的微结构以及刚度差异化的树脂/聚二甲基硅氧烷多层结构。通过这些设计特征,传感器能够以高耐久性、高灵敏度(20.58 %N-1)、快速响应(86 ms)及大动态范围(0~16 N)检测多种时空触觉刺激,包括静态、动态压力和振动,并能够识别物体的硬度和表面纹理差异。该传感器具有结构紧凑、制作简便、易集成、抗电磁干扰等优点,可被应用于机器人皮肤、可穿戴传感器和医疗诊断设备中。
光纤传感器 微纳光纤 仿生触觉 压力 皮肤指纹微结构 光学学报
2023, 43(21): 2106004
1 微米纳米加工技术全国重点实验室, 上海 200241
2 上海交通大学 微纳电子学系, 上海 200241
近年来仿生扑翼飞行器利用视觉系统自主飞行成为一个具有广泛前景的研究方向, 然而, 其有限的带载能力对视觉传感器的类型、尺寸和重量提出了严格要求。目前商用图像处理模块的尺寸和重量较大, 且需要回传图像信息至地面控制系统处理, 文章旨在设计一款轻量化机载单目视觉系统, 帮助微型仿生扑翼飞行器获取外界信息并实现智能自主的飞行。相比于其他图像处理模块, 此系统以国产高算力芯片K210为核心进行设计, 可脱离电脑端完成图像处理, 尺寸仅为2.2cm×2.3cm, 重量仅为3g, 内部兼容轻量化网络模型实现分类识别, 通过串口进行信息交互, 控制扑翼飞行器实现手势识别和目标追踪。
仿生飞行器 单目视觉系统 卷积神经网络 轻量化 目标识别 机载图像处理 串口通信 自主飞行 bionic aircraft monocular vision system convolution neural network lightweight target recognition onboard image processing serial communication autonomous flight
北京理工大学光电学院,光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京 100081
热成像技术具有广泛的应用领域,随着红外焦平面探测器及数字图像处理技术的发展,新型热成像模式及其图像处理技术成为国内外发展的重要方向。介绍了近年来研究的几个典型进展,其中改进的基于场景特征的时域高通与空域低通滤波结合的非均匀性校正方法能够有效滤除制冷热成像系统观察低温天空场景时的水波纹固定图案噪声,并在FPGA 硬件平台上实现了算法移植;研制出红外分焦平面偏振片阵列,实现了中波制冷和长波非制冷红外焦平面探测器的耦合成像,并通过考虑偏振片效应的偏振成像模型,滤除光路中偏振片的辐射影响;研制出基于常规制冷长波红外焦平面探测器的超频高动态热成像系统,在FPGA实现了多积分时间图像融合-细节增强级联的HDR图像融合方法,实现了对高动态场景的实时成像;研究了“田”字型四孔径和“十”字型四/五孔径等三类紧凑型视场部分重叠仿生复眼热成像模式,研制了2套实验系统来验证该方法的有效性;提出一种基于双生成对抗网络的非配对热红外-可见光图像转换算法TIV-Net,该方法能够将热图像有效地转化为类彩色可见光图像,并在无人机等平台实现了不低于20 Hz的实时处理。以上具有创新性的技术突破或已获得应用或展现良好的应用前景,将是进一步研究完善的重要方向。
图像处理 热成像 高动态范围 偏振成像 仿生复眼 彩色化 光学学报
2023, 43(15): 1510001
西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
仿生复眼系统解决了传统单孔径光学系统中视场与分辨率的矛盾关系, 兼具了较大的视场和高分辨率。但随着视场和分辨率的增加, 图像信息增多, 随之带来了图像拼接中效率和质量问题。针对该问题, 提出一种基于改进尺度不变特征转换(SIFT)算法和主成分分析(PCA)算法的仿生复眼多路图像拼接融合方法。该方法缩小了特征点提取区域, 减少了多路图像特征点匹配次数, 降低了图像特征点描述符的维度。再利用改进的自适应迭代随机抽样一致(RANSAC)算法对特征点进行提纯增加鲁棒性, 最后通过加权平均算法来完成对多幅子图像的高质量融合。实验结果表明, 该算法设计合理, 且随着图像信息的复杂程度增加, 相较传统算法的拼接效率不断提升, 同时保证了较好的拼接质量, 可有效拼接融合仿生复眼系统多路图像, 对多路图像类系统拼接融合提供借鉴。
图像处理 仿生复眼系统 多图像迭代拼接 描述符降维 随机抽样一致性 image processing bionic compound eye system iterative stitching of multiple images descriptor dimensionality reduction random sampling consistency
1 河海大学计算机与信息学院, 江苏 南京 211106
2 南京工程学院计算机工程学院, 江苏 南京 211167
随着类果蝇复眼视觉神经计算建模技术的快速发展, 如何提高运动目标的实时检测追踪等仿生应用能力成为类果蝇复眼视觉神经领域的研究难题, 所以研究类果蝇复眼视觉神经计算建模及其仿生应用具有非常重要的意义。类果蝇复眼视觉神经系统是一个高度平行的专用视觉神经网络模型, 并具有适度的复杂性以允许快速进行视觉信息处理。本文首先从类果蝇复眼的生理结构、感光细胞的光电转换、视叶神经的加工处理、中央脑的认知抉择 4个部分详细阐述类果蝇复眼视觉神经计算建模的研究现状, 然后介绍类果蝇复眼视觉神经计算建模在**与民用领域的典型仿生应用, 最后展望了类果蝇复眼视觉神经计算建模的发展趋势与挑战。
类果蝇复眼 视觉神经 仿生应用 光电转换 视叶神经 认知抉择 Drosophila-like compound eye visual nerve bionic application photoelectric conversion optic lobe nerve cognitive decision
大连理工大学机械工程学院微系统研究中心, 辽宁 大连 116000
面对长距离复杂场景下的自主移动机器人导航问题, 仿生鼠脑的RatSLAM相较传统SLAM更加高效。但完全依赖视觉信息, 导致其精度不高、可靠性不足。通过引入天空偏振光定向, 高效地提供精准的绝对航向角, 可以弥补RatSLAM的不足。设计并搭建了一种偏振光仿鼠脑导航系统及导航实验平台, 经过室外道路实验验证了系统的性能, 并与RatSLAM进行了比较。实验结果表明,偏振光仿鼠脑导航系统和RatSLAM的平均位置误差分别为3.65 m和26.29 m, 平均角度误差分别为0.36°和2.39°。该系统减少了累积误差, 实现了高效、强鲁棒性、轻量化的自主导航。
实时定位与地图构建 仿生导航 偏振光传感器 自主移动机器人 simultaneous localization and mapping bionic navigation polarization sensor RatSLAM RatSLAM autonomous mobile robot