导航定位技术论文

1、生物与导 航定位（姚欢 912102380130 ）引言:在自然界中，动物都有判别方向的本领，有些生物更是导航方面的专家， 中国人很早就知道利用生物的这个特性，比如用信鸽传信，中国有句古话叫做“好马识途 ”，说明了连马儿都知道判 别 方向。随着科技的发展，人们对于动物 的导航早已超出了这个范围，如今，许多科学家都在致力于利用动物自己的导航本领，研究动物机器人，让动物得到人的控制。而这些，与机械式的导航有着很大的差别，但也不排除在生物界能找到像卫星导航这样的模型。研究动物的导航机理，通过仿生学的手段，或许将为我们的导航技术提供新的思路。开发出新的导航技术，设想如果通过生物学的方法，开发出能够识别

2、动物的思维信息的系统，这将对我们的导航技术产生革命式的影响。另一方面，在生物学领域，导航定位技术可以发挥很大是的用途，现在的 科学家利用导航定位的工具，研究动物种群的行为，利用卫星技术，让测量 种 群密度等变得非常简单。动物学家们也可以利用这个工具来跟踪动物，在中 央 电视台的一期节目中，就可以利用导航定位技术来进行跟踪，而不对动物的 行 为产生认为的干扰。如今导航定位技术已经深入到各个领域，她在渔业，在 森 林火灾预警等方面都是最根本的技术。导航星定位技术在管理学上也有广泛 的 应用价值，更是现代军事斗争中不可缺少的利器！本文将从导航的生物学机 理 和导航定位技术在生物学和生物学有关产业的应

3、用做一个讨论。动物的定位导航行为和机理几乎所有的动物都要具备感知，定位的的能力。像人类就是利用感觉器官， 经过大脑处理信息，当然还有利用到脑的储存功能，来判别方向。用眼睛收 到 的图像与记忆的图像匹配来导航。在定位导航系统中，卫星和定位设备间通 过 电磁波或是声波等来信息交流，而人类开发的处理系统就像是大脑一样，起 着 相同的功能。动物利用的信息主要是物理信息几种：1.利用电磁波有眼睛的动物都利用可见光来定位物体。与人相比，有的动物的视力要差 多了，比如熊的视力就很差。而鹰的视力就非常好，一般鹰的眼睛能分辨 10 公 里以外的小动物，堪称小雷达。当然，动物们不仅能够像人类一样利用可见 光， 很

4、多动物能够利用非可见光，蛇就能利用物体的热辐射的红外线。因为在蛇 的眼睛和鼻孔之间叫颊窝的地方有一个叫做热眼的颊窝，颊窝一般深5mm只有1cm长，呈喇叭形，外面有热收集器能够接收小动物身上 发出来的红外辐射。一般来说要有好的视力，必须有一个较大的大脑来处理。动物的眼睛结构 基本相同。一般视力好的动物的眼球较大。而视力的好坏主要由眼睛的结构和眼睛的生物活性有关。在地球上的动物中，山鹰的眼睛最为敏锐。研究发现：其奥妙就在于鹰眼中含有极为丰富的硒元素，高出人类一百多倍。硒对视觉器官的功能是极为重要的，支配眼球活动的肌肉收缩，瞳孔的扩大和缩小，眼辨色力的正常均需要硒的参与。硒也是机体内一种非特异抗氧化

5、剂谷胱甘肽过氧化酶的重要成分之一，而这种物质能清除人体内（包括眼睛）的过氧化物和自由基，使眼睛免受损害。在眼睛中，感受和处理光信息的最小单位是细胞，眼睛有两大功能，一个是经眼睛的光学系统 在眼底形成物体的像，另 一个是视网膜将物象的光 转换并加工成神经冲动， 经由视神经将冲动传入视 觉中枢，从而产生视觉。普通人的视网膜拥有500万个锥形细胞，这些锥形细胞是用来感受视觉色彩的, 可以把人的眼睛想像成等同于 500万像素。但是，在眼睛里面还有一亿个棒 状 细胞，它们是用来感受单色对比度、明暗的，在你眼睛所示画面的锐利程度方面扮演着重要的角色。人的两个眼睛持续地抓取着周围的景象，希望能够获取比视野更

6、大的可视区域，然后把这些区域在大脑中拼合起来,就像拼接照片一样，获得了全景图。在光线好的情况下，只要两个细线分开的距离不少于0.6弧度（0.01度），我们眼睛可以把它们分辨出来。就是说等效像素 大小是0.3弧度。保守估计眼睛的水平可视角度是 120度，垂直可视角度是60 度，换算下来等于5.76亿像素的图像数据。60 * 120 / 0.005 / 0.015.76 * 10 A 8应该指出，利用电磁波的视觉导航是动物界最一般的方式，就连蚂蚁都利用自己非常弱的视力来在大脑形成周围环境的景象并将信息储存起来，它可以利用视觉接收的信息和大脑储存的相对比来完成自身的定位导航。这也是现在 地形匹配导航

7、的思想来源。蜜蜂用来保证自己平稳着陆的技巧可以用来控制无 人驾驶飞机的着陆 。实验发现，蜜 蜂着陆时的飞行速度与它们离地面的高度 总是成比 例地减慢。经验告诉我们：当我们向前运动时，离一个物体越近，它向我们奔来并越过我们的速度就越快。同样，如果蜜蜂以一个恒定的速度着陆，地面就会越来越快地向它们扑来。因此，蜜蜂在着陆过程中，让地面的影像越 过自己视野的时候速度保持恒定，这样蜜蜂就会自动减慢它们的着陆速度，使 在接触地面 的那一瞬间速度为零。蜜蜂着陆的精妙之处，就在于它利用视觉来进行自然导航，不需要了 解自己速度的准确数字，也不需要知道自己离地面有多高，只需要知道地面影像越过自己视野时的速度。对蜜

8、蜂来说，这种导航只是它神经系统的某种特异化。科学家们进行了实验验证，他们在一台计算机控 制的起重机的吊钩上安装了一台向下的摄像机。当保持地面影像移动速度恒定 时，吊钩达到地面的运动刚好停止。类似这样的视觉导航系统对微型飞行器来说是很有价值的，它能引导微型飞行器穿梭于建筑物之间，而不会因速度太快撞在墙壁上。现在科学家们正在试制一架带有蜜蜂导航系统的无人驾驶飞机，希望它能像蜜蜂一样安全轻盈地着陆。2.利用声波声音也是动物常用的的导航工具，常见的雷达定位导航和声呐的生物模型 就是蝙蝠。蝙蝠能够发射超声波，根据物体对声波的反射，对接收的声波进行处理，就能很容易得到自己与障碍物的距离。这种方法如今已经得

9、到广泛的应用，几乎所有的导航定位系统都离不开这种思想。当然除了蝙蝠，其他动物也利用声波。相比于视觉，这种方法属于自主式的，而人类等其他动物更多的是被动式利用声波。3利用电磁场地磁导航应该算的上是地球上迁徙动物利用最普遍的方式，如信鸽就是利 用地磁。迁徙的候鸟就是利用地磁，一年年往返于几个地方，他们迁徙的地方有的要跨州。几万公里的路途都不会迷路。有科学家曾经对海龟进行磁干扰，发现这个动物对磁的感应能力很强。鲨鱼的大脑中存在一种特殊的细胞能够感应其他动物肌肉收缩产生的电场。由此来捕捉猎物。所以电磁场也是动物能够感应和利用的一种导航工具。动物也会利用气味等各种信息，如狗就能利用自己尿液的味道。除了这

10、些导航的本领外，动物还有许多的可以带来创意的本领，比如苍蝇的翅膀激发 了 人类开发震动陀螺仪的灵感。动物的定位导航本领可谓丰富多彩，奥秘无穷 。4.微生物利用化学信号微生物与动物不同，微生物在空间上没有跟动物一样进行定位和导航，但微生物也需要对自身的生存环境进行判断。而这个往往是建立在分子水平的。在病毒入侵细胞前，首先是对要入侵的细胞进行识别，这都是建立在一些特征蛋白的基础上。在现代制药学上，这种靶分子和识别蛋白的研究显得特别重要,在抗癌药物上，有些药物就利用了这个原理，将药物包在一层表面由可以识别癌细胞的胶囊里，利用这种识别系统，将药物带到指定的病变部位。在现代微型机器人特别是医用机器人的开

11、发中，这种具有识别的特异性蛋白质的研究具有非常重要的意义。动物机器人原理动物机器人是现代科技的前沿。动物机器人是指利用动物的运动机能，动 力供应体质，从动物的感受入口或神经支配入手，从而实现对动物的认为控制。动物机器人在能源供给，运动灵活性，隐蔽性，机动性方面具有明显的优势。2001年，日本的科学家给蟑螂装上电子背包，发现通过适当地刺激可以控制蟑 螂的左右转向。2002年，美国纽约州立大学医学中心Chaptin将电机插入大脑的 不同脑区，并给与适当刺激，可以让大鼠按照一定的路线行走。2004年，美 国波士顿大学的教授将电机植入鲨鱼的大脑，利用植入鲨鱼大脑的微型芯片，成功地控制了鲨鱼在水中的游动

12、。如图是一个导航系统的电路系统结构图。这 个系统是由电节練憤MA-X4TM无线背包系统和无线摄像系统组成。无线背包系统中有 pc 机，无线蓝牙，电刺 激转换器等。无线摄像机主要是拍摄周围环境，让人实现对实验鼠的操作。在实验中，主要是利用无线电传播，通过人对无线摄像系统的图片处理来 进行导航。在这些实验中，主要是短距离，研究对象主要是人对实验动物的 脑 刺激来控制动物。在实验中，研究者对动物进行多次反复的训练，通过给与 愉 悦刺激等来使动物形成相应的神经反射等。将来的动物机器人将要建立在人 对 大脑更好的控制和了解的基础上。结合最新的导航技术，对动物进行全方位 的 检测跟踪。在动物机器人中，可以

13、利用动物本身的优势，比如机械机器人的 绕 障，平衡等问题。在以后，动物机器人必然有很大的突破，这个必须建立在 更 先进的定位导航能力上，才可能实现动物机器人多种环境，远距离等条件下 的 工作。而生物技术，特别是脑和神经系统的深入研究才能让动物机器人成为 可 能。可以说脑科学和定位导航系统是动物机器人发展不可或缺的。导航星定位导航技术在野生动物研究中的研究在沙漠,雪原和林海 中考察时 ,如何辨别方向 ,返回宿营地 ,是研究工作者 面临的实际问题。大海和大湖中没有定位、导向路标 , 如何返回出发地和到达标 本采集地亦是难题。有许多人在科学考察中可能有过时间长短不一的迷路经 历。 全球定位系统的出现

14、 , 使野生动物研究人员在野外有了新的导向、定位工具。 现在 全球定位系统接收仪的体积越来越小 。象袖珍计算器大小 , 重量不足 400 克的手持式全球定位系统定位导航仪的面世 , 给野外的定位、导向和测速 带来了极大的便利。使用全球定位系统能在两分钟以内确定考察者所在位置的经纬度和海拔高度。其天线可以分离安装在汽车的挡风玻璃上或船舱外。在野外考察中手持GPS定位导航仪有定位、测距、测速和导向等功能。定位:野外考察中 , 确定位置是定向、测距的第一步。定位导航仪具有自动 抽样定位功能。有些型号能每 10min 自动开机定位将数据记录于缓冲区。然 后 自动关机有的则能24h连续自动记录定位信息。

15、利用的 GPS定位功能,不但可 以将标本采集地点的精确位置记录下来 , 而且依靠其导向功能 , 多少年后即使 地表景观和标志物改变了 , 亦能找到过去的标本采集地点 , 并不需要借助地 图。 这一优势在大海、大湖和沙漠中显得更为重要。测距：利用输人定位点数据 , 或某地点的经纬度和海拔高度 , 定位导航仪 能计算地球表面任意两点间的距离。在野外考察中 , 可将出发点、宿营地或工作 点贮存为定位点。然后 , 可随时测定距这些地点的距离 。亦可测定任意两个定 位点之间的距离。于是 , 解决了野外样线调查时样线长度的测定。样线的长度 常达数千米或数万米。若用皮尺和计步器测定 , 或是不现实或是误差大

16、。当我 们研究野生有蹄类动物时 , 根据其生境中的足迹链、植被践踏痕迹、粪堆和采食痕迹 , 利用定位导航仪进行定位 ,将这些定位点贮存后 , 可以研究其活动采 食路径、活动范围 , 进而研究其家域。 当测定野生动物的家域长度 时 , 只要将 动物活动 区域最宽处两点定位。定位 导 航仪均能在瞬间计算出动物的家域长度。 当动物的活动路径为曲线时 , 可沿其活动路径确定一系列定位点。连接这些定 位点的折线长度即为其活动路径的近似值。 1994年底 , 我在青海湖考察普氏原 羚的分布区时，利用 GPS定位仪对其采食生境进行了定位，测定了普氏原羚的迁移断离 , 并估算了其采食生境的面积 。测速：利用G

17、PS勺另一便利之处，是可以测定步行，车辆行驶的即时速度。 定位导航仪能测定从 0.5m/s（ 每小时 1.8 公里 ）到 42.5m/s 的速度。于是 , 考察 者掌握了有用的运动信息。当考察车辆、考察者平行于运动中的动物时, 亦能测定动物运动的大致速度。定位导航仪能对所测定之速度进行平滑平均。一 般 有 三种方式。即不平滑平均、20s区间平滑平均和60s区间平滑平均，分别应 用测定高速运动场合如车辆 , 中速运动场合如自行车、骑马和低速运动场合如 步 行等考察场合。导向：GPS导向方式有三种。其一是将出发地、目的地的经纬座标及海拔高度输人GPS定位导航仪。亦可在出发地和目的地之间插人 多个地

18、点的地理座标。在考察过程中 , 定位导航仪能 以直观画面显示北极或南极 、偏离目的 地 的 方位 、距离目的地或下一站的距离 、目前的运行速度 、以及预计到达 目的地 所需之时间等信息 , 并显示偏离返回路径的垂直距离。当考察者距离目 的地 150m 时 , 定位导航仪会显示 “Close ”靠近目的地信号 ,当考察者距目的 地以内 60m 时,GPS定位导航仪会显示“ Arrive ”到达目的地信号。第二种导 向方式是根据 考察中存贮的定位信息确定返回出发地的路径。当设定返回定 向 时,记录下出发 点的经纬度和海拔。定 位导航仪会每自动开机定位 , 然后关机。 当考察者选择返 回时 , 定位导航仪会显 示距返回路径上最近一个定位点的距离、 偏离该定位点的方 位角、前进速度及预计到达时间。第三种导向与第一种相 似 , 所 不同的是定位导 航仪根据考察者现在位置不断更新定位信息 , 定位导航仪根据 出发点与现在点的 信息指示返回出发地的路径。这些功能除了能够帮助考察 者 找到返回宿营地的路 径外 , 也能够帮助野生动物工作者找回设置的铁笼 、回到 原来标本采集地或返回 定位观察地点。卫星示踪：在野生动物研究中 另一项 技术将带来巨大的影响。人们已经