《自主导航技术与应用》课件 第一章绪论

自主导航技术与应用1.1引言自主导航技术定义:自主导航技术是指依靠自身设备和算法，不依赖外部信号源，实现自主定位、导航和控制的技术。该技术广泛应用于军事、航空航天、机器人等领域，对于提高系统的自主性和可靠性具有重要意义。技术特点:具有隐蔽性强、抗干扰性高、自主决策能力强等特点。能够在复杂环境下实现精准定位和导航，为各种任务提供可靠支持。核心能力:具有隐蔽性强、抗干扰性高、自主决策能力强等特点。能够在复杂环境下实现精准定位和导航，为各种任务提供可靠支持。1.2典型自主导航方法简介目前占主导地位的自主导航技术有惯性导航、地球物理场（地磁场、重力场）导航和视觉导航等。从应用要求和技术研究进展来看，自主导航技术在提升载体在某一环境下生存能力和满足任务特殊导航需求等多方面具有明显优势，已成为未来导航领域技术发展的重要方向。1.2.1惯性导航惯性导航系统通过陀螺仪和加速度计测量载体的角速度和加速度，经过积分运算得到载体的位置和速度信息。该方法完全自主，不依赖外部信号，具有抗电磁干扰能力强、短期精度高的优点。惯性导航系统，简称惯导系统。通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。测量装置包括加速度计和陀螺仪，陀螺仪测量载体的转动，加速度计测量载体运动加速度。计算机根据测量数据计算载体的速度和位置。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性测量器件在载体上的安装方式不同，分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。1.2.1惯性导航惯性导航优势与挑战

优势在于完全自主，抗电磁干扰能力强，短期精度高，数据连续。但误差会随时间积累，需要与其他导航方式组合使用以提高精度。惯性导航应用领域

广泛应用于军事装备、机器人、航空航天等领域。在军事领域，惯性导航系统是导弹、飞机等武器装备的关键组成部分。1.2.2天文导航

天文导航是利用光学敏感器观察太阳、月球、行星和恒星等自然天体的位置，以天体的位置确定测量点位置的一种定位导航方法。天文导航与惯性导航一样属于自主导航技术。天文导航广泛应用在航天、航海、航空领域，是登月、载人航天和远洋航海的关键技术，也是卫星和远程导航和运载火箭等的重要辅助导航方法。1.2.2天文导航

天文导航按照观测星体的数量多少，可分为单星、双星和多星导航。单星导航需要星跟踪器保持对星体的跟踪观测，也称为跟踪式导航；双星导航的定位需要根据双星的观测角度进行解算，角度差越接近90度，定位精度越高；多星导航观测三个以上的星体，定位精度优于前二者。

天文导航目前主要关键技术包括：恒星星图星点特征提取技术；太阳图像边缘检测及质心提取技术；挖掘多视场、大视场观测解算机理；优化星图处理算法策略；优化自主导航滤波及异步时滞信息组合导航算法等。

天文导航不依赖于地面设备的定位导航技术，定位精度比较高。抗干扰能力强，可靠性高；可同时提供位置和姿态信息。但是天文导航受气候条件的影响观测性能，另外输出的信息不连续。测量器件价格昂贵。1.2.3地球物理场导航地磁导航

地磁导航利用地球磁场强度和梯度的变化来确定载体的位置。通过匹配地磁场模型和实测数据，实现无源导航。重力导航

重力导航通过测量重力场的变化来确定载体的位置。该方法具有无源、稳定的特点，适合长航时任务。地球物理场导航应用领域

主要应用于水下和深海载体导航。在水下机器人和潜艇等领域，地球物理场导航提供了可靠的定位手段。1.2.3视觉导航

视觉导航通过摄像机对周围环境进行图像采集、经过图像处理技术，提取环境信息特征，并且对特征进行匹配跟踪，完成自身定位。近年来，视觉导航与惯性导航相结合广泛应用于室内导航、机器人导航、智能车导航等领域。1.2.3视觉导航

视觉导航根据使用的视觉传感器不同，可分为单目、双目及多目、RGBD视觉导航技术。视觉导航技术可以适应多种不同的场景和环境，并且可以根据需要进行灵活配置和调整。但是，视觉导航技术通常需要清晰的图像和良好的光照条件，而在复杂、暗淡或模糊的环境中，其性能可能受到限制。实现高精度的视觉导航系统通常需要高性能的计算设备和复杂的算法实现，这可能导致系统的成本较高。视觉导航技术对于环境中的突发变化、遮挡物和光照变化等问题的鲁棒性相对较低，可能导致导航的失败或错误。1.2.3视觉导航优势与挑战

总的来说，视觉导航技术具有高精度、实时性和独立性等优点，但也面临着环境要求高、成本高和鲁棒性相对差的挑战。随着技术的不断进步和发展，这些问题将逐渐得到解决，使得视觉导航技术在各种应用领域中得到更广泛的应用。1.3自主导航关键技术简介

自主导航使载体具有独立地在未知环境中进行导航和移动的能力。实现自主导航需要借助多种关键技术，包括自我环境智能感知、

定位与建图、路径规划、智能决策等。自我环境感知：自主导航系统需要能够感知周围环境，并获取准确的环境信息，以便做出决策。机器人常用的感知传感器如摄像头、激光雷达、超声波传感器、红外传感器等，来感知障碍物、地形、道路状况等。定位与建图：自主导航系统基于对环境的感知，建立描述环境的地图，环境地图有多种形式，如拓扑地图、栅格地图、特征地图、点云地图等。在建立环境地图上，载体能够确定自身的准确位置。1.3自主导航关键技术简介动态路径规划：基于感知和定位信息，自主导航系统需要能够进行路径规划，即根据当前环境状态和目标位置，选择合适的路径和动作来避开障碍物、到达目标等。涉及到路径规划、避障、运动控制等核心技术。智能决策与控制：自主导航系统需要能够做出实时决策，并将决策转化为具体的控制指令，以实现车辆或机器人的移动。涉及到机器学习、强化学习、优化算法等关键技术。1.3自主导航关键技术简介多源信息融合技术：同时充分利用多种导航传感器信息对惯导系统相关参数进行误差校正和反馈，将导航子系统和导航模式进行深度耦合。高效多源融合技术可根据不同场景进行传感器自动选择以及失效切换等；自主在线重构最优配置技术可根据载体环境以及运动状态快速收敛出最优多源组合导航方式。

以上技术是实现自主导航的关键，它们相互协作可以使载体在未知环境中具有安全、高效的自主导航能力。1.4自主导航技术的应用领域自动驾驶汽车及智能导航设备：通过感知、定位、路径规划和控制等技术，自主导航系统可以实现汽车的自主驾驶，提高交通安全性、道路容量利用率和驾乘舒适度。自主导航技术可以应用于智能导航设备，提供行人、车辆和公共交通的导航服务，帮助用户快速准确地找到目的地。航空航天领域：自主导航技术在无人机和自动飞行器领域也有广泛应用。无人机可以利用自主导航技术进行航迹规划、飞行路径调整和障碍物避障等。实现自主导航不仅能够降低航天器对地面测控的依赖程度，提高自主生存能力，还能缓解国土面积有限对地面测控站布局的制约，提升航天器在测控区外的任务能力。1.4自主导航技术的应用领域智能机器人：自主导航技术可应用于物流与仓储机器人，使其具备自主寻找货物、搬运物品、避开障碍物等能力，提高物流效率。应用于家庭服务机器人，使其能够在家庭环境中自主移动，执行家务任务如清洁、照料老人和儿童等。应用于矿山和工业领域中的智能机器人，实现地下或危险环境下的自主勘探、运输、维护等任务。可以用于农业机械的自主操作，如精准播种、喷洒农药、收获等，提高农业生产效率和减少人力成本。1.4自主导航技术的应用领域深海探测领域：深海感知、导航技术的发展具有较大发展空间。未来结合光学陀螺仪、无线电罗盘、声呐等多学科导航技术的深海导航将成为重点关注领域。暗、湍流海况下执行搜索、维修等任务，其关键技术挑战包括高分辨率传感技术、未知参数物体的感知和操纵策略，以及长时间自主控制方法。武器装备：随着技术发展，对高机动导弹的实时机动性能提出了更高需求。近年来，随着自标定、自瞄准、自检测的光学捷联惯导系统的发展，精确制导的能力也在不断的提升，提高了武器系统的实战化水平。1.5自主导航技术的趋势1）导航技术的高可靠性、高集成化

现有成熟的导航、制导与控制系统架构多是通过简单的设备冗余备份关系提高系统的可靠性，但这都给系统的重量、功耗、体积、实时性等指标带来不利的影响。因此，未来还需要从系统高可靠性、高集成化等方面设计适应于小型载体需求的导航系统体系。即要有高度的硬件集成，同时在软件上要有基于硬件平台的综合管理系统、多源信息融合、导航、制导与控制算法、协同组网软件模块等。1.5自主导航技术的趋势２）导航技术的高自主化、高智能化

随着人工智能的高速发展，强化学习、深度学习等智能化的方法将是实现自主导航的重要手段。为了更好地理解和适应复杂环境，自主导航系统需要具备语义理解和场景理解的