自主導航技術與應用1.1引言自主導航技術定義:自主導航技術是指依靠自身設備和算法，不依賴外部信號源，實現自主定位、導航和控制的技術。該技術廣泛應用于軍事、航空航天、機器人等領域，對于提高系統的自主性和可靠性具有重要意義。技術特點:具有隱蔽性強、抗干擾性高、自主決策能力強等特點。能夠在復雜環境下實現精準定位和導航，為各種任務提供可靠支持。核心能力:具有隱蔽性強、抗干擾性高、自主決策能力強等特點。能夠在復雜環境下實現精準定位和導航，為各種任務提供可靠支持。1.2典型自主導航方法簡介目前占主導地位的自主導航技術有慣性導航、地球物理場（地磁場、重力場）導航和視覺導航等。從應用要求和技術研究進展來看，自主導航技術在提升載體在某一環境下生存能力和滿足任務特殊導航需求等多方面具有明顯優勢，已成為未來導航領域技術發展的重要方向。1.2.1慣性導航慣性導航系統通過陀螺儀和加速度計測量載體的角速度和加速度，經過積分運算得到載體的位置和速度信息。該方法完全自主，不依賴外部信號，具有抗電磁干擾能力強、短期精度高的優點。慣性導航系統，簡稱慣導系統。通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。測量裝置包括加速度計和陀螺儀，陀螺儀測量載體的轉動，加速度計測量載體運動加速度。計算機根據測量數據計算載體的速度和位置。控制顯示器顯示各種導航參數。按照慣性測量器件在載體上的安裝方式不同，分為平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統。1.2.1慣性導航慣性導航優勢與挑戰

優勢在于完全自主，抗電磁干擾能力強，短期精度高，數據連續。但誤差會隨時間積累，需要與其他導航方式組合使用以提高精度。慣性導航應用領域

廣泛應用于軍事裝備、機器人、航空航天等領域。在軍事領域，慣性導航系統是導彈、飛機等武器裝備的關鍵組成部分。1.2.2天文導航

天文導航是利用光學敏感器觀察太陽、月球、行星和恒星等自然天體的位置，以天體的位置確定測量點位置的一種定位導航方法。天文導航與慣性導航一樣屬于自主導航技術。天文導航廣泛應用在航天、航海、航空領域，是登月、載人航天和遠洋航海的關鍵技術，也是衛星和遠程導航和運載火箭等的重要輔助導航方法。1.2.2天文導航

天文導航按照觀測星體的數量多少，可分為單星、雙星和多星導航。單星導航需要星跟蹤器保持對星體的跟蹤觀測，也稱為跟蹤式導航；雙星導航的定位需要根據雙星的觀測角度進行解算，角度差越接近90度，定位精度越高；多星導航觀測三個以上的星體，定位精度優于前二者。

天文導航目前主要關鍵技術包括：恒星星圖星點特征提取技術；太陽圖像邊緣檢測及質心提取技術；挖掘多視場、大視場觀測解算機理；優化星圖處理算法策略；優化自主導航濾波及異步時滯信息組合導航算法等。

天文導航不依賴于地面設備的定位導航技術，定位精度比較高。抗干擾能力強，可靠性高；可同時提供位置和姿態信息。但是天文導航受氣候條件的影響觀測性能，另外輸出的信息不連續。測量器件價格昂貴。1.2.3地球物理場導航地磁導航

地磁導航利用地球磁場強度和梯度的變化來確定載體的位置。通過匹配地磁場模型和實測數據，實現無源導航。重力導航

重力導航通過測量重力場的變化來確定載體的位置。該方法具有無源、穩定的特點，適合長航時任務。地球物理場導航應用領域

主要應用于水下和深海載體導航。在水下機器人和潛艇等領域，地球物理場導航提供了可靠的定位手段。1.2.3視覺導航

視覺導航通過攝像機對周圍環境進行圖像采集、經過圖像處理技術，提取環境信息特征，并且對特征進行匹配跟蹤，完成自身定位。近年來，視覺導航與慣性導航相結合廣泛應用于室內導航、機器人導航、智能車導航等領域。1.2.3視覺導航

視覺導航根據使用的視覺傳感器不同，可分為單目、雙目及多目、RGBD視覺導航技術。視覺導航技術可以適應多種不同的場景和環境，并且可以根據需要進行靈活配置和調整。但是，視覺導航技術通常需要清晰的圖像和良好的光照條件，而在復雜、暗淡或模糊的環境中，其性能可能受到限制。實現高精度的視覺導航系統通常需要高性能的計算設備和復雜的算法實現，這可能導致系統的成本較高。視覺導航技術對于環境中的突發變化、遮擋物和光照變化等問題的魯棒性相對較低，可能導致導航的失敗或錯誤。1.2.3視覺導航優勢與挑戰

總的來說，視覺導航技術具有高精度、實時性和獨立性等優點，但也面臨著環境要求高、成本高和魯棒性相對差的挑戰。隨著技術的不斷進步和發展，這些問題將逐漸得到解決，使得視覺導航技術在各種應用領域中得到更廣泛的應用。1.3自主導航關鍵技術簡介

自主導航使載體具有獨立地在未知環境中進行導航和移動的能力。實現自主導航需要借助多種關鍵技術，包括自我環境智能感知、

定位與建圖、路徑規劃、智能決策等。自我環境感知：自主導航系統需要能夠感知周圍環境，并獲取準確的環境信息，以便做出決策。機器人常用的感知傳感器如攝像頭、激光雷達、超聲波傳感器、紅外傳感器等，來感知障礙物、地形、道路狀況等。定位與建圖：自主導航系統基于對環境的感知，建立描述環境的地圖，環境地圖有多種形式，如拓撲地圖、柵格地圖、特征地圖、點云地圖等。在建立環境地圖上，載體能夠確定自身的準確位置。1.3自主導航關鍵技術簡介動態路徑規劃：基于感知和定位信息，自主導航系統需要能夠進行路徑規劃，即根據當前環境狀態和目標位置，選擇合適的路徑和動作來避開障礙物、到達目標等。涉及到路徑規劃、避障、運動控制等核心技術。智能決策與控制：自主導航系統需要能夠做出實時決策，并將決策轉化為具體的控制指令，以實現車輛或機器人的移動。涉及到機器學習、強化學習、優化算法等關鍵技術。1.3自主導航關鍵技術簡介多源信息融合技術：同時充分利用多種導航傳感器信息對慣導系統相關參數進行誤差校正和反饋，將導航子系統和導航模式進行深度耦合。高效多源融合技術可根據不同場景進行傳感器自動選擇以及失效切換等；自主在線重構最優配置技術可根據載體環境以及運動狀態快速收斂出最優多源組合導航方式。

以上技術是實現自主導航的關鍵，它們相互協作可以使載體在未知環境中具有安全、高效的自主導航能力。1.4自主導航技術的應用領域自動駕駛汽車及智能導航設備：通過感知、定位、路徑規劃和控制等技術，自主導航系統可以實現汽車的自主駕駛，提高交通安全性、道路容量利用率和駕乘舒適度。自主導航技術可以應用于智能導航設備，提供行人、車輛和公共交通的導航服務，幫助用戶快速準確地找到目的地。航空航天領域：自主導航技術在無人機和自動飛行器領域也有廣泛應用。無人機可以利用自主導航技術進行航跡規劃、飛行路徑調整和障礙物避障等。實現自主導航不僅能夠降低航天器對地面測控的依賴程度，提高自主生存能力，還能緩解國土面積有限對地面測控站布局的制約，提升航天器在測控區外的任務能力。1.4自主導航技術的應用領域智能機器人：自主導航技術可應用于物流與倉儲機器人，使其具備自主尋找貨物、搬運物品、避開障礙物等能力，提高物流效率。應用于家庭服務機器人，使其能夠在家庭環境中自主移動，執行家務任務如清潔、照料老人和兒童等。應用于礦山和工業領域中的智能機器人，實現地下或危險環境下的自主勘探、運輸、維護等任務。可以用于農業機械的自主操作，如精準播種、噴灑農藥、收獲等，提高農業生產效率和減少人力成本。1.4自主導航技術的應用領域深海探測領域：深海感知、導航技術的發展具有較大發展空間。未來結合光學陀螺儀、無線電羅盤、聲吶等多學科導航技術的深海導航將成為重點關注領域。暗、湍流海況下執行搜索、維修等任務，其關鍵技術挑戰包括高分辨率傳感技術、未知參數物體的感知和操縱策略，以及長時間自主控制方法。武器裝備：隨著技術發展，對高機動導彈的實時機動性能提出了更高需求。近年來，隨著自標定、自瞄準、自檢測的光學捷聯慣導系統的發展，精確制導的能力也在不斷的提升，提高了武器系統的實戰化水平。1.5自主導航技術的趨勢1）導航技術的高可靠性、高集成化

現有成熟的導航、制導與控制系統架構多是通過簡單的設備冗余備份關系提高系統的可靠性，但這都給系統的重量、功耗、體積、實時性等指標帶來不利的影響。因此，未來還需要從系統高可靠性、高集成化等方面設計適應于小型載體需求的導航系統體系。即要有高度的硬件集成，同時在軟件上要有基于硬件平臺的綜合管理系統、多源信息融合、導航、制導與控制算法、協同組網軟件模塊等。1.5自主導航技術的趨勢２）導航技術的高自主化、高智能化

隨著人工智能的高速發展，強化學習、深度學習等智能化的方法將是實現自主導航的重要手段。為了更好地理解和適應復雜環境，自主導航系統需要具備語義理解和場景理解的