GPS导航战策略分析3
刘志春,苏 震
(1.二炮驻锦州地区军代表室,辽宁锦州121000;)
摘 要:针对“导航战”的发展,分析了当前GPS系统的主要干扰技术与抗干扰技术,提出了研究分析GPS对抗技术的一些思路。
关键词:导航战;GPS抗干扰技术;GPS干扰技术
中图分类号:P228 文献标识码:A 文章编号:100829268(2007)0420009205
1 引言
“导航战”是随着卫星导航技术的发展而兴起的一种新的作战方式。它与“电子战”、
“信息战”以及“网络战”等一起构成军事作战的重要组成部分。“导航战”是指在战场环境下,用电子方法对抗敌方导航系统的工作,以及针对敌方对我方导航系统的干扰开展反对抗。“导航战”的含义:基于卫星导航系统可以提供连续高精度、全天候的三维位置、速度和时间等信息的特点,使用各种技术上和战术上的对抗措施,使敌方干扰失效,从而保证己方、友方部队在战场上可以接收到准确的卫星导航信息;使民用卫星导航系统受到的破坏降低到最小。
2 GPS在现代战争中的应用及其干扰可行性分析
2.1 GPS在现代战争中的应用
近几年爆发的几场美军主导的高科技局部战争中,全球卫星定位系统(GPS)、战场实时监控、高灵敏度传感器、精确制导武器等信息技术手段已充斥整个战场。从海湾战争到科索沃冲突,GPS技术发挥着越来越重要的作用。GPS的应用可以分为以下几种:
1)为作战人员和舰艇、飞机等提供精确导航定位与授时服务。
GPS所提供的准确定位和时间信息同样也应用于海陆空作战部队,实现部队的定时定位,提高作战配合的效能,减小自伤几率。据报道,特种兵配备的单兵GPS系统,其定位精度已达1～3m。各种车辆、固定或可迁移目标配置的具有差分技术的GPS接收机,其定位精度可达cm级。美军在海湾战争中由于沙漠中没有明显的地形特征,美、英等多国部队使用GPS导航定位技术,大大提高了作战能力,例如,坦克部队利用GPS导航定位实现与加油车的快速对接;炮兵利用GPS定位技术实现更为精确的炮击;飞机借助于GPS导航定位可以高速穿越122个不同的空中加油航线、600个限航区、312个导弹交战空域、78条攻击走廊和92个空中战斗巡逻点以及36个训练区正确飞行。
2)GPS导航定位技术在目标侦察、C4ISR(指挥、控制、通信、计算机与信息、监视、侦察)系统和其它军事作战中的应用。
美军正在发展所谓的全球感知能力,即发现、定位或跟踪地球表面上所感兴趣的固定目标或移动目标,且需足够小的时延以满足作战需要。实现其目标最有效的方法被认为是使用GPS。为此美国正在利用高空成像技术建立起全球的地理数据。在其高空成像系统中,包括高空侦察机、低轨和中轨侦察卫星,它们均使用了GPS导航定位技术,用以提高对目标定位的精度。在C4ISR系统中, GPS和J TIDS(Joint Tactical Information Dist ri2 butio n System,联合战术信息分发系统)在美军对目标侦察和监视中发挥了重要作用。同时GPS还为C4ISR系统提供了精确的时间同步,确保了C4ISR作为一个复杂的计算机网络,实现高速高效的数据交换。
3)支持人员救援行动
卫星导航系统的应用增强了对人员的搜救能
3收稿日期:2006207202
力。1995年,美、英轰炸波黑,一架F-16战机在执行任务时被击落,飞行员落入塞族控制区。美军利用GPS接收机提供的信息,迅速救出了这名飞行员。1999年,对南联盟的空中打击过程中,一架美军隐形战斗机被击落,营救人员凭借GPS提供的位置信息,在4h内将飞行员救回美军营地。
4)提高精确制导武器的打击能力
精确制导武器在未来高科技战争中担负着精确打击敌方重点战略目标的任务,据估算若打击精度提高1倍,可降低弹药消耗量为原来的1/8。早期巡航导弹一般采用地形匹配+INS(惯性制导)的方式实现全程制导,但由于地形匹配打击任务规划时间长,且易受破坏,因此在国外新一代巡航导弹中已逐渐被GPS/INS组合制导方式取代。GPS/INS制导已经成为巡航导弹等精确制导武器的重要制导手段,应用于整个飞行过程。GPS/ INS制导技术是目前最先进的、全天候、自主制导技术,充分发挥了两者的优势并取长补短,具有很高的效费比。
2.2 GPS易受射频干扰的影响
GPS导航系统在研制初期并没有考虑在复杂电磁环境下工作,因此GPS存在着一些弱点。其缺点主要包括如下几个方面:
1)GPS卫星使用高稳定的固定频率载波传送数据,因此在其卫星信号的中心频率附近的其它射频信号对其产生干扰。
2)GPS接收机为了正确的导航定位需要跟踪接收多颗卫星的信号,接收机天线的方向图呈半球状,因此其天线在空域对射频干扰的抑制能力较弱。
3)GPS下行链路的信号强度很弱,GPS用户的接收机灵敏度高,较低频率的射频信号就可对GPS信号产生较大的干扰。
4)GPS接收机只能识别信号的结构,较难辨别信号的真伪,只要使欺骗信号与卫星信号相同,就可达到有效欺骗的目的。
因此,GPS在抗电磁干扰方面,其能力相当薄弱。美国国防科学部的有关研究报告指出:“当前, GPS接收机处于接收模式时,即使受到距离很远的低功率干扰器的干扰,也是很脆弱的,而受到中距离干扰器的适度干扰时,便会丧失跟踪能力。”据报道,在1999年巴黎航展上出现了一种由俄罗斯公司生产的手持式GPS干扰设备,能有效干扰美国的GPS以及俄罗斯的G LONASS。该公司声称若采用干扰设备所提供的高增益或全向天线,在假定与敌方导航接收机处于同一视野内的情况下,其有效干扰距离为几百公里。
3 GPS抗干扰技术分析
随着GPS导航技术在战争中的广泛应用,又由于在GPS的设计初期没有把该系统在干扰环境下工作的能力放到重要地位去考虑,而仅作为一种战争环境下的辅助导航手段,因此,GPS信号到达地面的信噪比极低,使得GPS接收机极易受到欺骗和干扰,从而导致GPS军事应用的安全问题受到挑战。同时从导航战的角度看,民用信号军用化,使得美国与其敌对方在战场上进行较量的问题也很突出。为了在战争中占得先机,GPS自全面工作以来美国不断加强对GPS抗干扰技术方面的研究,并逐步予以实施。
3.1 GPS卫星的改进
目前的GPS系统发送两种伪码:粗测码(C/A 码)和精确码(P码)。前者用于民用,后者只限于供美国政府授权的用户使用。这些码以扩频方式调制在两种不同的频率上发射:L1波段以1575. 42M Hz发射C/A和P码;而L2波段只以1227. 6M Hz发射P码。
美国国防部计划对当前服役的GPS卫星进行升级改造,其中的一项改进措施是增加发射3种新的信号:一是高功率点波束军用M码信号。此信号采用数控点波束天线,实现对全球区域覆盖和重点区域覆盖工作方式的切换,在重点区域工作的卫星信号功率将增加几十个dB,这将大大增强系统的抗干扰能力。信号加载在L1和L2载波上,只供军用,美方可以在其他伪码信号受干扰情况下进行导航定位;二是增加新的民用码信号(L2C),此信号加载到L2载波上,原来加载在L1载波上的C/A码继续保留;三是增加L5频段(1176. 45M Hz),供民用。上述改进措施已经开始逐步实施。
美国还在进一步探索新的GPS体系结构。美国空军与波音公司和洛克希德?马丁公司分别签订了为期1年的合同,要求他们就GPS-Ⅲ的结构体系与需求进行研究,评估可供选择方案,降低总费用和提供灵活性与耐久性,以满足未来30年对卫星导航日益增长的军民两用需求。
图1 美国GPS 卫星的发展过程图
3.2 GPS 接收机部分的改进
美国国防部为了解决GPS 信号弱、易受干扰等问题,除了在GPS 卫星信号工作频率和扩频码
型上做了改进外
,他们还在接收机抗干扰技术方面
不断进行改进。当前先进的抗干扰GPS 接收机的功能见图2[1]。图中的标号,分别是GPS 接收机可能采用的抗干扰技术,下面分别进行分析。
图2 先进的抗干扰GPS 接收机框图
1)射频干扰检测技术
射频干扰检测的功能是检测射频干扰的出现,一旦干扰影响了GPS 信号的完整性就立即报警,且能提供GPS 接收机天线和前端输入的射频干扰的大小。其由图2中的标号为①的自动增益控制电路(A GC )来实现。用A GC 控制电压大小来测量干信比值的优点是它不需要接收机跟踪GPS 信号来确定射频干扰的出现。这使得在射频干扰出现的情况下,能够预先改变GPS 接收机搜索和跟
踪的方法,而不依赖于GPS 卫星信号的跟踪。
2)前端滤波技术
GPS 接收机抗干扰滤波处理技术是目前研究的一个热门课题,这种技术可以用微电子线路或软件来实现,很有发展潜力。图2中两个标有②的器件采用了一种前端滤波技术,它使得GPS 接收机不易受相对于GPS 的两个L 波段频带的带外强功率干扰。大多数的GPS 接收机目前用具有截止频率特性陡的无源滤波器,来抑制大的带外功率。通
常前置滤波器和前置放大器设计在天线中。除前置滤波外,还要在下变频器中进行滤波,在每个本振混频前后都进行滤波。对脉冲干扰,常用限幅器来阻止,置于前置放大器中以保护它免受大功率干扰。
3)码环和载波环跟踪技术
码环和载波环增强技术在数字GPS接收机通道和信号接收处理器中实现。如图2中的③。GPS接收机的码环和载波环的抗干扰特性是通过窄的码环和载波跟踪环滤波器带宽,及接收机的预检测带宽来改进的。为了减少带宽降低通道的动态范围,动态范围的损失可以通过增加环路滤波器的阶次来降低,也可通过外部的导航系统,以便提高精确的速率来辅助载波跟踪环路减少动态损失。采用的技术有内部INS辅助增强技术、外部INS 辅助增强技术和载波跟踪闭环辅助技术。
4)抗干扰滤波技术
GPS抗干扰滤波技术与模拟电路中的滤波概念已经有了质的区别,现在GPS抗干扰滤波技术已是抗干扰技术领域的一个发展方向。其中窄带干扰处理技术就是一种典型的抗干扰滤波技术,也叫暂时滤波技术,是在数字中频实现的,如图2中④。它将DF T(Discrete Fourier Transform,离散傅里叶变换)技术用在数字中频信号的数字信号处理中,例如频域幅度处理,若无射频干扰,热噪声功率谱在频域是相当均匀的,若在信号中有窄带干扰,它将在频域上明显异常,这种异常谱线在DF T 求逆前被自适应滤掉。抗干扰滤波技术还包括其他时域、频域滤波技术等。
5)天线增强技术
天线增强技术是在GPS接收机的天线上实现,如图2中的⑤,即将自适应天线阵列技术用于GPS接收机。到目前为止,自适应调零天线技术还是提高GPS接收机抗干扰能力的重要方法。自适应调零天线是包括多个阵元的天线阵,阵中各天线与微波网络相联,而微波网络又与一个处理器相联,处理器对从微波网络送来的信号进行处理后反馈调节微波网络,使各阵元的增益/和相位发生变化,从而在天线阵的方向图中产生对着干扰源方向的零点,以减低干扰的性能。零点的个数由阵元的个数决定,理论上N元阵可控N-1个零点。但是考虑到干扰源的位置、零点的深度与波束宽度受同一时间控制的零点数限制。
6)直接P(Y)码捕获技术
由于C/A码只有25dB干信比的抗干扰能力,因此经不起干扰,而P(Y)码有43dB的抗干扰能力。美国将现有军用的只能在L1频率上单频工作的C/A码小型手持式GPS接收机改进成可在L1和L2双频上工作的P(Y)接收机,将现有先捕获民用的C/A码才能转入跟踪军用的P(Y)码的军用机载GPS接收机,采用多(1023个)相关器技术或小型化的高稳定时钟技术,对P(Y)码进行直接捕获,该技术主要应用于图2的③。
7)空时自适应(STA P)技术
空时自适应技术是针对滤波技术的一些不足而提出的,它在不增加阵元的前提下,大大地增加了阵的自由度,且适合宽带信号的处理。在阵的设计上,为最优准则的选取提供了更大的选择余地。STA P技术主要应用于图2中的③与⑤中,代表着GPS接收机抗干扰技术的发展趋势,被认为是GPS接收机抗干扰技术上的重大突破。美国已经将此技术用于装备联合防区外导弹(J ASSM)。
4 GPS对抗技术的综合分析
GPS对抗技术的研究分析主要集中在以下几个方面:根据不同的抗干扰技术,研究不同干扰技术的干扰能力;根据不同的干扰技术,研究不同抗干扰技术的干扰能力;根据需要,研究GPS干扰的战术与技术应用,来提高GPS干扰的实际作战能力。我们现在根据国内外GPS对抗技术的发展现状,采取下列措施加强我国GPS对抗技术的研究。
4.1 建立GPS电子对抗仿真平台
我们可以根据实际的需要建立GPS电子对抗仿真平台[3]。此平台包括卫星运行仿真、卫星信号仿真、差分增强功能仿真和接收机仿真等,可以仿真所有的相关参数,包括卫星星座、信号功率及其波形、信号环境、传播误差、干扰效应、接收机轨道信息、接收机工作特性等,通过这种仿真平台建立的具有高保真度的信号环境,并结合干扰信号、天线和接收机模型,研究它们的工作特性。这项工作可以在不同的时间和地点对干扰信号的干扰效果进行评估,以及评估抗干扰技术的干扰抑制能力。
1)GPS抗干扰与干扰技术分析
研究分析各种GPS干扰技术,通过分析仿真敌方采用的各种抗干扰技术,研究分析多制式干扰,利用干扰技术与战术相结合的方法实现对敌导航系统的最大程度干扰,仿真分析各种压制式干扰信号,并评估各种干扰信号对导航接收机的影响,
在上述基础上研究抗干扰技术。
2)GPS对抗性能分析
在有干扰源的环境下,GPS接收机天线端接收的某颗卫星的信号功率与干扰信号功率加上噪声功率之比—信干比有一门限值,当超过这一门限值时,此颗卫星的信号无法被接收跟踪,若在同一时间接收机可跟踪的卫星数目少于4颗,则此时GPS接收机将无法正常工作。通过对信干比的计算,可分析多个GPS干扰源对GPS接收机的干扰性能(主要是接收机锁定状态判别)。通过仿真还可以对接收机的抗干扰能力以及各种抗干扰技术的组合应用的抗干扰能力进行研究分析。
3)GPS干扰技术与战术的综合应用
GPS干扰与抗干扰技术始终并存,且相互制约。例如,随着数字多波束天线和GPS/INS组合制导技术在GPS抗干扰技术领域的逐步应用,如果GPS干扰采用在一定区域内使用单个GPS干扰源进行干扰的方法,数字多波束天线很容易抑制该干扰方向信号的大部分能量,从而降低干扰效果,甚至没有效果。此外,这种单个干扰源的方法易在复杂的地理条件下形成干扰漏洞,GPS可以对INS的累积误差进行辅助修正。
GPS战术对抗是对技术对抗的有利补充,导航战中干扰战术与干扰技术的结合才能发挥最佳的效果。当前,对GPS干扰比较一致的看法便是要建立全方位的三维GPS干扰组网[4],包括侦察引导技术、升空干扰技术、机载GPS干扰技术、平流层飞艇载GPS干扰技术、气球载GPS干扰技术等。当然组网对抗不是个体干扰源的任意组合,需要根据作战任务和作战方式的需要,根据来袭武器的运行轨迹与GPS制导的抗干扰能力合理的布设个体。因此基于GPS干扰与抗干扰技术,结合实际的地表特征,研究GPS干扰的战术应用在未来战争中将起到重要的作用。
4.2 预防全球“导航战”
“导航战”的含义为:在复杂电子环境下,即能用电子干扰对敌方导航系统进行干扰或攻击,也能在敌方对己方导航系统干扰时进行抗干扰。目前,掌握全球导航卫星系统(GNSS)的国家具有“导航战”主动权,他们可以有效避免敌方对其军用系统的干扰,而且可以通过控制和改变相关的信号参数,阻止其他国家的使用。另外,“导航战”并不只限于全球导航卫星系统的对抗,还包括其他正在配备的导航系统,如惯性导航,以及太空武器等,因此要紧密关注“导航战”的发展。
5 结论
GPS干扰和对抗技术已经成为现代战争的重要组成部分,如何研制有效的GPS干扰系统,如何将各种干扰系统应用到实战中,发挥干扰系统的最大作战能力,已经成为现代导航对抗的重要组成部分,本文根据理论分析与实践经验为导航对抗的发展提出了一些思路和看法。随着技术的不断发展,还需做深入探讨和研究。
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Analysis of GPS N avigation W arfare Strategy
L IU Zhi2chun,SU Zhen
(1.T he Second A rtillery Re p resentative De partment in J inz hou Region,J inz hou L iaoning121000)
Abstract:According to t he develop ment of navigation war,GPS jamming and anti2jamming tech2 nique is introduced in t his paper,p resenting some ideas of GPS jamming and anti2jamming technique.
K ey w ords:Navigation war;GPS anti2jamming technology;GPS jamming technology.
作者简介:
刘志春 (1964-),男,河南开封人,本科,主要从事电子对抗相关研究工作。
移动机器人的关键技术分为以下三种: (1)导航技术 导航技术是移动机器人的一项核心技术之一[3,4]"它是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态,实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动"目前,移动机器人主要的导航方式包括:磁导航,惯性导航,视觉导航等"其中,视觉导航15一7]通过摄像头对障碍物和路标信息拍摄,获取图像信息,然后对图像信息进行探测和识别实现导航"它具有信号探测范围广,获取信息完整等优点,是移动机器人导航的一个主要发展方向,而基于非结构化环境视觉导航是移动机器人导航的研究重点。 (2)多传感器信息融合技术多传感器信息融合技术是移动机器人的关键技术之一,其研究始于20世纪80年代18,9]"信息融合是指将多个传感器所提供的环境信息进行集成处理,形成对外部环境的统一表示"它融合了信息的互补性,信息的冗余性,信息的实时性和信息的低成本性"因而能比较完整地,精确地反映环境特征,从而做出正确的判断和决策,保证了机器人系统快速性,准确性和稳定性"目前移动机器人的多传感器融合技术的研究方法主要有:加权平均法,卡尔曼滤波,贝叶斯估计,D-S证据理论推理,产生规则,模糊逻辑,人工神经网络等"例如文献[10]介绍了名为Xavier的机器人,在机器人上装有多种传感器,如激光探测器!声纳、车轮编码器和彩色摄像机等,该机器人具有很高的自主导航能力。 (3)机器人控制器作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一"目前,国内外机器人小车的控制系统的核心处理器,己经由MCS-51、80C196等8位、16位微控制器为主,逐渐演变为DSP、高性能32位微控制器为核心构成"由于模块化系统具有良好的前景,开发具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器也成为当前机器人控制器的一个研究热点"近几年,日本!美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器,如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构!网络功能的机器人控制器"我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项 视觉导航技术分类 机器人视觉被认为是机器人重要的感觉能力，机器人视觉系统正如人的眼睛一样,是机器人感知局部环境的重要“器官”,同时依此感知的环境信息实现对机器人的导航。机器人视觉信息主要指二维彩色CCD摄像机信息,在有些系统中还包括三维激光雷达采集的信息。视觉信息能否正确、实时地处理直接关系到机器人行驶速度、路径跟踪以及对障碍物的避碰,对系统的实时性和鲁棒性具有决定性的作用。视觉信息处理技术是移动机器人研究中最为关键的技术之一。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/d37787480.html, 基于机器人操作系统的机器人定位导航系统实现 作者：姜楚乔孙焜范光宇张鹏飞 来源：《科学大众》2019年第09期 摘 ; 要：轮式机器人的定位导航技术是当前业界的研究热点。目前，大多机器人是在室内进行工作，定位导航是保证机器人能在室内正常工作的关键技术之一。文章采用当前流行的机器人操作系统，通过激光雷达等传感器对环境进行扫描，并基于扫描点云数据匹配实现室内定位和导航，通过ROS和程序实现结果验证该系统具有良好的定位导航效果。 关键词：轮式机器人;机器人操作系统;激光雷达;SLAM;最短路径 自1959年世界第一台机器人诞生至今，机器人在市场上占有越来越重要的地位。从最初大型工厂的工业机器人，到现今走入千家万户的扫地机器人，机器人越来越贴近人类的日常生活。在众多种类的机器人中，轮式机器人占有较大份额。2014—2019年的全球機器人市场规 模平均增长率约为12.3%，在机器人市场结构中，服务机器人占比约为1/3。在我国，由于国家对公共基础建设投资力度强，所以服务机器人的市场需求尤为显著。2019年，我国服务机 器人市场规模有望达到22亿美元，高于全球服务机器人市场增速[1]。 在服务机器人的开发中，为达到自由移动、服务于多数人的目的，大多采用轮式机器人，且多属于室内服务机器人。场景多用于仓库搬运、室内引导、室内物品采集传递等。为保证机器人在一定空间内可以顺利地完成各项工作，机器人的精准定位和导航成为研究轮式机器人首要攻克难点。 机器人操作系统（Robot Operating System，ROS）是当前流行的机器人开发环境平台，该平台采用分布式架构，集成了底层驱动程序管理、程序发行包管理、程序间传递消息、硬件描述等相关服务[2]。由于该操作系统是开源操作系统，采用分布式架构，可扩展性高，因而可 单独设计每个运行程序，同时运行程序又具有松散耦合性。因此，自2010年正式发布以来，ROS操作系统受到众多机器人开发者的喜爱。 目前，机器人主要采用激光雷达作为定位导航的主要硬件，常见的激光雷达主要采用斜射式激光三角测距技术，雷达通过激光器扫描周围物体，当扫描到目标检测物体时，激光会发生反射和散射，反射光线经过接收器的透镜汇聚为光斑，光斑成像在感光耦合组件（Charge-coupled Device，CCD）的位置传感器上，机器人能更快速、精确地建图。当目标物体移动时，雷达内部嵌入式芯片，通过接收到的角度信息和距离信息，结合光斑的移动来计算目标物体的移动。
机器人定位技术介绍 前言 随着传感技术、智能技术和计算技术等的不断提高，智能移动机器人一定 能够在生产和生活中扮演人的角色。那么移动机器人定位技术主要涉及到 哪些呢？经总结目前移动机器人主要有这5大定位技术。 移动机器人超声波导航定位技术 超声波导航定位的工作原理也与激光和红外类似，通常是由超声波传感器的发射探头发射出超声波，超声波在介质中遇到障碍物而返回到接收装置。 通过接收自身发射的超声波反射信号，根据超声波发出及回波接收时间差及传播速度，计算出传播距离S，就能得到障碍物到机器人的距离，即有公式：S＝Tv／2式中，T—超声波发射和接收的时间差；v—超声波在介质中传播的波速。 当然，也有不少移动机器人导航定位技术中用到的是分开的发射和接收装置，在环境地图中布置多个接收装置，而在移动机器人上安装发射探头。 在移动机器人的导航定位中，因为超声波传感器自身的缺陷，如：镜面反射、有限的波束角等，给充分获得周边环境信息造成了困难，因此，通常采用多传感器组成的超声波传感系统，建立相应的环境模型，通过串行通信把传感器采集到的信息传递给移动机器人的控制系统，控制系统再根据采集的信号和建立的数学模型采取一定的算法进行对应数据处理便可以得到机器人的位置环境信息。 由于超声波传感器具有成本低廉、采集信息速率快、距离分辨率高等优点，长期以来被广泛地应用到移动机器人的导航定位中。而且它采集环境信息时不需要复杂的图像配备技术，因此测距速度快、实时性好。 同时，超声波传感器也不易受到如天气条件、环境光照及障碍物阴影、表面
粗糙度等外界环境条件的影响。超声波进行导航定位已经被广泛应用到各种移动机器人的感知系统中。 移动机器人视觉导航定位技术 在视觉导航定位系统中，目前国内外应用较多的是基于局部视觉的在机器人中安装车载摄像机的导航方式。在这种导航方式中，控制设备和传感装置装载在机器人车体上，图像识别、路径规划等高层决策都由车载控制计算机完成。 视觉导航定位系统主要包括：摄像机（或CCD图像传感器）、视频信号数字化设备、基于DSP的快速信号处理器、计算机及其外设等。现在有很多机器人系统采用CCD图像传感器，其基本元件是一行硅成像元素，在一个衬底上配置光敏元件和电荷转移器件，通过电荷的依次转移，将多个像素的视频信号分时、顺序地取出来，如面阵CCD传感器采集的图像的分辨率可以从 32×32到1024×1024像素等。 视觉导航定位系统的工作原理简单说来就是对机器人周边的环境进行光学处理，先用摄像头进行图像信息采集，将采集的信息进行压缩，然后将它反馈到一个由神经网络和统计学方法构成的学习子系统，再由学习子系统将采集到的图像信息和机器人的实际位置联系起来，完成机器人的自主导航定位功能。 GPS全球定位系统 如今，在智能机器人的导航定位技术应用中，一般采用伪距差分动态定位法，用基准接收机和动态接收机共同观测4颗GPS卫星，按照一定的算法即可求出某时某刻机器人的三维位置坐标。差分动态定位消除了星钟误差，对于在距离基准站1000km的用户，可以消除星钟误差和对流层引起的误差，因而可以显着提高动态定位精度。 但是因为在移动导航中，移动GPS接收机定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响，同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素的影响，因此，单纯利用GPS导航存在定位精度比较低、可靠性不高的问题，所以在机器人的导航应用中通常还辅以磁罗盘、光码盘和GPS的数据进行导
移动机器人的自主导航控制 一、研究的背景 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、计算机技术、机械工程、电子工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷、搜捕、救援、辐射和空间领域等有害与危险场合都得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。 在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，同时也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。导航是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。导航主要解决以下三方面的问题:(l)通过移动机器人的传感器系统获取环境信息;(2)用一定的算法对所获信息进行处理并构建环境地图;(3)根据地图实现移动机器人的路径规划及运动控制。 二、相关技术 移动机器人定位是指确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位置，是移动机器人导航的基本环节。定位方法根据机器人工作环境的复杂性、配备传感器种类和数量等方面的不同而采用多种方法。主要方法有惯性定位、标记定位、GPS定位、基于地图的定位等，它们都不同程度地适用于各种不同的环境，括室内和室外环境，结构化环境与非结构化环境。 惯性定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记录来粗略地确定移动机器人位置。该方法虽然简单，但是由于车轮与地面存在打滑现象，生的累积误差随路径的增加而增大，导致定位误差的逐渐累积，从而引起更大的差。 标记定位法是在移动机器人工作的环境里人为地设置一些坐标已知的标记，超声波发射器、激光反射板等，通过机器人的传感器系统对标记的探测来确定机器人在全局地图中的位置坐标。三角测量法是标记定位中常用的方法，机器人在同一点探测到三个陆标，并通过三角几何运算，由此可确定机器人在工作环境中的坐标。标记定位是移动机器人定位中普遍采用的方法，其可获得较高的定位精度且计量小，但是在实际应用中需要对环境作一些改造，添加相应的标记，不太符合真正意义的自主导航。 GPS定位是利用环绕地球的24颗卫星，准确计算使用者所在位置的庞大卫星网 定位系统。GPS定位技术应用已经非常广泛，除了最初的军事领域外，在民用方面也得到了广泛的应用，但是因为在移动导航中，移动GPS接收机定位精度受到卫 星信号状况和道路环境的影响，同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声
目录 第一章绪论 (3) 1.1引言 (3) 1.2移动机器人的定义与主要研究内容 (3) 1.2.1移动机器人的定义 (3) 1.2.2移动机器人的主要研究内容 (4) 1.3本文研究课题与内容安排 (5) 1.3.1研究课题 (5) 1.3.2内容安排 (6) 第二章移动机器人导航技术概述 (8) 2.1移动机器人工作环境表示方法 (8) 2.1.1几何地图 (8) 2.1.2拓扑地图 (10) 2.2移动机器人定位技术 (11) 2.2.1相对定位技术 (11) 2.2.2绝对定位技术 (12) 2.3移动机器人路径规划方法 (13) 2.3.1Dijkstra和A*图搜索算法 (13) 2.3.2人工势场法 (13) 2.3.3调和函数势场法 (14) 2.3.4回归神经网络法(RNN) (15) 第三章基于线段关系的扫描匹配定位 (17) 3.1环境描述 (17) 3.2定位传感器 (19) 3.3直线段提取................................................................................. . (20) 3.3.1LRF数据点分段 (20) 3.3.2直线拟合 (21) 3.3.3直线斜率计算 (21) 3.4线段关系(LSR)匹配 (23) 3.4.1判据选取 (23) 3.4.2递进式对应性计算 (25) 3.4.3距离关系比较的分离与合并 (26) 3.4.4最佳匹配搜索 (28) 3.4.5位姿计算 (29) 3.5实验及结果分析 (29) 第四章基于已知地图的路径规划 (32) 4.1基于A*算法的拓扑地图规划 (33) 4.1.1拓扑地图的表示 (33) 4.1.2A*算法 (34) 4.2基于回归神经网络(RNN)的栅格规划算法 (36) 4.2.1栅格环境的RNN表示 (36)
移动机器人的自主导航 一、研究的背景 二、移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功 能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、计算机技术、机械工程、电子工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、国防、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在排雷、搜捕、救援、辐射和空间领域等有害与危险场合都得到很好的应用。 因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。 三、在自主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，同时也 是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。导航是指移动机器人通过传感器感知环境信息和自身状态，实现在有障碍的环境中面向目标的自主运动。 导航主要解决以下三方面的问题:(l)通过移动机器人的传感器系统获取环境信息;(2)用一定的算法对所获信息进行处理并构建环境地图;(3)根据地图实现移动机器人的路径规划及运动控制。 四、相关技术 五、移动机器人定位是指确定机器人在工作环境中相对于全局坐标的位置，是 移动机器人导航的基本环节。定位方法根据机器人工作环境的复杂性、配备传感器种类和数量等方面的不同而采用多种方法。主要方法有惯性定位、标记定位、GPS定位、基于地图的定位等，它们都不同程度地适用于各种不同的环境，括室内和室外环境，结构化环境与非结构化环境。 六、惯性定位是在移动机器人的车轮上装有光电编码器，通过对车轮转动的记 录来粗略地确定移动机器人位置。该方法虽然简单，但是由于车轮与地面存在打滑现象，生的累积误差随路径的增加而增大，导致定位误差的逐渐累积，从而引起更大的差。 七、标记定位法是在移动机器人工作的环境里人为地设置一些坐标已知的标记， 八、超声波发射器、激光反射板等，通过机器人的传感器系统对标记的探测来 确定机器人在全局地图中的位置坐标。三角测量法是标记定位中常用的方法，机器人在同一点探测到三个陆标，并通过三角几何运算，由此可确定机器人在工作环境中的坐标。标记定位是移动机器人定位中普遍采用的方法，其可获得较高的定位精度且计量小，但是在实际应用中需要对环境作一些改造，添加相应的标记，不太符合真正意义的自主导航。 九、GPS定位是利用环绕地球的24颗卫星，准确计算使用者所在位置的庞大卫 星网定位系统。GPS定位技术应用已经非常广泛，除了最初的军事领域外，在民用方面也得到了广泛的应用，但是因为在移动导航中，移动GPS接收机定位精度受到卫星信号状况和道路环境的影响，同时还受到时钟误差、传播误差、接收机噪声等诸多因素的影响，因此，单纯利用GPS定位精度比较低、可靠性不高，所以在机器人的导航应用中通常还辅以磁罗盘、光码盘与GPS数据进行