智能感知時代下的定位與導航教學改進

呂品

摘 要：近年來，隨著軍用、民用科技的迅速發展，其相關領域的自動化程度越來越高。而在自動化領域，載體的自主定位、對周圍環境的智能感知是重要的技術保障。《定位與導航》課程是自動化專業的專業課程，主要介紹定位、導航相關技術。然而，該課程授課內容目前沒有跟蹤最新的定位與感知方式。針對于此，本文分析了軍用、民用科技發展對智能感知的需求，并相應地提出了《定位與導航》課程的授課改進意見。

關鍵詞：智能感知 自主定位 定位與導航

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（c）-0225-02

智能感知指的是通過傳感器對載體自身進行定位，并對目標物進行測量與認知[1]。近年來，隨著物聯網、無人駕駛、共享經濟的發展，對智能感知技術提出了越來越高的要求。物聯網是要將每個物體進行聯網，其核心技術之一是對網絡中的每個物體進行定位。無人駕駛是汽車行業未來的重要發展方向，需要對周圍環境進行智能感知。共享經濟是對物品進行共享使用的一種經濟模式，其實現的前提之一即是需要對物品進行定位。

為了適應新興科技的產生與變革，貫徹創新驅動發展的方針，國家發布了“中國制造2025”的戰略計劃。而教育部為了儲備相應人才，于2017年推出了高等學校的新工科建設計劃，目的是探索符合中國國情的工程教育新模式。

《定位與導航》課程是屬于高校自動化專業的一門專業課，其主要講授航空、航天、航海以及車輛等多種載體的定位技術與方法。在21世紀前，定位技術主要服務于軍方，民用定位需求較少。由于該課程設立較早，因此課程內容主要圍繞軍用導航技術開展。近年來，隨著導航民用技術的不斷發展，需要結合實際需求，在課程中對相關技術進行介紹與演示，以使學生能夠學習到前沿知識。

1 軍民新型智能感知技術

智能感知是一項軍民共用的共性技術。在軍用方面，其涉及對戰機、戰車、軍艦等載體自身的定位，以及對敵方目標的感知。在民用方面，其應用領域更為廣泛：車輛定位、無人機定位、行人導航、人臉識別等，均涉及到了定位與感知的相關技術。

1.1 軍用領域對智能感知的需求

衛星導航系統憑借其全球性、連續性、高精度，是目前應用最廣的導航系統，例如，美國的GPS，我國的北斗。衛星導航系統屬于無線電導航方式，其通過太空中的衛星對地發射無線電信號，載體通過接收機接收信號并對自身進行定位，該種導航方式易受外界干擾。在現代戰爭中，衛星導航系統這種弱點容易被利用，造成嚴重后果。例如，在2011年與2017年，伊朗通過干擾與模擬衛星導航信號，誘捕了美國兩架無人機。

隨著戰爭對抗性增強，要求導航具有更強的自主性與可靠性。DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency），美國國防高級研究計劃局，是隸屬于美國國防部的行政機構，主要負責研發軍事高新技術。近年來，DARPA制定了多項衛星導航拒止環境下的導航發展規劃[2]。衛星導航拒止，指的是由于自然或人為因素，衛星導航系統無法使用的環境。

2014年，DARPA啟動了輕質小型自動化（Fast Lightweight Autonomy，FLA）計劃，目的為提高小型無人機在GPS拒止環境中執行自主飛行任務的能力。2016年，麻省理工學院完成了FLA項目首飛，其研發的小型旋翼飛行器達到了20m/s的飛行速度。2017年，FLA項目進行了避障飛行測試。試驗飛行器中搭載了慣性傳感器、激光雷達、視覺傳感器等多類傳感器，實現了自主避障飛行。2018年，FLA項目進行了室內自主感知、路徑規劃飛行測試。

2015年，DARPA啟動了拒止環境下聯合作戰（Collaborative Operations in Denied Environment ，CODE）計劃，旨在提高GPS拒止環境下的多無人機編隊的自主協作能力。2016年，CODE項目完成了仿真論證，其通過仿真模擬了多架無人機編隊，并實現了仿真環境下的多無人機自主協作。2018年，CODE項目進行了飛行測試，完成了編隊飛行、避開禁飛區、GPS拒止環境下相對導航、動態路徑規劃等任務。

1.2 民用領域對智能感知的需求

在民用方面，隨著現代化社會的發展，各類行業對智能感知也提出了越來越迫切的需求。無人駕駛汽車是近年來新興的產業，其屬于智能汽車的一種，通過傳感器與算法實現無人駕駛的目的。在無人駕駛中，自主定位與環境感知是其重要的兩項技術。自主定位指的是對汽車的實時位置進行估計，通常采用慣性傳感器、GPS以及視覺傳感器實現。慣性傳感器、GPS目的是提供車輛的絕對位置，視覺傳感器是為了測量相對車道線的相對位置，為車道線定位提供保障。環境感知指的是需要對車輛周圍的其他車輛、行人、路標等進行辨識，從而為車輛的后續控制提供參考。

近年來，民用無人機得到了較大的發展，以大疆科技為代表的企業以代表了國際無人機行業的最高水平。民用無人機被廣泛應用于娛樂攝影、精準農業、物流運輸、交通監測、資源勘探等領域[3]，而準確的定位與感知技術則是其成功執行任務的前提。例如，在精準農業中，為了得到準確的位置，需要采用差分GPS技術；在電力巡查中，為了能夠準確跟蹤電纜，視覺巡線是一種較好的解決方案；在洞穴勘察中，超聲波、激光測距技術是無人機避障的有力保障。

家用機器人是指為家庭服務的特種機器人，其可提供運輸、清洗、監護等服務。對于機器人，其若想實現與人的互動，必然需要感知人類的位置、行為、甚至情緒。而且，機器人在執行任務的過程中需要對自身進行定位，并對周圍障礙進行感知。目前，機器人常用的傳感器包括視覺傳感器、激光雷達、輪速傳感器等。

2 定位與導航課程改進與實踐

通過上文分析，可以看出無論在軍用還是民用領域，對載體自身的定位，以及對周邊環境的感知均是一項重要的共性技術。這要求在《定位與導航》課程中，需要結合軍民需求，講授相應的理論知識，并結合實際應用實例進行分析。針對于此，對該課程的講授提出以下建議。

2.1 調整、完善授課內容

在目前的《定位與導航》課程中，其授課內容主要圍繞慣性導航、衛星導航、無線電導航等傳統的導航方式。而在智能感知時代，其出現的許多新型導航方式沒有包含在授課內容中。主要包括以下幾類：基于固定設施的導航、視覺導航、激光雷達導航、穿戴式導航。基于固定設施的導航，指的是需要預先架設固定設備，以作為導航的參考基準，例如運動捕捉系統、超寬帶定位、wifi定位等。視覺導航，指的是通過機器視覺原理，對載體的位置、姿態進行估計。在激光雷達導航中，通過激光雷達傳感器對周圍環境的點云信息進行感知，從而進一步確定載體自身位置。穿戴式導航是利用智能穿戴設備，如智能手表、智能頭盔、智能鞋、智能眼鏡等，安裝微型導航傳感器，從而對行人進行導航。需要結合這些新型的導航技術，對現有課程內容進行補充。然而，由于上述技術較為前沿，目前還未有與之相關的教材。因此，教師在準備課程時，需要結合相關的學術論文、網絡資料進行整理。

2.2 結合工程實際，進行項目講解與實物演示

定位與導航是一門面向工程的專業課程，為了讓學生能夠做到學以致用，在授課的時候需要結合實際進行講解。一方面，產教融合，結合實際的工程項目對相關內容進行闡述。例如，在講解視覺導航時，可以結合無人機、無人車中的視覺導航方案。另一方面，在教學中采用模具直觀、實物直觀的方式，令學生對學習對象有直觀的認識。例如，為更好的講解穿戴式導航設備，作者團隊研發了基于智能頭盔、智能鞋的穿戴式設備，在教學中取得了良好效果。

3 結語

軍用、民用技術的發展對智能感知提出了更高的需求：在軍用領域，作戰平臺在拒止環境下的自主導航、環境感知是現代戰爭的重要技術；在民用領域，廣域范圍內的定位、環境的智能認知是未來的發展方向。《定位與導航》作為相關課程，需要從授課內容、授課形式上進行相應調整與改進，以適應時代的發展。

參考文獻

[1] 趙艷芝，張瑞敏.物聯網中的智能感知[J].科技視界， 2016，43（12）：249.

[2] 王慧哲，曾慶化.基于因子圖的無人機全源導航關鍵技術研究[J].導航與控制，2017，16（2）：1-5.

[3] Pin Lyu， Yasir Malang.Autonomous cyanobacterial harmful algal blooms monitoring using multirotor UAS [J]. International Journal of Remote Sensing， 2017，38（8-10）：2818-2843.