智能感知時代下的定位與導(dǎo)航教學(xué)改進

呂品

摘 要：近年來，隨著軍用、民用科技的迅速發(fā)展，其相關(guān)領(lǐng)域的自動化程度越來越高。而在自動化領(lǐng)域，載體的自主定位、對周圍環(huán)境的智能感知是重要的技術(shù)保障。《定位與導(dǎo)航》課程是自動化專業(yè)的專業(yè)課程，主要介紹定位、導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)。然而，該課程授課內(nèi)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(fā)展對智能感知的需求，并相應(yīng)地提出了《定位與導(dǎo)航》課程的授課改進意見。

關(guān)鍵詞：智能感知 自主定位 定位與導(dǎo)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(lián)網(wǎng)、無人駕駛、共享經(jīng)濟的發(fā)展，對智能感知技術(shù)提出了越來越高的要求。物聯(lián)網(wǎng)是要將每個物體進行聯(lián)網(wǎng)，其核心技術(shù)之一是對網(wǎng)絡(luò)中的每個物體進行定位。無人駕駛是汽車行業(yè)未來的重要發(fā)展方向，需要對周圍環(huán)境進行智能感知。共享經(jīng)濟是對物品進行共享使用的一種經(jīng)濟模式，其實現(xiàn)的前提之一即是需要對物品進行定位。

為了適應(yīng)新興科技的產(chǎn)生與變革，貫徹創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的方針，國家發(fā)布了“中國制造2025”的戰(zhàn)略計劃。而教育部為了儲備相應(yīng)人才，于2017年推出了高等學(xué)校的新工科建設(shè)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(dǎo)航》課程是屬于高校自動化專業(yè)的一門專業(yè)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(shù)與方法。在21世紀前，定位技術(shù)主要服務(wù)于軍方，民用定位需求較少。由于該課程設(shè)立較早，因此課程內(nèi)容主要圍繞軍用導(dǎo)航技術(shù)開展。近年來，隨著導(dǎo)航民用技術(shù)的不斷發(fā)展，需要結(jié)合實際需求，在課程中對相關(guān)技術(shù)進行介紹與演示，以使學(xué)生能夠?qū)W習(xí)到前沿知識。

1 軍民新型智能感知技術(shù)

智能感知是一項軍民共用的共性技術(shù)。在軍用方面，其涉及對戰(zhàn)機、戰(zhàn)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(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛：車輛定位、無人機定位、行人導(dǎo)航、人臉識別等，均涉及到了定位與感知的相關(guān)技術(shù)。

1.1 軍用領(lǐng)域?qū)χ悄芨兄男枨?/p>

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其全球性、連續(xù)性、高精度，是目前應(yīng)用最廣的導(dǎo)航系統(tǒng)，例如，美國的GPS，我國的北斗。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)屬于無線電導(dǎo)航方式，其通過太空中的衛(wèi)星對地發(fā)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(dǎo)航方式易受外界干擾。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航信號，誘捕了美國兩架無人機。

隨著戰(zhàn)爭對抗性增強，要求導(dǎo)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(gòu)，主要負責(zé)研發(fā)軍事高新技術(shù)。近年來，DARPA制定了多項衛(wèi)星導(dǎo)航拒止環(huán)境下的導(dǎo)航發(fā)展規(guī)劃[2]。衛(wèi)星導(dǎo)航拒止，指的是由于自然或人為因素，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無法使用的環(huán)境。

2014年，DARPA啟動了輕質(zhì)小型自動化（Fast Lightweight Autonomy，F(xiàn)LA）計劃，目的為提高小型無人機在GPS拒止環(huán)境中執(zhí)行自主飛行任務(wù)的能力。2016年，麻省理工學(xué)院完成了FLA項目首飛，其研發(fā)的小型旋翼飛行器達到了20m/s的飛行速度。2017年，F(xiàn)LA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(xiàn)了自主避障飛行。2018年，F(xiàn)LA項目進行了室內(nèi)自主感知、路徑規(guī)劃飛行測試。

2015年，DARPA啟動了拒止環(huán)境下聯(lián)合作戰(zhàn)（Collaborative Operations in Denied Environment ，CODE）計劃，旨在提高GPS拒止環(huán)境下的多無人機編隊的自主協(xié)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(xiàn)了仿真環(huán)境下的多無人機自主協(xié)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(qū)、GPS拒止環(huán)境下相對導(dǎo)航、動態(tài)路徑規(guī)劃等任務(wù)。

1.2 民用領(lǐng)域?qū)χ悄芨兄男枨?/p>

在民用方面，隨著現(xiàn)代化社會的發(fā)展，各類行業(yè)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(chǎn)業(yè)，其屬于智能汽車的一種，通過傳感器與算法實現(xiàn)無人駕駛的目的。在無人駕駛中，自主定位與環(huán)境感知是其重要的兩項技術(shù)。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(xiàn)。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(huán)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(xù)控制提供參考。

近年來，民用無人機得到了較大的發(fā)展，以大疆科技為代表的企業(yè)以代表了國際無人機行業(yè)的最高水平。民用無人機被廣泛應(yīng)用于娛樂攝影、精準農(nóng)業(yè)、物流運輸、交通監(jiān)測、資源勘探等領(lǐng)域[3]，而準確的定位與感知技術(shù)則是其成功執(zhí)行任務(wù)的前提。例如，在精準農(nóng)業(yè)中，為了得到準確的位置，需要采用差分GPS技術(shù)；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(shù)是無人機避障的有力保障。

家用機器人是指為家庭服務(wù)的特種機器人，其可提供運輸、清洗、監(jiān)護等服務(wù)。對于機器人，其若想實現(xiàn)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(zhí)行任務(wù)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(dǎo)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(lǐng)域，對載體自身的定位，以及對周邊環(huán)境的感知均是一項重要的共性技術(shù)。這要求在《定位與導(dǎo)航》課程中，需要結(jié)合軍民需求，講授相應(yīng)的理論知識，并結(jié)合實際應(yīng)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(diào)整、完善授課內(nèi)容

在目前的《定位與導(dǎo)航》課程中，其授課內(nèi)容主要圍繞慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航等傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式。而在智能感知時代，其出現(xiàn)的許多新型導(dǎo)航方式?jīng)]有包含在授課內(nèi)容中。主要包括以下幾類：基于固定設(shè)施的導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、激光雷達導(dǎo)航、穿戴式導(dǎo)航?；诠潭ㄔO(shè)施的導(dǎo)航，指的是需要預(yù)先架設(shè)固定設(shè)備，以作為導(dǎo)航的參考基準，例如運動捕捉系統(tǒng)、超寬帶定位、wifi定位等。視覺導(dǎo)航，指的是通過機器視覺原理，對載體的位置、姿態(tài)進行估計。在激光雷達導(dǎo)航中，通過激光雷達傳感器對周圍環(huán)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(dǎo)航是利用智能穿戴設(shè)備，如智能手表、智能頭盔、智能鞋、智能眼鏡等，安裝微型導(dǎo)航傳感器，從而對行人進行導(dǎo)航。需要結(jié)合這些新型的導(dǎo)航技術(shù)，對現(xiàn)有課程內(nèi)容進行補充。然而，由于上述技術(shù)較為前沿，目前還未有與之相關(guān)的教材。因此，教師在準備課程時，需要結(jié)合相關(guān)的學(xué)術(shù)論文、網(wǎng)絡(luò)資料進行整理。

2.2 結(jié)合工程實際，進行項目講解與實物演示

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

3 結(jié)語

軍用、民用技術(shù)的發(fā)展對智能感知提出了更高的需求：在軍用領(lǐng)域，作戰(zhàn)平臺在拒止環(huán)境下的自主導(dǎo)航、環(huán)境感知是現(xiàn)代戰(zhàn)爭的重要技術(shù)；在民用領(lǐng)域，廣域范圍內(nèi)的定位、環(huán)境的智能認知是未來的發(fā)展方向?！抖ㄎ慌c導(dǎo)航》作為相關(guān)課程，需要從授課內(nèi)容、授課形式上進行相應(yīng)調(diào)整與改進，以適應(yīng)時代的發(fā)展。

參考文獻

[1] 趙艷芝，張瑞敏.物聯(lián)網(wǎng)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(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[J].導(dǎo)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.