在全球卫星导航系统拒止的环境里, 导航信息难以获取, 基于红外、超声波、射频、Wi-Fi、超宽带(UWB)等室内定位方法均需要辅助电子标签, 传统航位推算法只适合前向步态的路径跟踪, 在后向、左向、右向步态模式下会出现反向或垂直的路径错误。针对以上问题, 该文借助移动终端的惯性测量单元数据, 在不依赖任何电子标签模式导航的情况下, 实现短时多模式步态行人跟踪。结果表明, 通过多次重复测试, 步态检测准确率≥92%, 以实际车库场景为实验背景, 该文方法可获得全步态模式下自主路径跟踪, 路径追踪误差小于3 m。

在复杂环境下, 卫星导航信号容易受到干扰, 导致无人机卫星定位失效。提出了一种基于多点约束的微小型无人机自主定位技术, 通过机载光电测量平台对多个地面目标点进行观测, 根据地面目标点、像点和摄像机光心三点共线的几何关系建立无人机自主定位数学模型, 并结合最小二乘估计求解无人机自身空间位置。通过实验验证该方法的可行性与鲁棒性, 实验结果表明该方法能够在误差允许的范围内获取无人机位置信息, 可一定程度上丰富无人机自主定位理论。

为了解决地下工程场景下巡逻机器人的定位与建图问题,提出了一种基于点线特征融合的半直接单目视觉里程计(SVO)算法。本文算法可分为特征提取、状态估计和深度滤波器3个线程。特征提取线程负责图像点、线特征的提取;状态估计线程利用点、线特征不同的匹配与跟踪策略获得相机的6自由度位姿,并通过帧与帧、特征与特征、局部帧之间的约束关系进一步优化相机位姿;而深度滤波器线程通过概率分布的方式刻画三维路标点相对于相机光心的深度信息,该方式相对于固定深度值的方式能够提高深度估计的稳健性。本文算法在Euroc公开数据集运行的平均定位精度相对于LSD-SLAM算法提高了17.6%,而在Tum公开数据集上运行的平均定位精度相对于SVO 算法提高了6.4%。利用加载摄像头的机器人平台进行测试,实际运行的定位误差大约为1.17%,满足实际需求。

为了解决机器人室内定位时的绑架问题和相似物体的干扰，设计了一种具有图像内容匹配功能的视觉系统，从而使机器人能有效提取关键帧序列构建室内全局地图并实现自主定位。考虑影响图像内容匹配的主要干扰是机器人视角和位移造成的图像畸变，本文通过对室内物体的图像畸变建模与特征分析，设计了一种图像内容匹配方法。该方法以图像重叠区提取、基于子块分解匹配的重叠区重建两部分为核心，可将待匹配的两帧图像畸变调整为一致后再进行内容匹配并准确解算它们的相似度。其能有效利用各个房间内不同的景物和布局信息来消除相似物体的影响，从机器人学习环境时采集的视频中提取空间间距大且重叠相连的关键帧序列建立整栋建筑内部的全局导航地图。机器人工作时，实时视觉的图像内容与地图关键帧序列匹配，提取出与每个时刻视觉图像最相似的关键帧对机器人实施定位。在由3个房间和2条走廊组成的实验区进行了实验测试，结果表明: 机器人可有效消除相似物体的干扰，绑架发生时仍可通过与全局地图匹配实施准确自主定位，匹配准确率≥93%，定位精度误差(RMSE)<0.5 m。

针对目前利用天空偏振光信息进行导航, 仅能提供方向信息实现相对路径定位, 而不能获取载体的经纬度信息实现绝对定位的问题, 在前期工作中, 作者提出了一种基于天空偏振光、地球与太阳相对位置关系的自定位方法。本文中, 作者设计搭建了由天空偏振角测量装置、 OCTANS惯导组成的实验平台, 对该方法的可行性进行验证分析。实验结果表明, 该定位方法能够实时的获取相对可靠的地理位置, 且经纬度误差均值分别为 -0.149°和 0.418°。与 GPS定位系统相比, 虽然定位精度有待于进一步提高, 但可作为 GPS失效时的有效补充定位手段。

为同时对多个目标实施实时或准实时定位，建立了机载光电成像平台多目标自主定位系统，针对该系统提出一种基于像元视线向量的多目标自主定位模型。通过目标检测算法得到视场中各目标的像素坐标，根据单面阵电荷耦合器件(CCD)传感器的成像原理，构造各目标的视线向量并计算其与图像中心主目标的像元视线角，结合已测得的主目标相对光电平台的方位角、高低角和距离，计算出各目标与机载光电平台的角度与距离关系，应用全球定位系统(GPS)、航姿测量技术获取载机的位置姿态信息，通过齐次坐标变换方法计算出单幅图像中多个目标的大地坐标。针对镜头畸变引起的定位误差，提出基于畸变率的方法进行畸变修正。在1100 m 高空对地面目标定位时，多目标定位的圆概率误差(CEP)约为28.74 m，大地高定位误差约为18 m，能同时对50 个目标进行实时地理定位。当镜头畸变率为2%时，畸变修正后圆概率误差减小了7%。该多目标自主定位方法具有效率高，便于工程应用的优点。

为了提高机载光电测量设备定位精度，搭建了机载光电测量设备目标自主定位系统。利用齐次坐标转换的方法，构建了机载测量系统跟踪目标时的目标定位方程和定位误差方程，并利用蒙特卡洛法分析目标自主定位误差。引入小波分析理论对定位误差进行优化以提高目标自主定位精度。对实验数据和飞行实测数据进行了分析，结果显示，采用小波分析理论优化目标自主定位误差可以大幅提高目标自主定位精度，提高幅度达到70%，得到的结果验证了目标自主定位技术的可行性和优越性。文中的分析方法和内容同样也适用于地面跟踪测量平台和舰载跟踪测量设备。

针对高速无人机编队, 提出了一种无人机个体实现分布式自主定位的方法, 为无人机编队的自主飞行控制提供位置参数。将改进后的固定TDMA协议应用于无人机编队的自主飞行控制中, 增加了优先级以及竞争机制, 实现了时隙的动态分配, 为大业务量节点提供了负载均衡。仿真结果表明, 动态TDMA协议能够显著提高分组发送的成功率、降低业务的端到端平均时延、满足无人机自主编队控制的需求。

为实现用机载激光对埋地天然气管道泄漏进行遥感检测, 提出了机载激光自主定位管道的定位测量方法, 利用机载GPS和惯性姿态测量系统得到载机的位置和姿态, 结合已知的埋地管道地理位置信息, 采用解析几何中的点法式求出激光对管道的自主定位点; 然后利用坐标转换求出激光束在载机坐标系中的方位角和俯仰角, 通过机械机构驱动激光完成对管道的引导定位。利用自行研制的激光夹持对准机构进行了地面定点实验, 结果显示, 地面定位最大误差为8.4 m, 平均定位误差＜6.9 m; 若进一步提高载机姿态、位置传感器精度及执行机构精度, 激光对管道的引导定位误差会更小。结果表明本文所阐述的激光对埋地管道自主定位算法可用于机载激光对埋地天然气管道的遥感检测。