前言

隨著科技的飛速發展，移動機器人已經廣泛應用于工業、農業、軍事、醫療等多個領域，成為現代科技的重要組成部分。移動機器人的自主導航與定位技術是實現其智能化和自動化的關鍵，如何在復雜環境中實現精確的導航與定位，成了當前機器人研究的熱點和難點問題。本書旨在系統地總結和介紹移動機器人在無線導航與定位技術方面的最新研究成果及應用經驗，以便為讀者提供全面、深入的技術參考。

全書共6章，各章節內容概述如下：

第1章從移動機器人概念出發，介紹了移動機器人發展的歷史和現狀。移動機器人是指能夠在不依賴外部環境的情況下，通過自身攜帶的傳感器和控制系統，實現自主移動和操作的機器人系統。隨著傳感器技術、計算機技術和人工智能技術的進步，移動機器人技術得到了迅速的發展和廣泛應用。本章詳細討論了移動機器人的關鍵技術，包括傳感器技術、控制技術、路徑規劃技術和導航定位技術。特別是介紹了導航定位技術的概念、分類及發展趨勢，幫助讀者建立對導航定位技術的整體認識。

導航定位技術是移動機器人實現自主導航的核心技術之一。第2章詳細介紹了幾種常用的導航定位技術，包括衛星導航定位技術、同步定位與地圖構建（SLAM）技術、Wi-Fi定位技術、藍牙定位技術、ZigBee定位技術、RFID定位技術、地磁定位技術、智能天線定位技術、超聲波導航定位技術和紅外線定位技術。對每種技術的工作原理、系統組成、優缺點及在實際應用中的表現都進行了深入剖析，為讀者提供了全面的技術參考。

超寬帶（UWB）技術是近年來在室內定位領域興起的一種高精度定位技術。第3章詳細介紹了UWB技術的定義、特點及在室內定位中的應用。通過對UWB脈沖的產生和調制技術、UWB接收機設計、UWB室內定位算法等內容的深入介紹，讀者可以系統了解UWB技術的實現方法和應用場景。本章特別對基于UWB信道模型的定位算法、非視距環境下的定位算法及移動目標的定位跟蹤算法進行了詳細探討，展示了UWB技術在復雜環境中的應用潛力。

慣性導航技術是利用慣性傳感器（加速度計和陀螺儀）測量機器人運動狀態，實現自主導航的一種技術。第4章從慣性導航的基本概念和發展狀況出發，詳細介紹了慣性導航的基礎理論，包括地球形狀和重力模型、哥氏力和比力、常用坐標系及坐標變換與姿態等內容。捷聯慣性導航方法是本章的重點，讀者可以通過了解捷聯慣性導航系統的工作原理和初始定向工作原理，掌握慣性導航技術的實現方法。本章還介紹了慣性導航技術在艦船導航、行人定位、航空、導彈制導及電子行業中的應用，最后介紹了慣性導航技術的最新進展及未來發展趨勢。

SLAM技術是移動機器人實現自主導航與定位的核心技術之一。第5章詳細介紹了SLAM系統的基本狀況、常用SLAM算法及其發展中存在的問題與對策。基于特征點法的SLAM算法、基于直接法的SLAM算法及融合視覺和IMU的SLAM算法是本章的重點內容。語義SLAM技術是SLAM研究的前沿領域，本章詳細討論了語義信息在SLAM中的應用，包括用于特征選擇、動態SLAM、單目SLAM的尺度恢復及long-term定位等方面。本章還介紹了點線SLAM系統算法，展示了SLAM技術在提升定位精度方面的最新研究進展。

多源信息融合算法是提升導航定位精度和魯棒性的有效方法。第6章詳細介紹了基于卡爾曼濾波的狀態估計、多種弱敏卡爾曼濾波算法、Consider卡爾曼濾波算法及其在組合導航中的應用。通過對這些算法的深入分析，讀者可以了解如何在復雜環境中，通過融合多源信息實現高精度、高可靠性的導航定位。本章還探討了不確定系統下的卡爾曼濾波及其應用，為讀者展示了多源信息融合算法在應對導航定位挑戰中的重要作用。

本書不僅涵蓋了當前主流的導航定位技術，還深入探討了新興技術和前沿研究，力求為讀者提供最新的技術發展狀況和趨勢。通過閱讀本書，讀者可以全面掌握移動機器人無線導航定位技術的理論基礎和前沿技術，為未來的研究與開發工作打下堅實的基礎。

本書由趙紅梅負責組織，其主要撰寫了第1章、第3章、第6章的部分內容，王云飛參與了第3章內容的撰寫，焦玉召參與了第2章內容的撰寫，王曉雷參與了第4章內容的撰寫，丁國強參與了第5章內容的撰寫，婁泰山參與了第6章內容的撰寫，并得到了鄭州輕工業大學無線導航定位技術與裝備團隊和河南省“超寬帶無線通信技術”院士工作站研究團隊各位老師及研究生的大力支持。書中也引用了一些作者的論著及研究成果，在此對他們表示深深的謝意。本書由中國工程科技發展戰略河南研究院重點咨詢項目——“新一代信息技術對河南省機器人產業發展支撐與推進戰略研究”項目資助，項目編號2021HENZDB01，在此對項目管理方的支持表示感謝。

在本書的撰寫過程中，我們盡力做到內容翔實、結構清晰，但由于導航定位技術發展迅速，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。我們希望本書能夠對讀者有所幫助，從而為推動移動機器人技術的發展貢獻一份力量。

著者

2024年6月