【深度】多傳感器融合技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域和功能有了極大的拓展和提高。智能化已成為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，而傳感器技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化的基礎(chǔ)之一。由于單一傳感器獲得的信息非常有限，而且，還要受到自身品質(zhì)和性能的影響，因此，智能機(jī)器人通常配有數(shù)量眾多的不同類(lèi)型的傳感器，以滿(mǎn)足探測(cè)和數(shù)據(jù)采集的需要。若對(duì)各傳感器采集的信息進(jìn)行單獨(dú)、孤立地處理，不僅會(huì)導(dǎo)致信息處理工作量的增加，而且，割斷了各傳感器信息間的內(nèi)在聯(lián)系，丟失了信息經(jīng)有機(jī)組合后可能蘊(yùn)含的有關(guān)環(huán)境特征，造成信息資源的浪費(fèi)，甚至可能導(dǎo)致決策失誤。為了解決上述問(wèn)題人們提出了多傳感器融合技術(shù)(multi-sensorfusion)。

概述

多傳感器融合又稱(chēng)多傳感器信息融合(multi-sensor information fusion)，有時(shí)也稱(chēng)作多傳感器數(shù)據(jù)融合(multi-sensor data fusion)，于1973年在美國(guó)國(guó)防部資助開(kāi)發(fā)的聲納信號(hào)處理系統(tǒng)中被首次提出，它是對(duì)多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。它從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無(wú)用的和錯(cuò)誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化，也為智能信息處理技術(shù)的研究提供了新的觀念。

多傳感器融合的層次結(jié)構(gòu)

多傳感器融合在結(jié)構(gòu)上按其在融合系統(tǒng)中信息處理的抽象程度，主要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)層次:數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。

1.數(shù)據(jù)層融合：也稱(chēng)像素級(jí)融合，首先將傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)融合,然后從融合的數(shù)據(jù)中提取特征向量,并進(jìn)行判斷識(shí)別。數(shù)據(jù)層融合需要傳感器是同質(zhì)的(傳感器觀測(cè)的是同一物理現(xiàn)象),如果多個(gè)傳感器是異質(zhì)的(觀測(cè)的不是同一個(gè)物理量),那么數(shù)據(jù)只能在特征層或決策層進(jìn)行融合。數(shù)據(jù)層融合不存在數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題,得到的結(jié)果也是最準(zhǔn)確的,但計(jì)算量大，且對(duì)系統(tǒng)通信帶寬的要求很高。

2.特征層融合：特征層融合屬于中間層次，先從每種傳感器提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)中提取的有代表性的特征,這些特征融合成單一的特征向量,然后運(yùn)用模式識(shí)別的方法進(jìn)行處理。這種方法的計(jì)算量及對(duì)通信帶寬的要求相對(duì)降低,但由于部分?jǐn)?shù)據(jù)的舍棄使其準(zhǔn)確性有所下降。

3.決策層融合：決策層融合屬于高層次的融合，由于對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了濃縮,這種方法產(chǎn)生的結(jié)果相對(duì)而言最不準(zhǔn)確,但它的計(jì)算量及對(duì)通信帶寬的要求最低。

對(duì)于特定的多傳感器融合系統(tǒng)工程應(yīng)用,應(yīng)綜合考慮傳感器的性能、系統(tǒng)的計(jì)算能力、通信帶寬、期望的準(zhǔn)確率以及資金能力等因素,以確定哪種層次是最優(yōu)的。另外,在一個(gè)系統(tǒng)中,也可能同時(shí)在不同的融合層次上進(jìn)行融合。

多傳感器融合的算法

融合算法是融合處理的基礎(chǔ)。它是將多元輸入數(shù)據(jù)根據(jù)信息融合的功能要求,在不同融合層次上采用不同的數(shù)學(xué)方法,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,最終實(shí)現(xiàn)融合。目前已有大量的融合算法,它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。這些融合算法總體上法可以分為三大類(lèi)型：嵌入約束法、證據(jù)組合法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

1.嵌入約束法

由多種傳感器所獲得的客觀環(huán)境的多組數(shù)據(jù)就是客觀環(huán)境按照某種映射關(guān)系形成的像，傳感器信息融合就是通過(guò)像求解原像，即對(duì)客觀環(huán)境加以了解。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述就是，即使所有傳感器的全部信息，也只能描述環(huán)境的某些方面的特征，而具有這些特征的環(huán)境卻有很多，要使一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)惟一的環(huán)境(即上述映射為一一映射)，就必須對(duì)映射的原像和映射本身加約束條件，使問(wèn)題能有惟一的解。嵌入約束法有兩種基本的方法：貝葉斯估計(jì)和卡爾曼濾波。

2.證據(jù)組合法

證據(jù)組合法認(rèn)為完成某項(xiàng)智能任務(wù)是依據(jù)有關(guān)環(huán)境某方面的信息做出幾種可能的決策，而多傳感器數(shù)據(jù)信息在一定程度上反映環(huán)境這方面的情況。因此，分析每一數(shù)據(jù)作為支持某種決策證據(jù)的支持程度，并將不同傳感器數(shù)據(jù)的支持程度進(jìn)行組合，即證據(jù)組合，分析得出現(xiàn)有組合證據(jù)支持程度最大的決策作為信息融合的結(jié)果。

證據(jù)組合法是為完成某一任務(wù)的需要而處理多種傳感器的數(shù)據(jù)信息。它先對(duì)單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息每種可能決策的支持程度給出度量(即數(shù)據(jù)信息作為證據(jù)對(duì)決策的支持程度)，再尋找一種證據(jù)組合方法或規(guī)則，使在已知兩個(gè)不同傳感器數(shù)據(jù)(即證據(jù))對(duì)決策的分別支持程度時(shí)，通過(guò)反復(fù)運(yùn)用組合規(guī)則，最終得出全體數(shù)據(jù)信息的聯(lián)合體對(duì)某決策總的支持程度，得到最大證據(jù)支持決策，即傳感器信息融合的結(jié)果。

常用的證據(jù)組合方法有：概率統(tǒng)計(jì)方法、D-S(Dempster-Shafer)證據(jù)推理法。

3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)模仿人腦的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)和建立相應(yīng)的機(jī)器和模型并完成一定的智能任務(wù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)所接收到的樣本的相似性，確定分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。這種確定方法主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)權(quán)值分布上，同時(shí)可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特定的學(xué)習(xí)算法來(lái)獲取知識(shí)，得到不確定性推理機(jī)制。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的多傳感器信息融合，分三個(gè)主要步驟：

(1).根據(jù)智能系統(tǒng)要求及傳感器信息融合的形式，選擇其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

(2).各傳感器的輸入信息綜合處理為一總體輸入函數(shù)，并將此函數(shù)映射定義為相關(guān)單元的映射函數(shù),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境的交互作用把環(huán)境的統(tǒng)計(jì)規(guī)律反映網(wǎng)絡(luò)本身的結(jié)構(gòu);

(3).對(duì)傳感器輸出信息進(jìn)行學(xué)習(xí)、理解，確定權(quán)值的分配，進(jìn)而對(duì)輸入模式作出解釋?zhuān)瑢⑤斎霐?shù)據(jù)向量轉(zhuǎn)換成高級(jí)邏輯(符號(hào))概念。

前景展望

在多傳感器融合技術(shù)中，融合結(jié)構(gòu)、融合算法都占有重要地位。隨著多傳感器融合研究與應(yīng)用的深入,未來(lái)的多傳感器融合將會(huì)是一個(gè)更加復(fù)雜的信息處理過(guò)程,不僅包括許多具體的算法,而且結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。如何根據(jù)實(shí)際應(yīng)用將算法與結(jié)構(gòu)有機(jī)地結(jié)合在一起,為整個(gè)融合系統(tǒng)提供更加有效的融合策略,這是未來(lái)多傳感器融合研究所要解決的主要問(wèn)題。目前已有大量的融合算法,它們都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),需要通過(guò)合理的融合結(jié)構(gòu)將這些算法組合在一起,使其揚(yáng)長(zhǎng)避短,構(gòu)成更加有效的融合方法。另外,多傳感器融合還將面臨一個(gè)難題,那就是動(dòng)態(tài)與未知環(huán)境下的融合問(wèn)題，這無(wú)疑會(huì)對(duì)融合方法提出更高的要求。這不僅需要性能更好的融合算法,而且需要更加靈活的融合結(jié)構(gòu),提高融合系統(tǒng)的自適應(yīng)性和魯棒性。