多传感器信息融合
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多传感器信息融合近年来,随着计算机技术、通讯技术的发展,特别是军事上的迫切要求,多传感器信息融合技术得到了迅速的发展。
信息融合作为一门跨学科的综合信息处理理论,涉及系统论、信息论、控制论、人工智能和计算机通信等众多的领域和科学,它被广泛应用于自动目标识别、战场监视、自动飞行器导航、机器人、遥感、医疗诊治、图像处理等领域。
信息融合技术首先应用于军事领域,包括航空目标的探测、识别和跟踪,以及战场监视、战术态势估计和威胁估计等;在地质科学领域上,信息融合应用于遥感技术,包括卫星图像和航空拍摄图像的研究;在机器人技术和智能航行器研究领域,信息融合主要被应用于机器人对周围环境的识别和自动导航;信息融合技术也被应用于医疗诊断以及一些复杂工业过程控制领域。
1多传感器信息融合的定义传感器获得的信息有3类:冗余信息、互补信息和协同信息。
冗余信息是由多个独立传感器提供的关于环境信息中同一特征的多个信息,也可以是某一传感器在一段时间内多次测量得到的信息。
在一个多传感器系统中,若每个传感器提供的环境特征是彼此独立的,即感知的是环境各个不同侧面的信息,则这些信息称为互补信息。
在一个多传感器系统中,若一个传感器信息的获得必须依赖另一个传感器的信息,或一个传感器必须与另一个传感器配合工作才能获得所需的信息时,则这两个传感器提供的信息称为协同信息。
多传感器信息融合,又称多传感器数据融合,指的是对不同知识源和多个传感器所获得的信息进行综合处理,消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾,利用信息互补,降低不确定性,以形成对系统环境相对完整一致的理解,从而提高智能系统决策和规划的科学性、反应的快速性和正确性,进而降低决策风险过程。
图1是多传感器信息融合的示意图,传感器之间的冗余信息增强了系统的可靠性,多传感器之间的互补信息扩展了单个传感器的性能。
一般而言,多传感器融合系统具有以下优点:一是提高系统的可靠性和鲁棒性,二是扩展时间上和空间上的观测范围,三是增强数据的可信任度,四是增强系统的分辨能力。
多传感器信息融合及其运用多传感器信息融合是指利用不同传感器获取的信息并结合,以提高信息的准确性、完整性和可靠性。
随着科技的不断发展,传感器技术已经成为人们生活和工作中不可或缺的一部分,而多传感器信息融合技术的运用也越来越广泛。
本文将介绍多传感器信息融合的原理、技术和应用,并探讨其在各个领域的重要性和发展前景。
一、多传感器信息融合的原理和技术多传感器信息融合的原理是将来自不同传感器的信息进行整合,以得到更完整、准确的信息。
在实际应用中,多传感器信息融合通常包括数据融合、特征融合和决策融合三个方面。
数据融合是指将来自不同传感器的原始数据进行整合和处理,以得到更准确和可靠的信息。
这包括数据的预处理、校正、修正、配准、对齐、筛选和融合等过程。
数据融合技术主要包括数学建模、统计分析、数据处理、信号处理和图像处理等方法。
特征融合是指在数据融合的基础上,通过提取和融合不同传感器获取的特征信息,以得到更全面和丰富的信息。
特征融合技术主要包括特征提取、特征匹配、特征提取、特征融合和特征选择等方法。
决策融合是指在特征融合的基础上,通过运用不同的决策算法和技术,对融合后的信息进行最终的判定和决策。
决策融合技术主要包括模式识别、机器学习、人工智能、专家系统和智能控制等方法。
多传感器信息融合技术在军事、航空航天、环境监测、智能交通、医疗健康、工业制造、物联网等领域具有广泛的应用价值和前景。
在军事领域,多传感器信息融合技术被广泛应用于军事侦察、目标识别、导航定位、火力打击等方面,能够提高情报作战和精确打击的能力,提高作战效能和战场生存能力。
在航空航天领域,多传感器信息融合技术被广泛应用于航空器导航、空中交通管理、航天器控制、星座导航、太空探测等方面,能够提高航行安全和导航精度,提高系统可靠性和性能指标。
在环境监测领域,多传感器信息融合技术被广泛应用于气象预测、地震预警、海洋观测、污染监测等方面,能够提高监测精度和覆盖范围,提高预警和应急响应能力。
多传感器信息融合研究综述多传感器信息融合是指从多个传感器获取的不同类型的数据进行整合和分析,以获得更准确、更完整的信息。
随着传感技术的不断进步和应用的扩大,多传感器信息融合成为了许多领域的研究热点,如环境监测、交通管理、智能机器人等。
本文将从多传感器信息融合的定义、分类、算法以及应用领域等方面进行综述。
首先,多传感器信息融合的定义。
多传感器信息融合是指通过不同类型的传感器获取的数据进行融合和分析,以提高信息的精确性和可靠性。
这些传感器可以是同种类型的,如多个摄像头用于图像融合;也可以是不同类型的,如摄像头和温湿度传感器用于环境监测。
其次,多传感器信息融合可分为数据级信息融合和特征级信息融合。
数据级信息融合是指直接采用传感器原始数据进行处理和融合,如数据融合、数据对准等。
特征级信息融合是指从传感器数据中提取有用的特征,并将这些特征进行融合和分析,如特征抽取、特征选择等。
数据级信息融合和特征级信息融合可以相互补充,提高信息融合的准确性和鲁棒性。
再次,多传感器信息融合的算法主要包括基于模型的方法和基于数据的方法。
基于模型的方法是指根据传感器的物理模型和系统模型,将传感器数据与模型进行匹配和融合,如卡尔曼滤波器、粒子滤波器等。
基于数据的方法是指根据大量的历史数据进行统计分析和建模,以获得传感器数据之间的关联性,并进行数据融合和预测,如神经网络、支持向量机等。
最后,多传感器信息融合在许多领域都得到了广泛的应用。
在环境监测方面,多传感器信息融合可以帮助提高空气质量、水质监测的准确性;在交通管理方面,多传感器信息融合可以帮助更准确地监测交通流量、路况等信息;在智能机器人方面,多传感器信息融合可以帮助机器人实现自主导航、目标识别等功能。
综上所述,多传感器信息融合是通过将不同类型的传感器数据进行整合和分析,以提高信息的精确性和可靠性的方法。
多传感器信息融合可以分为数据级信息融合和特征级信息融合,其算法主要包括基于模型的方法和基于数据的方法。
一、概述随着物联网、智能交通系统、智能制造等领域的迅速发展,传感器技术的应用日益广泛。
多传感器信息融合技术作为其中一种重要技术,其原理和应用备受关注。
本文将针对多传感器信息融合技术的原理和应用进行深入探讨。
二、多传感器信息融合技术的原理1. 传感器信息融合概述传感器信息融合是利用多个传感器获得的信息,通过合理的融合算法和处理方法,得到比单个传感器更准确、更全面的信息。
传感器信息融合技术在多领域有着广泛的应用,如军事、航空航天、智能交通等。
2. 传感器融合的优势多传感器信息融合技术的优势主要表现在提高信息获取的准确性、可靠性和全面性等方面。
通过融合多个传感器的信息,可以弥补单个传感器信息不足的缺陷,提高信息的综合利用效率。
3. 传感器信息融合的原理传感器信息融合的原理主要包括数据融合和决策融合两个方面。
数据融合是将来自不同传感器的原始数据进行整合处理,得到更完整、更准确的信息;决策融合则是基于融合后的数据进行分析和判断,得出最终的决策结果。
4. 传感器信息融合的方法在实际应用中,常见的传感器信息融合方法包括卡尔曼滤波、粒子滤波、最大似然估计等。
这些方法在不同的应用场景下都能够有效地实现传感器信息的融合和提取。
三、多传感器信息融合技术的应用1. 智能交通系统中的应用在智能交通系统中,通过融合多个传感器的信息,如地磁传感器、摄像头、雷达等,可以实现对车辆、行人的实时监测和跟踪,提高交通管理的效率和精准度。
2. 智能制造领域中的应用在智能制造领域,通过融合各类传感器的信息,可以实现对生产过程的实时监测和控制,提高生产效率和产品质量。
3. 军事领域中的应用在军事领域,多传感器信息融合技术被广泛应用于目标探测、识别和追踪等方面,可以提高军事作战的效能和保障国家安全。
四、多传感器信息融合技术的发展趋势1. 传感器融合技术的发展随着传感器技术的不断发展和进步,传感器信息融合技术也在不断演进,新的传感器类型和融合算法不断涌现。
多传感器信息融合技术研究多传感器信息融合技术(Multi-sensor Information Fusion Technology)是一种通过整合多种传感器信息来获得更好结果的技术。
多传感器信息融合技术能够有效地解决单一传感器无法完成的任务,例如环境感知、目标检测和定位等。
本文将讨论多传感器信息融合技术的概念、应用、挑战和未来发展方向。
一、多传感器信息融合技术的概念多传感器信息融合技术是指通过整合多种类型的传感器信息,以及运用人工智能和机器学习算法等技术,将信息转换为更精确的数据和知识。
多传感器信息融合技术能够将多种数据源(如可见光、红外、声音、气体、温度等)的信息相结合,以获取丰富的信息和更完整的数据。
通过多传感器信息融合技术,可以提高传感器的工作效率和准确性。
二、多传感器信息融合技术的应用1.智能交通:多传感器信息融合技术已经在智能交通领域得到了广泛应用。
通过整合多种类型的传感器(如雷达、视频、红外、微波、光学等),交通系统可以实时监测交通流量、车辆速度和事故等情况,并实现智能化的交通管制。
2.工业生产:在工业生产中,多传感器信息融合技术可以帮助企业检测设备故障、监测生产过程和优化生产效率。
通过整合不同类型传感器的信息,可以更精确地实现设备状态监测和故障诊断。
3.智能家居:多传感器信息融合技术可以帮助智能家居系统实现个性化的家居控制。
例如,通过整合温度、湿度、光线等传感器的信息,系统可以自动地调整室内温度和照明等环境,提供更舒适和安全的家庭环境。
三、多传感器信息融合技术的挑战多传感器信息融合技术的应用还面临一些挑战。
首先,不同类型传感器所采集的信息不一定匹配,因此需要对传感器信息进行标准化处理。
其次,传感器之间可能存在互相影响的情况,例如传感器之间的干扰或协作。
最后,多传感器信息融合技术需要用复杂的算法实现数据的整合和分析,算法的复杂度和计算量也需要考虑。
四、多传感器信息融合技术的未来发展方向未来多传感器信息融合技术的发展趋势将更加注重智能化和自主化。
多传感器信息融合技术(二)引言概述:多传感器信息融合技术在现代智能系统中扮演着重要的角色。
通过将来自不同传感器的信息进行整合和分析,可以获得更准确、全面的环境信息,从而提高系统的感知、决策和控制能力。
本文将介绍多传感器信息融合技术的相关概念、应用场景以及其在智能系统中的作用。
正文:一、多传感器信息融合技术的基本原理1. 传感器信息的获取与处理2. 信息融合的定义与分类3. 信息融合的基本原理和方法4. 信息融合中的数据预处理及特征提取5. 信息融合中的数据关联与融合方法二、多传感器信息融合技术的应用场景1. 环境监测与控制系统2. 智能交通与车辆控制系统3. 人体生理及运动监测系统4. 无人系统及机器人导航系统5. 智能医疗系统三、多传感器信息融合技术在智能系统中的作用1. 提高系统感知能力2. 提升决策和控制效果3. 增强对复杂环境的适应能力4. 改善系统的鲁棒性和可靠性5. 优化系统的资源利用效率四、多传感器信息融合技术的挑战与未来发展方向1. 传感器异构性与信息不确定性2. 大规模数据的处理与存储3. 隐私保护与信息安全性4. 深度学习与人工智能的结合5. 自适应信息融合方法的研究五、总结通过对多传感器信息融合技术的概述和探讨,我们可以看到它在提高智能系统感知能力、决策与控制效果方面的重要作用。
然而,要克服传感器异构性、信息不确定性等挑战并进一步推动技术的发展,还有一些问题需要解决。
未来,结合深度学习与人工智能的发展趋势,自适应信息融合方法的研究将成为重要的研究方向。
多传感器信息融合技术的不断创新和应用将为智能系统带来更多的机遇和挑战。
多传感器信息融合及其运用多传感器信息融合是指通过多个传感器收集的数据进行融合,以提高信息的准确性和可靠性。
在许多应用领域,如无人驾驶汽车、机器人导航和环境监测等,多传感器信息融合发挥着重要的作用。
在传感器网络中,每个传感器可以收集到特定的信息,例如温度、湿度、光强等。
由于各种因素的影响,每个单独的传感器可能存在一定的误差。
多传感器信息融合可以通过对多个传感器收集的数据进行融合和分析,减小误差,得到更加准确和可靠的结果。
多传感器信息融合的核心思想是将不同传感器的数据进行权衡和组合,从而得到更准确的结果。
对于每个传感器的测量结果,可以通过建立数学模型或者使用机器学习的方法来估计其误差。
然后,可以利用这些误差估计值来确定每个传感器数据的权重。
根据权重,可以将每个传感器数据进行组合,得到融合后的结果。
多传感器信息融合可以用于许多实际应用中。
在无人驾驶汽车中,通过融合多个传感器的数据,可以实时地感知车辆周围的环境,包括道路状况、障碍物等,从而提供更准确的车辆控制。
在机器人导航中,多传感器信息融合可以帮助机器人实时感知周围的环境,并进行地图构建和路径规划。
在环境监测中,多传感器信息融合可以帮助提高对环境参数的监测精度,例如空气质量监测和水质监测等。
多传感器信息融合也面临一些挑战和难题。
不同传感器之间可能存在的差异和不一致性,例如测量范围、精度和响应时间等。
这些差异需要通过校准和校正等方法来解决。
数据融合的过程涉及到大量的计算和处理,对计算资源要求较高。
多传感器信息融合还需要考虑数据的时序特性和时延问题,以保证实时性和准确性。
多传感器信息融合是一门重要的技术,可以提高信息的准确性和可靠性。
通过合理设计和优化算法,可以克服各种挑战和困难,实现多传感器信息融合的目标。
随着传感器技术的不断发展和应用的扩大,多传感器信息融合将在更多的领域发挥作用,并为人类社会带来更多的便利和发展机遇。
多传感器信息融合技术的介绍1.引言多传感器信息融合(又称多传感器数据融合),是一门新兴技术,在许多领域得到广泛应用。
它是利用计算机技术与数据处理方法,对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以分析与综合,按照所需的决策进行信息的综合处理过程,能充分利用多个传感器资源.通过对这些传感器及其观测信息的合理分配和使用,把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来进行组合.以获得被测对象的一致性解释或描述,使该传感器系统由此获得比它的个组成部分的子集所构成的系统更优越的性能。
它是一个多级别、多层次、多方位和多角度的处理过程,通过这种处理过程可以产生新的有意义的信息,而这些新的信息是一传感器无法获得的。
其主要目标是基于各传感器分离的观测信息,通过对信息的优化组合导出更多的有用信息。
在实际应用中,是利用多传感器共同或联合的操作优势,来提高整个传感器系统或检测系统的有效性和可靠性。
2.基本概念及原理2.1 多传感器数据融合所谓的多传感器系统是指在系统中采用多个同质或异值的传感器共同联合工作完成对对象和环境的检测。
信息融合指在多传感器信息系统中为完成对某个对象或环境特征的描述,将来自不同途径,不同时间,不同空间的传感器信息协调成统一的特征表达的信息处理过程。
所谓多传感器数据融合就是人们通过对空间分布的多源信息——各种传感器的时空采样,对所关心的目标进行检测、关联(相关)、跟踪、估计和综合等多级功能处理,以更高的精度、较高的概率或置信度得到人们所需要的目标状态和身份估计,以及完整、即使的态势和威胁评估,为工作人员提供决策信息。
多传感器数据融合有三个主要的功能:(1)在多个层次上对多源信息进行处理,每层代表信息处理的不同级别;(2)器过程包含检测、关联(相关)、跟踪、估计和综合;(3)结果包括低层次上的状态和属性估计,以及高层次上的处理结果优劣评估。
2.2 数据融合分层信息融合分为3层:即数据层融合,特征层融合及决策层融合。
多传感器信息融合及应用
多传感器信息融合是指将多个不同类型的传感器所采集的数据
进行有效的组合和处理,以提高信息的质量和可靠性。
这种技术在各种领域得到广泛应用,包括智能交通、环境监测、医疗诊断、机器人控制等等。
多传感器信息融合的基本思想是将多个传感器的数据相互协调,利用它们的互补性来提高整体系统的性能和效率。
这种技术的应用需要深入研究数据融合算法、模型建立和优化算法等方面,同时需要考虑传感器网络的部署、数据传输和存储等方面的问题。
在智能交通领域,多传感器信息融合可以应用于交通流量监测、车辆跟踪、交通事故预警等方面。
在环境监测领域,多传感器信息融合可以应用于大气污染监测、水质监测、土壤监测等方面。
在医疗诊断领域,多传感器信息融合可以应用于医疗图像处理、生理参数监测等方面。
在机器人控制领域,多传感器信息融合可以应用于机器人定位和导航、机器人视觉识别等方面。
总之,多传感器信息融合技术的应用范围广泛,将会在未来的各种领域得到进一步的发展和应用。
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机器人技术中的多传感器信息融合随着科技的不断发展,机器人技术正在逐渐成为人类生活的重要组成部分。
机器人的使用范围越来越广泛,从普通家用机器人、生产制造机器人到救援机器人等,都需要机器人能够对环境进行感知和决策,从而完成任务。
而多传感器信息融合技术对机器人的感知和决策能力的提升具有重要意义。
一、多传感器信息融合的意义多传感器信息融合是指利用多个传感器获取的信息进行综合分析,从而得出更为准确、全面的结论的技术。
机器人使用传感器对环境进行感知,但单一的传感器不能覆盖所有信息。
因此,多传感器信息融合可以有效的弥补单一传感器的不足,获得更加完整和精确的信息,提高机器人对环境的感知和理解能力。
这对于机器人在工业、医疗等领域的应用具有重要意义。
二、多传感器信息融合技术的应用常见的机器人传感器包括视觉传感器、激光雷达、超声波传感器、惯性传感器等。
基于不同的传感器,可以获得不同的信息。
如果将这些信息进行融合处理,可以得到更为准确的信息结果,从而可以更好地完成任务。
以机器人自主导航为例,机器人需要根据传感器获取的信息感知自身所处的环境并计算出最优路径,以达到目标。
单一传感器的感知范围和信息量限制了机器人的感知能力,而多传感器信息融合可以用来改善这一限制。
在实际使用中,多传感器信息融合可以应用到很多领域。
比如,在工业制造领域,机器人需要完成某一工艺流程,而这个流程需要考虑到高精度、高速度等多个方面的因素,此时就需要通过多传感器信息融合来提高机器人的准确性和速度。
在医疗领域,机器人可以通过多传感器信息融合来获得病人更全面的身体信息,从而对病情进行更加准确的估计和判断。
三、多传感器信息融合技术的优势多传感器信息融合具有很多优势。
首先,通过融合多个传感器,可以减轻单个传感器的负担,从而延长了机器人的使用寿命。
其次,多传感器信息融合可以提高机器人的感知范围和感知精度,使得机器人可以更好地适应复杂的环境。
此外,多传感器信息融合还可以让机器人做出更为准确的决策,并能更好的适应环境的变化,更好地完成任务。
引言概述:多传感器信息融合是指将来自多个传感器的信息进行集成和综合,从而提供更准确、全面的数据分析和决策支持。
在现代智能系统中,多传感器信息融合技术被广泛应用于诸如环境监测、智能交通、无人机导航、医疗影像等领域。
本文将对多传感器信息融合的概念、关键技术以及应用进行详细阐述。
正文内容:一、传感器选择与配置1.传感器选择的原则和考虑因素测量目标的特性与传感器适应性测量范围和分辨率的需求传感器成本与功耗的考虑2.传感器配置的优化方法基于物理布局的优化基于信息优化的方法基于性能评估的优化二、信息融合算法1.数据融合方法的分类基于模型的融合方法基于数据驱动的融合方法基于特征融合的方法2.信息融合算法的常用技术卡尔曼滤波与扩展卡尔曼滤波粒子滤波算法信息理论与信息融合三、传感器网络与数据通信1.传感器网络的组网方式集中式组网分布式组网混合式组网2.传感器数据的通信技术无线传感器网络通信技术数据编码与压缩技术数据安全与隐私保护技术四、多传感器信息融合的应用1.环境监测与控制大气污染监测水质监测与治理声音与震动环境监测2.智能交通系统车辆检测与跟踪动态路况监测设备故障预警与维护3.无人机导航与定位视觉与激光传感器融合导航GPS与惯性测量单元融合多无人机协同定位与导航4.医学影像与诊断多模态医学影像融合电生理信号与医学图像融合人体生理和病理信息融合五、多传感器信息融合的挑战与展望1.传感器异质性和动态性带来的挑战2.信息融合算法的性能与效率改进3.人机交互与决策支持的优化4.基于机器学习与深度学习的信息融合方法总结:多传感器信息融合是提高数据分析与决策支持能力的关键技术之一。
通过合理选择与配置传感器,应用适当的信息融合算法,并借助传感器网络与数据通信技术,可以实现更准确、全面的信息集成与分析。
多传感器信息融合具有广泛的应用前景,但也面临着传感器异质性、算法效率与性能等挑战。
未来,基于机器学习与深度学习的信息融合方法将成为该领域的发展方向,为智能系统的建设和应用提供更好的支持。
1.多传感器信息融合概念多传感器信息融合是指综合来自多个传感器的感知数据, 以产生更可靠、更准确或更精确的信息。
经过融合的多传感器系统能完善地、精确地反映检测对象特性, 消除信息的不确定性, 提高传感器的可靠性。
经过融合的多传感器信息具有以下特性: 信息的冗余性、信息的互补性、信息的实时性和信息的低成本性。
2.多传感器信息融合分类按融合判断方式分类(1)硬判决方式硬判决方式设置有确定的预置判决门限。
只有当数据样本特征量达到或超过预置门限时,系统才做出判决断言;只有当系统做出了确定的断言时,系统才向更高层次系统传送“确定无疑”的判决结论。
这种判决方式以经典的数理逻辑为基础,是确定性的。
(2)软判决方式软判决方式不设置确定不变的判决门限。
无论系统何时收到观测数据都要执行相应分析,都要做出适当评价,也都向更高层次系统传送评判结论意见及其有关信息,包括评判结果的置信度。
这种评判不一定是确定无疑的,但它可以更充分地发挥所有有用信息的效用,使信息融合结论更可靠更合理。
按传感器组合方式分类(1)同类传感器组合同类传感器组合只处理来自同一类传感器的环境信息,其数据格式、信息内容都完全相同,因而处理方式相对比较简单。
(2)异类传感器组合异类传感器组合同时处理来自各种不同类型传感器采集的数据。
优点是信息内容广泛,可以互相取长补短,实现全源信息相关,因而分析结论更准确、更全面、更可靠,但处理难度则高很多。
3.信息融合的系统结构信息融合的系统结构研究包含两部分, 即信息融合的层次问题和信息融合的体系结构。
融合的层次结构主要从信息的角度来分析融合系统, 信息融合的体系结构则主要是从硬件的角度来分析融合系统。
(1)信息融合的层次信息融合系统可以按照层次划分, 对于层次划分问题存在着较多的看法。
目前较为普遍接受的是层次融合结构, 即数据层、特征层和决策层。
数据层融合是指将全部传感器的观测数据直接进行融合, 然后从融合的数据中提取特征向量, 并进行判断识别。
多传感器信息融合技术在当今科技飞速发展的时代,多传感器信息融合技术正逐渐成为众多领域的关键技术之一。
从智能交通系统到医疗诊断,从工业自动化到环境监测,它的应用无处不在,为我们的生活和社会带来了诸多便利和进步。
那么,什么是多传感器信息融合技术呢?简单来说,它是将来自多个不同传感器的数据进行综合处理和分析,以获取更全面、更准确、更可靠的信息。
这些传感器可以是各种各样的,比如摄像头、雷达、激光传感器、温度传感器、湿度传感器等等。
每个传感器都有其独特的性能和特点,能够测量不同的物理量或参数,但单独使用时往往存在局限性。
想象一下,在自动驾驶汽车中,仅仅依靠一个摄像头来感知周围环境是远远不够的。
摄像头在光线良好的情况下能够提供清晰的图像,但在恶劣天气或光线昏暗时可能就会失效。
而雷达则不受光线影响,能够在各种天气条件下探测到物体的距离和速度。
将摄像头和雷达所获取的数据融合在一起,就能够更全面地了解车辆周围的情况,从而做出更准确的驾驶决策。
多传感器信息融合技术的实现并非易事,它需要解决一系列的关键问题。
首先是数据的校准和同步。
由于不同传感器的工作原理和精度不同,所采集到的数据可能存在偏差和时间上的不一致。
因此,在进行融合之前,需要对这些数据进行校准和同步,以确保它们在时间和空间上的一致性。
其次是数据的关联和匹配。
不同传感器所获取的数据可能描述的是同一个对象,但由于测量角度和精度的不同,数据的表现形式可能会有所差异。
如何准确地将这些相关的数据关联和匹配起来,是信息融合的重要环节。
再者是融合算法的选择和优化。
目前,常用的融合算法包括加权平均法、卡尔曼滤波、贝叶斯估计等等。
不同的算法适用于不同的场景和数据特点,需要根据具体情况进行选择和优化,以达到最佳的融合效果。
多传感器信息融合技术的优势是显而易见的。
它能够提高系统的可靠性和稳定性。
当某个传感器出现故障或受到干扰时,其他传感器的数据仍然能够为系统提供支持,从而保证系统的正常运行。
多传感器信息融合0前言移动机器人的定位问题是提高移动机器人自主能力的关键问题之一。
具体来说,定位是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计及传感器的观测值等输入信息,经过一定的处理和变换,产生更加准确地对机器人当前位姿的估计。
机器人的定位方式有很多种,如,基于光电寻线的定位、基于声纳的机器人自主定位、基于全景视觉的定位及基于激光测距的定位等。
可以看出:机器人的定位方式取决于所采用的传感器。
目前,在移动机器人上使用较多的传感器有视觉传感器、里程计和惯导系统、超声传感器、激光测距仪、GPS 定位系统等。
其中,视觉传感器具有信息量大、感应时间短的优点,但往往获得的数据噪声大、信息处理时间长;激光传感器在测距范围和方向上具有较高的精度,但价格昂贵;超声波传感器虽然角度分辨力较低,但它处理信息简单、成本低、速度快,因此,在自主移动机器人上得到了广泛的应用;里程计是一种相对定位传感器,它通过累计计算得到定位信息,缺点是存在累计误差问题,因此,可结合绝对定位传感器,如超声传感器等,提供较准确的定位。
各传感器都有它自己的局限性,因此,移动机器人往往同时装备多种传感器,各自提供关于机器人定位的消息。
目前的趋势是:根据传感器的可靠性。
使用不同类型的传感器来测量相关数据。
本文采用扩展卡尔曼滤波( EKF) 技术,将里程计和超声波传感器所提供的数据进行融合定位。
1 机器人运动模型的建立由于移动机器人机构复杂,为了便于构造运动学模型与规划控制机器人的位姿,本文选择两轮驱动小车作为运动平台。
将整个机器人本体看作一个刚体,车轮视为刚性轮,并在运动不是太快而转弯半径较大时,不考虑车轮与地面侧向滑动的情况,其简化运动学模型如图1 所示。
图 1 两轮驱动机器人运动学模型为了确定机器人在平面中的位置,建立平面全局参考坐标系O X Y 和机器人局部参考坐标系O R X R Y R , 把O R X R Y R 坐标系原点建立在 2个驱动轮轴心连线的中点0R 上,并将该点作为机器人的位置参考点。
相交于点OR 的 2个轴分别定义为XR 和YR 轴。
在 O X Y 坐标系下, O R 的位置由坐标x 和y 确定, 坐标系 O X Y 和O R X R Y R 之间的角度差(也是机器人线速度的方向)由θ给定。
可以将机器人的姿态描述为具有这3个元素的向量:[,,]T x y θ。
图1中,l ω,τω分别为左右两驱动轮的转动角速度,r 为两轮半径,b 为两驱动轮之间的距离,OR 点速度(也就是机器人的线速度) 为()/2l v r τωω=+, 分别投影到 O X Y 坐标系上得.cos cos ()/2l x v r τθθωω==*+ ,.sin sin ()/2l y v r τθθωω==*+。
移动机器人的角速度.()/r l r b θωω=-。
于是,机器人的运动方程为 ...cos cos 22sin sin 22r r x r r y r r b b θθθθθ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪-⎝⎭ ⎪⎝⎭ (1)将方程(1)进行离散化,并加上模型噪声,可得机器人的离散随机状态空间表达式(1)(())()X k f X k w k +=+ (2)式中()[(),(),()]T X k x k y k k θ=;()w k 为模型误差,是零均值的高斯白噪声;()k θ为方差,T 为采样时间()cos ()/2(())()sin ()/2()cos ()/2l r l r r l x k Tr f X k y k Tr k Tr θωωθωωθθωω++⎛⎫ ⎪=++ ⎪ ⎪+-⎝⎭ (3)式(3)就是移动机器人的运动模型,也是系统的状态方程。
2 传感器观测模型的建立2.1 里程计里程计的工作原理是根据安装在2个驱动轮电机上的光电编码器来检测车轮在一定时间内转过的弧度,进而推算机器人相对位姿的变化。
设车轮半径为r ,光电码盘为P 线/转,t 时间内光码盘输出的脉冲数为N ,则该车轮移动距离s ∆为2*N s r p π∆= (4)假设由光电码盘检测出机器人左右轮的移动距离分别为l s ∆和r s ∆,且两轮的间距为b ,机器人从位姿()[(),(),()]T X k x k y k k θ=运动到(1)[(1),(1),(1)]T X k x k y k k θ+=+++。
则机器人移动的距离()/2l r s s s ∆=∆+∆, 机器人转过的角度()/l r s s b θ∆=∆-∆。
因此,在已知初始位置的情况下,即可求出前轮转过的距离,若采样时间取得足够短,通过计算出在时间内机器人位置的横、纵坐标和方向的变化量,进行累加, 可推出机器人在全局坐标中的位置坐标和方向角,从而获得自定位信息。
2.2 超声波传感器超声波传感器的基本原理是发送(超声)压力波包,一般为40-45kHz ,当波包遇到物体后,就会被反弹回,通过测量该波包反射和回到接收器所占用的时间,引起反射的物体距离 d 可以根据声音传播速度 C 和飞越时间 t 进行计算2ct d =(5)其模型可简化为在一个固定的波带开放角方位之内,传感器到莫一物体的最短距离。
其读数与机器人所在的环境和传感器的安装位置有关。
设第i 只超声波传感器在OR XR YR 坐标系中的坐标为(,)Ri Ri x y ,其方向(与R X 轴的夹角)为Ri θ。
假定在地k 个采样时刻,机器人的位置为()[(),(),()]T X k x k y k k θ=,则经过一个旋转平移的坐标变换,可将第i 只超声波传感器在O R X R Y R 坐标系中的坐标为(,)Ri Ri x y 转换到OXY 坐标系中的坐标((),())i i x k y k ,写成齐次坐标的形式为()sin ()cos ()()()cos ()sin ()()00111i Ri i Ri x k x k k x k y k k k y k y θθθθ⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ (6)同时,将超声波传感器的方向Ri θ转换为与OXY 坐标系的X 轴的夹角()i k θ ()()i Ri k k θθθ=+ (7)机器人移动所在的环境中的反射墙面与障碍等可用OXY 平面上的直线0j j j a x b y c ++=来表示(j=1,2,3,……为环境中的墙与障碍物得个数)。
超声波的测量原理如图2所示图 2 超 声波传感器的测量示意图设arctan(/)j j j a b α=,δ为超声波传感器的波带开放角。
根据超声波传感器的测量原理, 当第i 只超声波传感器和第j 个物体之间满足/2[()/2,()/2]j i i a k k πθσθσ-∈-+时,超声波传感器i 测得的到第j 个物体的距离为j i a x b y cd ++=传感器测出的数据超出了其测量范围,则超出范围的数据也要去除。
因此,在每个采样时刻,不是所有的超声波传感器的读数都被使用,而是结合环境地图来决定应该使用哪些读数。
可以得到该多传感器系统的随机观测模型为()(())()Z k h X k v k =+ (8)其中,()v k 为观测误差,是零均值的高斯白噪声,方差为R(k)。
()Z k 包括里程计的输出与超声波传感器的读数,所以,()Z k 的维数为里程计输 出向量个数加上超声传感器的只数。
里程计的输出为112233()()()()()()()()()z k x k v k z k y k v k z k k v k θ=+⎧⎪=+⎨⎪=+⎩ (9)超声波传感器的输出为33()()j i i i z k d v k ++=+ (10) 定位算法的结构如图3所示。
图3定位算法框图3 EKF 算法EKF 假设系统状态的概率分布是高斯分布,噪声是相互独立的。
式(2)与式(8)分别为机器人的运动模型和传感器模型。
1)初始化已冻结i 气人的状态向量0X ∧和误差协方差矩阵0P 。
2)预测机器人位置:根据机器人在k 时刻的位置预测时间k+1时刻的位置 (1/)((1/))X k k f X k ∧∧+= (11)(1/)()(1/)()()T P k k F k P k F k Q k +=+ (12) 其中,P 为X 的误差协方差矩阵,F 为f 的Jacobian 矩阵,可得3)观测 传感器的预测值为,用来对预测状态进行校正的量为实际的测量值与预测值之差,即信息为,信息的协方差矩阵为,H 为测量方程中(())h X k 的Jacobian 矩阵22221001000()()1sin(())cos(())ri j ri j j j j j H k h k a b x k y k a b a b θαθα∧∧⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪=∇= ⎪⎪+++⎪++⎭(14)式中ri x ,ri y 为第i 只超声波传感器的参数;j a ,j b 为外部环境中第j 个物体的参数;H (k )的行数是不固定的,与各个采样时间实际所使用的超声波传感器的只数有关。
4)对于每一次测量,由于测量的不确定性,需要对每次测量进行校验来决定是否匹配。
若测量结果满足下式,则测量值匹配。
否则,不匹配并舍弃 12(1)(1)(1)T k S k k G γγ-+++≤ (15)式中2G 为正确性检验门。
5)纠正EKF 的增益矩阵W 更新为1(1)(1/)(1)T W k P k k H S k -+=++ (16)机器人的状态纠正为 (1/1)(1/)(1)(1)X k k X k k w k k γ∧∧++=++++ (17)协方差矩阵更新为 (1/1)((1)())(1/)P k k I W k H k P k k ++=-++ (18) 6)返回步骤(2)递归执行上述步骤(2—5)。
4 实验实验环境设为四周是垂直的墙壁,移动机器人逆时针沿着墙面做矩形轨线运动,用里程计和超声波传感器进行自定位。
图4曲线分别表示系统的观测真值 Z( k ),观测估计()Z k ∧,状态真值X( k ),状态先验估计(1/)X k k ∧+,状态后验估计(1/1)X k k ∧++。
图4系统观测向量与状态向量曲线图5为仅使用里程计的位置估计,图6为融合里程计和超声波传感器数据信息后的位置估计。
机器人的移动速度为0.25m /s , 采样时间T=lS ,估计的初始位置为(0,0),实际的初始位置为(0.15,0),P 0 =105I , 模型噪声的方差取为0.1,测量噪声方差取为0.8。
图 5 实际位置与里程计定位信息图 6 实际位置与传感器融合定位信息从实验结果中可以看出:由于里程计的测量噪声不断地被累加,其估计过程中估量值与实际量之间在转角处偏差大,在运动不到2圈时,位姿估计信息就已经完全丢失,估计效果较差。