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1、多传感器信息融合综述及在电脑鼠中的应用 多传感器信息融合综述及在电脑鼠中的应用多传感器信息融合，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、规划的科学性,反应的快速性和正确性，进而降低决策风险的过程。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。1图1 多传感器信息融合示意图多传感器信息融合实际上是对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。在多传感器系统中，各种传感器
2、提供的信息可能具有不同的特征，如模糊地或确定的、时变的或非时变的、快变的或缓变的、实时的或非时变的、全面的或不全面的、可靠的或非靠的、相互支持的或非相互矛盾的。与人脑综合处理信息的过程一样，多传感器信息融合协调利用多个传感器资源，通过对各种传感器及其观测信息的合理支配与使用，将各种传感器在空间和时间上的互补与冗余信息依据某种优化准则加以组合，产生对观测环境的一致性解释和描述。信息融合的目标是利用各种传感器分离观测的信息，对数据进行多级别、多方位、多层次的处理，产生新的有意义的信息。这种信息是最佳协调作用的结果，是任何单一传感器无法获得的，它的最终目的是利用多个传感器共同或联合操作的优势，来提高
3、整个传感器系统的有效性。单个传感器通常在环境描述等方面存在着无法克服的缺点。首先，单个传感器往往只能提供操作环境的部分信息，并且其检测值存在不确定和偶然不正确的情况。其次，不同的传感器可以在多种环境下为不同的任务提供类型各异的信息，而单个传感器无法在所有可能的情况下提供有效信息。最后，单个传感器的偶然故障会导致整个系统瘫痪，降低系统的可靠性。为了解决上述问题，多传感器集成与融合技术应运而生。REN C.LUO和MICHAEL G.KAY 最早在文献中对多传感器集成与融合技术的定义、模式、控制结构和融合方法等在已有研究成果的基础上给出了系统的论述。多传感器集成是指综合利用多个传感器提供的信息来帮
4、助系统完成某项任务。融合是指在集成过程中的将不同性质的传感器信息融合为一种统一的表示形式的某个阶段。多传感器集成与融合技术具有冗余、互补、实时性、低成本性四大优点。冗余是指使用多个传感器感知环境的同一特征，有利于提高测量精度，降低由于单个传感器出现错误而给整体带来的不稳定性。互补则指多个传感器能获得单个传感器独立操作所不能感知的环境特征。例如，移动机器人一方面可以通过超声波传感器测量障碍物的距离，另一方面使用视觉传感器获取障碍物的形状、颜色等特征。同时，若将多个传感器的信息采集和处理过程并行执行，系统可以获得实时性强的数据信息。另外，与单个传感器相比，多传感器集成与融合花费的成本也有所减少。单
5、一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。一、多传感器信息融合的意义及应用1、在信息电子学领域 信息融合技术的实现和发展以信息电子学的原理、方法、技术为基础。信息融合系统要采用多种传感器收集各种信息，包括声、光、电、运动、视觉、触觉、力觉以及语言文字等。信息融合技术中的分布式信息处理结构通过无线网络、有线网络，智能网络，宽带智能综合数字网络等汇集信息，传给融合中心进行融合。除了自然(物理)信息外，信息融合技术还融合社会类信息，以语言文字为代表，
6、涉及到大规模汉语资料库、语言知识的获取理论与方法、机器翻译、自然语言解释与处理技术等，信息融合采用分形、混沌、模糊推理、人工神经网络等数学和物理的理论及方法。它的发展方向是对非线性、复杂环境因素的不同性质的信息进行综合、相关，从各个不同的角度去观察、探测世界。2、在计算机科学领域 在计算机科学中，目前正开展着并行数据库、主动数据库、多数据库的研究。信息融合要求系统能适应变化的外部世界，因此，空间、时间数据库的概念应运而生，为数据融合提供了保障。空间意味着不同种类的数据来自于不同的空间地点，时间意味着数据库能随时间的变化适应客观环境的相应变化。信息融合处理过程要求有相应的数据库原理和结构，以便融
7、合随时间、空间变化了的数据。在信息融合的思想下，提出的空间、时间数据库，是计算机科学的一个重要的研究方向。3、在自动化领域以各种控制理论为基础，信息融合技术采用模糊控制、智能控制、进化计算等系统理论，结合生物、经济、社会、军事等领域的知识，进行定性、定量分析。按照人脑的功能和原理进行视觉、听觉、触觉、力觉、知觉、注意、记忆、学习和更高级的认识过程，将空间、时间的信息进行融合，对数据和信息进行自动解释，对环境和态势给予判定。目前的控制技术，已从程序控制进入了建立在信息融合基础上的智能控制。智能控制系统不仅用于军事，还应用于工厂企业的生产过程控制和产供销管理、城市建设规划、道路交通管理、商业管理、
8、金融管理与预测、地质矿产资源管理、环境监测与保护、粮食作物生长监测、灾害性天气预报及防治等涉及宏观、微观和社会的各行各业。 二、多传感器信息融合的实现方法目前信急融合算法有上百种，但尚无一种通用的方法能对各种传感器信急进行融合处理，一般都是依据具体的应用场合而定。在多传感器信息融合过程中，信息处理过程的基本功能包括相关、估计和识别。相关处理要求对多源信息的相关性进行定量分析，按照一定的判据原则，将信息分成不同的集合，每个集合中的信急都与同一源(目标或事件)关联，其处理方法通常有：最近邻法则、最大似然法、最优差别法、统计关联法、聚类分析法等；估计处理是通过对各种己知信急的综合处理来实现对待测参数
9、及目标状态的估计，其处理方法通常有：最小二乘法、最大似然法、卡尔曼滤波法等；识别技术包括物理模型识别技术、参数分类识别技术和认识模型识别技术，其中比较成熟的方法有：贝叶斯法、模板法、表决法、证据推理法、模糊识别法、神经网络及专家系统等。三、多传感器信息融合技术存在的问题信息融合作为一门新兴的学科，目前尚存在以下的问题：（1）未形成基本的理论框架和广义融合算法。目前，绝大多数的融合研究皆是针对特定的应用领域的特定问题展开的.即根据问题的种类，各自建立直观的融合准则，形成“最佳”融合方案，未形成完整的理论框架和融合模型，使得融合系统的设计具有一定的盲目性。（2）关联的二义性：在一个多传感器系统中，
10、每一种传感器所提供的数据不可避免地受环境状态和传感器本身特性的制约，因而不同的传感器对环境中同一特征所测的数据有时彼此差别很大甚至是矛盾的，这就会造成关联的二义性。如何降低关联的二义性是信息融合研究必须解决的问题。（3）信息融合方法与融合系统实施存在的问题：目前，大多数信息融合是经一种简单的方法合成信息的，并未充分有效地利用多传感器所提供的冗余信息，融合方法研究还处于初步阶段。而且目前很多研究工作亦是基础研究，仿真性工作。因此，信息融合系统的设计实施还存在许多实际的问题：传感器动态测量误差模型的的建立、传感器系统优化、复杂动态环境下系统实时性、大型知识库的建立与管理，与其它领域的很多新技术的“
11、嫁接和融合”，如人工智能技术、神经网络计算、遗传算法、进化计算、虚拟实现技术等。四、多传感器信息融合在电脑鼠走迷宫中的应用电脑鼠（英文名称为Micromouse）是一个由微处理器控制的，集感知、判断、行走功能于一体，能够自动寻找最佳路径到达目的地的微型机器人。它可以在“迷宫”中自动感知并记忆迷宫地图，通过一定的算法寻找一条最佳路径，以最快的速度到达目的地。电脑鼠是一只迷人的人工智慧鼠，它不但有锐利的眼睛和灵活的双脚，还有聪明的头脑来控制眼睛和双脚，使眼睛和双脚能够同心协力，互相配合，以达成唯一的目标走出迷宫。实际上电脑鼠就是一个电动小车，而这个电动小车是由一个或多个微控制器来控制，通过传感器和
12、其他各器件的配合，具备一定智能。电脑鼠整个系统可以初步分为以下主要部分：电源模块，控制模块，执行机构模块，传感器模块，机身模块。我们可以形象地认为，电源模块是电脑鼠的“动力源泉”，控制模块是电脑鼠的“大脑”，传感器模块是电脑鼠的“眼睛”，机身模块是电脑鼠的“躯干”，执行机构是电脑鼠的“脚”，几个模块之间要相互配合才能使这只老鼠正常工作并最终“逃离”迷宫。这几个模块之间若要相互配合，需要一些信号线和控制线将其相互正确的连接起来。这些信号线和控制线就是电脑鼠的“神经系统”。图2 电脑鼠的功能模块而要将各个模块合理整合就就需要用到多传感器信息融合技术，只有将这些模块合理融合到一起，才能得到系统整体方
13、案，电脑鼠才会发挥它的无穷魅力。电脑鼠在行走过程中，由传感器探知外界环境是否可行，将对于四周壁面的状况产生出最直接的反射信号，提供给微处理器做逻辑判断决定是暂停、转弯或是逆行。微处理器接受传感器传来的信息，然后经过判断控制电机，同时能够记忆迷宫，并计算最短路径，使电脑鼠能在最短的时间内到达终点。电脑鼠共有三对调制反射式红外线传感器，如果在发射和接收正对方向的一定距离范围内存在障碍物，则有相应的 LED 点亮，一共有五个 LED，其在 PCB 上的标号从左至右为U1、U2、U3、U4、U5。其布置如下图3所示，第15个数码管分别用来指示U1U5五个传感器的状态，用手分别遮挡这五个传感器，就能观测
14、到对应数码管的的点亮或者熄灭；第6个数码管空闲；第7、8个数码管显示的是电池电压。 图3 电脑鼠传感器布置图在迷宫中，通过调节W1设置U1传感器。如图4所示，使电脑鼠靠近右侧挡板约5mm，调节W1，使第一个数码管能稳定的点亮一个段，第二个段刚好点不亮或处于微弱的闪烁状态。 图4 通过调节W1设置U1传感器同样也可以调节W5设置U5传感器灵敏度，方法同上，电脑鼠靠近左侧5mm时，第五个数码管能稳定的点亮第一个段，第二个段刚好不亮或处于微弱的闪烁状态。放置在下图5所示的迷宫中，使电脑鼠靠近左侧挡板约20mm，调节W2，使第二个数码管刚好能稳定的点亮。同样如果要使电脑鼠靠近右侧挡板约20mm，调节W
15、4，使第四个数码管刚好能稳定的点亮。 图5 通过调节W2设置U2传感器如果放置于下图6所示的迷宫，使左右两侧的U1和U5传感器刚好越过挡板的一端，探测不到挡板，这时第三个数码管刚好能指示出U3传感器能微弱的探测到前方挡板。即如果电脑鼠再后退一点就检测不到前方挡板，这样就可以起到很好的躲避障碍物的效果。图6 通过调节W3设置U3传感器在传感器方面电脑鼠需要有众多信息的反馈，如墙壁信息等。需要用到许多传感器，如测试墙壁信息红外传感器测量距离，使用霍尔传感器测试车轮转速以控制转速和测量路程等。电脑鼠是一个精密控制体，足够的控制精度才能保证在高速行走的时候不撞墙和迷失自我。不但要求能够准确测量，还必须
16、有足够快的响应速度。所以这一切都需要通过多传感器信息融合技术来有效结合，对信息综合处理，降低了传感器之间的不确定性因数，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、规划的科学性,反应的快速性和正确性，进而降低决策风险的过程。参考文献1 曾庆茂，丁正生，多传感器信息融合技术综述赣南师范学院学报2004年第6期2 Duyao Wang, Xiaoqing Yu, A New Method of Infrared Sensor Measurement for Micromouse Control.2 洪伟，移动机器人系统中分布式传感器信息融合方法及路径规划问题的研究D博士论文长春：吉林大学，2004
