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傳感技術(shù)同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱。從仿生學(xué)觀點,如果把計算機看成處理和識別信息的“大腦”,把通信系統(tǒng)看成傳遞信息的“神經(jīng)系統(tǒng)”的話,那么傳感器就是“感覺器官”。
隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)和并行計算的軟硬件技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,多傳感器信息融合技術(shù)已受到了廣泛關(guān)注。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,多傳感器信息融合至今已形成和發(fā)展成為一門信息綜合處理的專門技術(shù),并很快推廣應(yīng)用到工業(yè)機器人、智能檢測、自動控制、交通管理和醫(yī)療診斷等多種領(lǐng)域。我國從20世紀90年代也開始了多傳感器信息融合技術(shù)的研究和開發(fā)工作,并在工程上開展了多傳感器識別、定位等同類信息融合的應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),現(xiàn)在多傳感器信息融合技術(shù)越來越受到人們的普遍關(guān)注。
一、多傳感器融合四個特點
多傳感器信息融合技術(shù)的基本原理就像人的大腦綜合處理信息的過程一樣,將各種傳感器進行多層次、多空間的信息互補和優(yōu)化組合處理,zui終產(chǎn)生對觀測環(huán)境的一致性解釋。在這個過程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進行合理支配與使用,而信息融合的zui終目標則是基于各傳感器獲得的分離觀測信息,通過對信息多級別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。這不僅是利用了多個傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢,而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來提高整個傳感器系統(tǒng)的智能化。
多傳感器融合系統(tǒng)特征,具有四個顯著的特點:
1.信息的冗余性
對于環(huán)境的某個特征,可以通過多個傳感器(或者單個傳感器的多個不同時刻)得到它的多份信息,這些信息是冗余的,并且具有不同的可靠性,通過融合處理,可以從中提取出更加準確和可靠的信息。此外,信息的冗余性可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從而能夠避免因單個傳感器失效而對整個系統(tǒng)所造成的影響。
2.信息的互補性
不同種類的傳感器可以為系統(tǒng)提供不同性質(zhì)的信息,這些信息所描述的對象是不同的環(huán)境特征,它們彼此之間具有互補性。如果定義一個由所有特征構(gòu)成的坐標空間,那么每個傳感器所提供的信息只屬于整個空間的一個子空間,和其他傳感器形成的空間相互獨立。
3.信息處理的及時性
各傳感器的處理過程相互獨立,整個處理過程可以采用并行導(dǎo)熱處理機制,從而使系統(tǒng)具有更快的處理速度,提供更加及時的處理結(jié)果。
4.信息處理的低成本性
多個傳感器可以花費更少的代價來得到相當(dāng)于單傳感器所能得到的信息量。另一方面,如果不將單個傳感器所提供的信息用來實現(xiàn)其他功能,單個傳感器的成本和多傳感器的成本之和是相當(dāng)?shù)摹?br />
二、多傳感信息融合架構(gòu)形式
信息融合作為對多傳感器信息的綜合處理過程,具有本質(zhì)的復(fù)雜性。在信息融合處理過程中,根據(jù)對原始數(shù)據(jù)處理方法的不同,信息融合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要有三種:集中式、分布式和混合式。
集中式
集中式將各傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)直接送至*處理器進行融合處理,可以實現(xiàn)實時融合,其數(shù)據(jù)處理的精度高,算法靈活,缺點是對處理器要求高,可靠性較低,數(shù)據(jù)量大,故難于實現(xiàn)。
分布式
每個傳感器對獲得的原始數(shù)據(jù)*行局部處理,包括對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分類及提取特征信息,并通過各自的決策準則分別作出決策,然后將結(jié)果送入融合中心進行融合以獲得zui終的決策。分布式對通信帶寬需求低、計算速度快、可靠性和延續(xù)性好,但跟蹤精度沒有集中式高。
混合式
大多情況是把上述二者進行不同的組合,形成一種混合式結(jié)構(gòu)。它保留了上述兩類系統(tǒng)的優(yōu)點,但在通信和計算上要付出較昂貴的代價。但是,此類系統(tǒng)也有上述兩類系統(tǒng)*的優(yōu)勢,在實際場合往往采用此類結(jié)構(gòu)。
zui近,多功能集成化傳感器研究受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,化學(xué)分析、生物保護等方面的集成傳感器相繼問世。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展,人們可以在同一材料上制作幾種敏感元器件,制成能夠檢測多個參量的集成化多功能傳感器。多功能傳感器主要有幾種不同的工作原理及結(jié)構(gòu)形式,其中,由于集成度高、體積小,各個敏感元器件的工作氛圍相同,容易實現(xiàn)補償和校正等優(yōu)勢,將幾種不同的敏感元器件制作在同一個硅片,制成集成化多功能傳感器將是多功能傳感器發(fā)展的一個方向。
此外,引進中間件技術(shù)也是實現(xiàn)多傳感器集成的一個常見舉措。由于不同類型的傳感器所提供的感知數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致,為了實現(xiàn)接入不同類型、不同廠家的傳感器,系統(tǒng)要解決異構(gòu)感知數(shù)據(jù)的接入和處理問題,以及各層之間交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析問題,而中間件是實現(xiàn)底層硬件設(shè)備與應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸、過濾、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及交互協(xié)議的轉(zhuǎn)化與解析的一種中間程序。
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