傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
傳感技術(shù)同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱(chēng)為信息技術(shù)的三大支柱。從仿生學(xué)觀(guān)點(diǎn)，如果把計(jì)算機(jī)看成處理和識(shí)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(huà)，那么傳感器就是“感覺(jué)器官”。
隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)和并行計(jì)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(jìn)步，多傳感器信息融合至今已形成和發(fā)展成為一門(mén)信息綜合處理的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，并很快推廣應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人、智能檢測(cè)、自動(dòng)控制、交通管理和醫(yī)療診斷等多種領(lǐng)域。我國(guó)從20世紀(jì)90年代也開(kāi)始了多傳感器信息融合技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作，并在工程上開(kāi)展了多傳感器識(shí)別、定位等同類(lèi)信息融合的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在多傳感器信息融合技術(shù)越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。
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(guò)程一樣，將各種傳感器進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對(duì)觀(guān)測(cè)環(huán)境的一致性解釋。在這個(gè)過(guò)程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，而信息融合的最終目標(biāo)則是基于各傳感器獲得的分離觀(guān)測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息多級(jí)別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。這不僅是利用了多個(gè)傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢(shì)，而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來(lái)提高整個(gè)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(gè)顯著的特點(diǎn)：
1.信息的冗余性
對(duì)于環(huán)境的某個(gè)特征，可以通過(guò)多個(gè)傳感器(或者單個(gè)傳感器的多個(gè)不同時(shí)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(guò)融合處理，可以從中提取出更加準(zhǔn)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(gè)傳感器失效而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所造成的影響。
2.信息的互補(bǔ)性
不同種類(lèi)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(duì)象是不同的環(huán)境特征，它們彼此之間具有互補(bǔ)性。如果定義一個(gè)由所有特征構(gòu)成的坐標(biāo)空間，那么每個(gè)傳感器所提供的信息只屬于整個(gè)空間的一個(gè)子空間，和其他傳感器形成的空間相互獨(dú)立。
3.信息處理的及時(shí)性
各傳感器的處理過(guò)程相互獨(dú)立，整個(gè)處理過(guò)程可以采用并行導(dǎo)熱處理機(jī)制，從而使系統(tǒng)具有更快的處理速度，提供更加及時(shí)的處理結(jié)果。
4.信息處理的低成本性
多個(gè)傳感器可以花費(fèi)更少的代價(jià)來(lái)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(gè)傳感器所提供的信息用來(lái)實(shí)現(xiàn)其他功能，單個(gè)傳感器的成本和多傳感器的成本之和是相當(dāng)?shù)摹?/p>
多傳感信息融合架構(gòu)形式
信息融合作為對(duì)多傳感器信息的綜合處理過(guò)程，具有本質(zhì)的復(fù)雜性。在信息融合處理過(guò)程中，根據(jù)對(duì)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)直接送至中央處理器進(jìn)行融合處理，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合，其數(shù)據(jù)處理的精度高，算法靈活，缺點(diǎn)是對(duì)處理器要求高，可靠性較低，數(shù)據(jù)量大，故難于實(shí)現(xiàn)。
分布式
每個(gè)傳感器對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行局部處理，包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分類(lèi)及提取特征信息，并通過(guò)各自的決策準(zhǔn)則分別作出決策，然后將結(jié)果送入融合中心進(jìn)行融合以獲得最終的決策。分布式對(duì)通信帶寬需求低、計(jì)算速度快、可靠性和延續(xù)性好，但跟蹤精度沒(méi)有集中式高。
混合式
大多情況是把上述二者進(jìn)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(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但在通信和計(jì)算上要付出較昂貴的代價(jià)。但是，此類(lèi)系統(tǒng)也有上述兩類(lèi)系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際場(chǎng)合往往采用此類(lèi)結(jié)構(gòu)。
最近，多功能集成化傳感器研究受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，化學(xué)分析、生物保護(hù)等方面的集成傳感器相繼問(wèn)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(cè)多個(gè)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(gè)敏感元器件的工作氛圍相同，容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和校正等優(yōu)勢(shì)，將幾種不同的敏感元器件制作在同一個(gè)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(gè)方向。
此外，引進(jìn)中間件技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)多傳感器集成的一個(gè)常見(jiàn)舉措。由于不同類(lèi)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(shí)現(xiàn)接入不同類(lèi)型、不同廠(chǎng)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(wèn)題，以及各層之間交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析問(wèn)題，而中間件是實(shí)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(guò)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。
1多傳感器融合四個(gè)特點(diǎn)
傳感器(英文名稱(chēng)：transducer/sensor)是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求，它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。
傳感技術(shù)同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱(chēng)為信息技術(shù)的三大支柱。從仿生學(xué)觀(guān)點(diǎn)，如果把計(jì)算機(jī)看成處理和識(shí)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(huà)，那么傳感器就是“感覺(jué)器官”。
隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)和并行計(jì)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(jìn)步，多傳感器信息融合至今已形成和發(fā)展成為一門(mén)信息綜合處理的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，并很快推廣應(yīng)用到工業(yè)機(jī)器人、智能檢測(cè)、自動(dòng)控制、交通管理和醫(yī)療診斷等多種領(lǐng)域。我國(guó)從20世紀(jì)90年代也開(kāi)始了多傳感器信息融合技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作，并在工程上開(kāi)展了多傳感器識(shí)別、定位等同類(lèi)信息融合的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在多傳感器信息融合技術(shù)越來(lái)越受到人們的普遍關(guān)注。
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(guò)程一樣，將各種傳感器進(jìn)行多層次、多空間的信息互補(bǔ)和優(yōu)化組合處理，最終產(chǎn)生對(duì)觀(guān)測(cè)環(huán)境的一致性解釋。在這個(gè)過(guò)程中要充分地利用多源數(shù)據(jù)進(jìn)行合理支配與使用，而信息融合的最終目標(biāo)則是基于各傳感器獲得的分離觀(guān)測(cè)信息，通過(guò)對(duì)信息多級(jí)別、多方面組合導(dǎo)出更多有用信息。這不僅是利用了多個(gè)傳感器相互協(xié)同操作的優(yōu)勢(shì)，而且也綜合處理了其它信息源的數(shù)據(jù)來(lái)提高整個(gè)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(gè)顯著的特點(diǎn)：
1.信息的冗余性
對(duì)于環(huán)境的某個(gè)特征，可以通過(guò)多個(gè)傳感器(或者單個(gè)傳感器的多個(gè)不同時(shí)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(guò)融合處理，可以從中提取出更加準(zhǔn)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(gè)傳感器失效而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所造成的影響。
2.信息的互補(bǔ)性
不同種類(lèi)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(duì)象是不同的環(huán)境特征，它們彼此之間具有互補(bǔ)性。如果定義一個(gè)由所有特征構(gòu)成的坐標(biāo)空間，那么每個(gè)傳感器所提供的信息只屬于整個(gè)空間的一個(gè)子空間，和其他傳感器形成的空間相互獨(dú)立。
3.信息處理的及時(shí)性
各傳感器的處理過(guò)程相互獨(dú)立，整個(gè)處理過(guò)程可以采用并行導(dǎo)熱處理機(jī)制，從而使系統(tǒng)具有更快的處理速度，提供更加及時(shí)的處理結(jié)果。
4.信息處理的低成本性
多個(gè)傳感器可以花費(fèi)更少的代價(jià)來(lái)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(gè)傳感器所提供的信息用來(lái)實(shí)現(xiàn)其他功能，單個(gè)傳感器的成本和多傳感器的成本之和是相當(dāng)?shù)摹?/p>
2多傳感信息融合架構(gòu)形式
多傳感信息融合架構(gòu)形式
信息融合作為對(duì)多傳感器信息的綜合處理過(guò)程，具有本質(zhì)的復(fù)雜性。在信息融合處理過(guò)程中，根據(jù)對(duì)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)直接送至中央處理器進(jìn)行融合處理，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)融合，其數(shù)據(jù)處理的精度高，算法靈活，缺點(diǎn)是對(duì)處理器要求高，可靠性較低，數(shù)據(jù)量大，故難于實(shí)現(xiàn)。
分布式
每個(gè)傳感器對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)先進(jìn)行局部處理，包括對(duì)原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分類(lèi)及提取特征信息，并通過(guò)各自的決策準(zhǔn)則分別作出決策，然后將結(jié)果送入融合中心進(jìn)行融合以獲得最終的決策。分布式對(duì)通信帶寬需求低、計(jì)算速度快、可靠性和延續(xù)性好，但跟蹤精度沒(méi)有集中式高。
混合式
大多情況是把上述二者進(jìn)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(lèi)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，但在通信和計(jì)算上要付出較昂貴的代價(jià)。但是，此類(lèi)系統(tǒng)也有上述兩類(lèi)系統(tǒng)難以比擬的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際場(chǎng)合往往采用此類(lèi)結(jié)構(gòu)。
最近，多功能集成化傳感器研究受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，化學(xué)分析、生物保護(hù)等方面的集成傳感器相繼問(wèn)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(cè)多個(gè)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(gè)敏感元器件的工作氛圍相同，容易實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償和校正等優(yōu)勢(shì)，將幾種不同的敏感元器件制作在同一個(gè)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(gè)方向。
此外，引進(jìn)中間件技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)多傳感器集成的一個(gè)常見(jiàn)舉措。由于不同類(lèi)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(shí)現(xiàn)接入不同類(lèi)型、不同廠(chǎng)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(wèn)題，以及各層之間交互協(xié)議的轉(zhuǎn)換與解析問(wèn)題，而中間件是實(shí)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(guò)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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