多传感器信息融合基本原理及应用

四、信息融合技术的应用研究

最初信息融合技术是为了满足战争的需求，目前军事领域仍是信息融合的最大应用领域，发展也最快，主要应用在预警系统、武器系统的指挥和控制、情报保障系统、军事力量的评估和指挥系统以及天地一体化信息融合系统。随着各种传感器技术和电子芯片的发展，信息融合技术在民用方面也得到了广泛的发展，下面详细介绍数据融合在智能机器人、故障诊断和图像处理方面的应用。

①信息融合在机器人研究领域中的应用机器人技术是一门综合技术，集光机电液信于一身，多感觉传感器系统与机器人相结合，形成感觉机器人和智能机器人。机器人演奏、机器人足球比赛、机器人摔跤等需要高度信息融合技术，工业机器人则成为典型的多传感器集成和融合系统，这里主要介绍信息融合技术在移动机器人和工业机器人方面的应用。

如何精确地获得自身的位置并由此规划运动路径，是自主式移动机器人研究领域中一直得到关注的问题。轮式移动机器人由于轮子打滑及测量模型噪声等原因，存在累计误差问题。为了进一步提高移动机器人的定位精度，文献采用扩展Kalman滤波对这两种传感器信息进行融合，即通过激光扫描器提供的信息不断修正光电编码器的定位信息，提高了定位精度。

工业机器人在工业系统中主要完成物料搬运、制造、装配、检测等，现已有一些较为成熟的应用例子，如Hitachi公司研制的应用于电子产品装配线上的工业机器人将三维视觉传感器和力传感器测出的数据进行融合。Georgia理工学院研制的机器人融合视觉和触觉传感器的信息。还有Groen等人研制的用于机械产品装配生产线上、Smith和Nitan等人研制的用于产品包装、Kremers等人研制的适用于加工制造业的一些工业机器人。

2）信息融合技术在故障诊断领域中的应用基于信息融合的故障诊断方法，是通过多传感器获取设备状态的特征信号，并进行多层关联组合、数据选择，从而获得对诊断对象故障信息更可靠的认识和对潜在故障发展趋势的态势评估。

文献针对某泵压式供应系统液体火箭发动机的泄漏故障，利用系统故障症状的分散性，提出了一种基于模糊数据融合技术的系统故障诊断方法。文献构造了神经网络信息融合中心，对来自多传感器的残差信号进行了预处理和离散小波变换，使用改进BP算法对神经网络分类器训练以进行相应的故障模式识别。文献利用不同采样速率多传感器观测对象，充分考虑多尺度、多信息融合状态估计精度和强跟踪滤波器理论在处理非线性系统时变参数与状态估计的能力，实现了变压器故障的在线诊断。

3）信息融合技术在图像处理方面的应用遥感图像的信息融合能使各种空间、波谱和时间分辨率的图像纳入统一的时空内，融合构成一种新的图像，增加信息量，实现多种信息的互补，改善了图像的质量和有效性。文献把同一目标的不同传感器获得的图像数据利用小波包变换进行融合，得到目标较为清晰的融合图像。文献提出了一种针对SAR（合成孔径雷达）图像保留边缘的融合方法，在计算量不显著增加的前提下，提高了边缘检测的质量。

在医学方面CT与NMR具有不同的成像机理，CT能够清晰表达骨骼信息，而NMR能够清晰表达软组织信息，文献提出了一种新的基于小波变换的系数取大融合算法，从而既可清晰地表现骨组织信息，又可清晰地表现软组织信息，这对临床医学具有十分重要的意义。

五、数据融合研究中的存在问题

1）未形成基本理论框架和有效广义模型及算法虽然数据融合的研究已经相当广泛，但是自前对信息融合的研究都是根据问题的种类，各自建立融合准则，并在此基础上形成所谓最佳融合方案，而且目前很多研究工作是基础研究、仿真性工作。

2）关联的二义性是数据融合中的主要障碍在进行融合处理前，必须对信息进行关联，以保证所融合的信息是来自同一目标。所以，信息可融合性的判断准则及如何进一步降低关联的二义性已成为融合研究领域亟待解决的问题。

3）数据融合方法与融合系统实施问题数据融合系统的设计实施目前还存在许多实际的问题：传感器动态测量误差模型的建立、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、与其他领域的很多新技术的“嫁接与融合”，如人工智能技术、计算神经网络计算、遗传算法、进化计算、虚拟现实技术性等，这些尚无成熟理论。

4）融合系统的容错性和稳健性没有得到很好的解决冲突（矛盾）信息或传感器故障所产生的错误信息等的有效处理，即系统的容错性或稳健性也是信息融合理论研究中必须考虑的问题。

六、研究方向展望

尽管信息融合技术20多年来已有了很大的发展，但仍然还有很多领域有待于进一步的研究与探索，目前主要包括：

① 多传感器分布检测研究分布式检测融合自提出至今已形成了比较完善的理论体系。目前对该领域的研究主要有：在各检测器性能时变的条件下，如何自适应估计各检测器性能并进行分布式检测融合是目前的一个方向;在信号参数模糊下的分布式检测融合问题：在信号参数随机变化下的分布式检测融合问题；微弱信号的检测融合问题。

② 异类多传感器信息融合技术研究异类多传感器信息融合由于具有时间不同步，数据率不一致及测量维数不匹配等特点，几因而具有很大的不确定性。在异类多传感器信息融合中，如何利用各传感器信息进行航迹起始，如何综合利用位置、动态及特征和属性参数改善目标跟踪性，如何合理利用互补信息以改善对目标的识别及如何实现检测跟踪的联合优化都是需要进一步研究和解决的问题。③传感器资源分配与管理技术研究多个传感器构成了多传感器系统的互补体系，因此必须按照某些工作准则适当地管理这些传感器，以便获得最优的数据采集性能。传感器管理的内容通常包括：空间管理、模式管理和时间管理。这一方面主要包括：传感器性能预测，传感器对目标的分配方法，传感器空间和时间作用范围控制准则，传感器配置和控制策略，传感器接口技术，传感器对目标分配的优先级技术，以及传感器指示和交接技术。

③ 研究数据融合用的数据库和知识库，高速并行检索和推理机制利用大型空间数据库中数据和知识进行推理是融合系统过程中的关键任务，因此深人研究和探讨空间数据库的知识库，高速并行推理机制应成为未来的研究重点之一。