多传感器融合的四种经典结构

“人一生的成长过程中,也不总是只有一种必然性,很多时候,人生需要选择。请选择有尊严的活着,告别卑微!”

 

转一篇信息融合的结构概述:

 

多传感器信息融合的结构模型一般有四种基本形式:

集中式、分散式和分级式结构,分级式又分为有反馈结构和无反馈结构。

 


集中式结构

 

(使用卡尔曼滤波技术)

F(k)为状态转移矩阵, X(k)是k时刻目标的状态向量,G(k)为噪声增益矩阵,ω(k)为输入噪声模型,H(k)为观测矩阵,V(k)为观测噪声模型。

多传感器融合的四种经典结构_第1张图片

 

在系统融合中心采用集中卡尔曼滤波融合技术,可以得到系统的全局状态估计信息.在集中式结构中,各传感器信息的流向是自低层向融合中心单方向流动,各传感器之间缺乏必要的联系。


分散融合结构

 

分散融合结构没有中央处理单元,每个传感器都要求作出全局估计,采用分散Kalman滤波技术来实现多传感器信息的融合。为了简化算法,作以下三点假设:

    1. 传感器分散网络结构中的每一个融合节点都和其它节点直接相连;

    2. 节点的通信在一个周期内同时进行;

    3. 所有节点使用同样的状态空间。

多传感器融合的四种经典结构_第2张图片

当每个节点得到自己的局部估计后,就与其它相连的节点进行通信,接受其它节点传递来的信息后进行同化处理,同化包括状态同化和方差同化,经推导可得第 i 个节点的状态同化方程为:

从而,在每个节点都可以得到全局的状态估计和方差估计。

有n个节点组成的分散融合结构网络中,任一个节点都可以作出全局估计,某一节点的失效不会显著地影响系统正常工作,其它n一1个节点仍可以对全局作出估计,有效地提高了系统的鲁棒性。尽管每个节点都具有较大的通信量,但是其通信量都没有集中式融合中心的通信量大,且由于其采取并行处理,解决了通信瓶颈问题。通过分散融合各传感器之间互通信息,加强了联系,尽管通信费用较高,但是系统的鲁棒性和容错性得到提高。

    补充:

    鲁棒性(robustness)就是系统的健壮性。它是在异常和危险情况下系统生存的关键。比如说,计算机软件在输入错误、磁盘故障、网络过载或有意攻击情况下,能否不死机、不崩溃,就是该软件的鲁棒性。

 

分级融合结构

 

分级融合结构,它有两种形式:无反馈的分级结构和有反馈的分级结构,分级结构采取的是由低层向高层逐层融合的思想.设系统的动力学方程和观测方程同上,设有下标的表示低层的信息,没有下标的表示高层的信息.则

无反馈时:

多传感器融合的四种经典结构_第3张图片

有反馈时:

多传感器融合的四种经典结构_第4张图片

可以看到:信息从低层向高层逐层流动,无反馈时,层间传感器属于单向联系,高层信息不参与低层处理;有反馈时,层间传感器是双向联系,不仅低层融合信息向高层传递,高层信息也参与低层节点处理。各传感器之间是一种层间的有限联系。


总结

 

集中式融合结构:结构简单,精度高,融合速度快,各融合中心计算和通信负担过重,系统容错性差,各低层传感器之间缺乏必要的联系;

分散式融合结构:每个传感器都具有估计全局信息的能力,任何一个传感器的失效都不会导致系统的崩溃,各传感器之间互通信息,系统的可靠性和容错性高,计算和通信负担比集中式要轻,融合精度不如集中式好;

分级融合结构:信息从低层到高层逐层参与处理,高层节点接收低层节点的融合结果,在有反馈时,高层信息也参与低层节点的融合处理。各传感器之间是一种层间有限联系,其计算和通信负担介于集中式结构和分散式结构之间。

 

多传感器融合的四种经典结构_第5张图片

 

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