多傳感器數(shù)據(jù)融合在小車避障上的應(yīng)用

倪 瑛，張小明

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

近二十年來，傳感器技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，各種面向復(fù)雜應(yīng)用背景的多傳感器信息系統(tǒng)大量涌現(xiàn)，在一個(gè)系統(tǒng)中裝配的傳感器在數(shù)量上和種類上也越來越多。因此需要有效地處理各種各樣的大量的傳感器信息。在這些系統(tǒng)中，信息表現(xiàn)形式的多樣性，信息容量以及信息的處理速度等要求已經(jīng)大大超出人腦的信息綜合能力。處理各種各樣的傳感器信息意味著增加了待處理的信息量，很可能會(huì)涉及到在各傳感器數(shù)據(jù)組之間的矛盾和不協(xié)調(diào)。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合基本原理

數(shù)據(jù)融合［1，2］是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而生成完整、準(zhǔn)確、及時(shí)和有效的綜合信息過程。數(shù)據(jù)融合技術(shù)結(jié)合多傳感器的數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)庫的相關(guān)信息以獲得比單個(gè)傳感器更精確、更明確的推理結(jié)果。傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無用的和錯(cuò)誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化。

多傳感器數(shù)據(jù)融合的基本原理如圖1所示，在監(jiān)測(cè)對(duì)象上裝配多個(gè)傳感器，通過傳感器采集到各種大量的信息，這些傳感器可以是同類型的，也可以是不同類型的傳感器。采集到的各種數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)融合中心去融合，因?yàn)閭鞲衅鞫际菍?duì)同一個(gè)檢測(cè)對(duì)象監(jiān)測(cè)的，勢(shì)必存在冗余信息，所以在數(shù)據(jù)融合的過程中，要提取到重要的信息，并且摒棄冗余信息，提取到被監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征，識(shí)別并最后通過決策層決策執(zhí)行。

圖1 多傳感器數(shù)據(jù)融合原理圖

多傳感器數(shù)據(jù)融合之所以被廣泛地研究［3］，是由于它與單一傳感器信息利用相比具有如下特點(diǎn):

(1)容錯(cuò)性。在單一傳感器出現(xiàn)誤差或失效的情況下，系統(tǒng)仍能正?？煽康毓ぷ鳌?/p>

(2)互補(bǔ)性。各傳感器除提供對(duì)象的共性反映外，還提供與各傳感器本身有關(guān)的特性反映，因而利用信息融合就能實(shí)現(xiàn)不同傳感器之間的信息互補(bǔ)，從而提高信息的利用率、減少系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不正確性。

(3)實(shí)時(shí)性。能以較少的時(shí)間獲取更多的信息，大大提高系統(tǒng)的識(shí)別效率。

與單傳感器相比，多傳感器集成與融合技術(shù)具有冗余性、互補(bǔ)性、實(shí)時(shí)性及低成本等的優(yōu)點(diǎn)。因此，為了解決單傳感器進(jìn)行環(huán)境描述的局限性，人們通常會(huì)利用多個(gè)傳感器來完成環(huán)境信息的采集并實(shí)現(xiàn)信息的融合。本論文結(jié)合智能小車的硬件資源，合理選擇多傳感器集成和融合技術(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、低成本的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)小車在移動(dòng)過程中自主探測(cè)避障［4］。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

探測(cè)避障小車主要由超聲波感應(yīng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)系統(tǒng)三部分組成，原理圖如圖2所示。單片機(jī)系統(tǒng)為小車的控制中心，起到數(shù)據(jù)融合處理、提取特征并驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用，從而實(shí)現(xiàn)小車自主避障的功能。為了實(shí)現(xiàn)全方位的探測(cè)周圍障礙物信息，并及時(shí)做出避障反映，在小車上采用了六個(gè)超聲波感應(yīng)模塊，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍各個(gè)方向障礙物的識(shí)別。單片機(jī)系統(tǒng)控制直流電機(jī)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車，單片機(jī)根據(jù)超聲波模塊返回的數(shù)據(jù)，判斷障礙物，同時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)使小車避開障礙物。通過超聲波進(jìn)行方向性的測(cè)距，再由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、處理和判斷，通過多次連續(xù)不同時(shí)間的方向性測(cè)距，最終確定障礙物的方位，然后由單片機(jī)系統(tǒng)通過控制驅(qū)動(dòng)模塊來控制小車的運(yùn)動(dòng)，做出避障反應(yīng)。最終的實(shí)物如圖4所示。

圖2 自主避障小車原理框圖

圖3 超聲波傳感器布局示意圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中主要涉及三個(gè)方面:第一是單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的采集;第二是六個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的融合處理;第三是單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)融合處理的結(jié)果，做出決策并執(zhí)行。

圖4 自主避障小車實(shí)物圖

(1)單個(gè)超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播的特點(diǎn)。

單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)獲取的主要程序如下:

(2)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的融合處理

在本設(shè)計(jì)中有六個(gè)超聲波傳感器模塊，分別探測(cè)360度各60度區(qū)域的障礙物情況，在前面已經(jīng)介紹了單個(gè)超聲波傳感器探測(cè)到的障礙物距離信息，其他五個(gè)超聲波傳感器采集的程序類似，不再贅述。采集到的六個(gè)超聲波傳感器送到process程序中處理，由于各個(gè)超聲波傳感器采集到的是附近障礙物的距離，因此將六個(gè)返回的距離信息進(jìn)行對(duì)比，確定沒有障礙物的區(qū)域，便于程序后期處理并確定小車的行進(jìn)方向，從而達(dá)到避障的目的。

3 結(jié)束語

由于超聲波模塊有盲區(qū)，距離過長(zhǎng)過短都會(huì)導(dǎo)致超聲波失去作用，所以要使得超聲波正常工作必須保證距離在超聲波的有效范圍內(nèi)。依據(jù)系統(tǒng)需求，采用六個(gè)超聲波傳感器分別監(jiān)視以系統(tǒng)為中心的六個(gè)區(qū)域，對(duì)周圍360°的物體進(jìn)行跟蹤，并獲取整個(gè)識(shí)別范圍內(nèi)的跟蹤對(duì)象的坐標(biāo)，識(shí)別運(yùn)動(dòng)對(duì)象的坐標(biāo)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)反饋信息調(diào)節(jié)速度和轉(zhuǎn)彎等各種目標(biāo)跟蹤功能，根據(jù)信息的反饋?zhàn)鞒鱿鄳?yīng)的方向性變化，從而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)使小車達(dá)到自主避障的目的。經(jīng)過實(shí)物測(cè)試反映，該方案能夠滿足小車自主探測(cè)避障的需求，與單一的超聲波相比，避障精準(zhǔn)度更高。

［1］ 王耀南，李樹濤.多傳感器信息融合及其應(yīng)用綜述［J］.控制與決策，2001(9):518-521.

［2］ 王艷平.多傳感器信息融合技術(shù)在移動(dòng)機(jī)器人障礙探測(cè)中的應(yīng)用［J］.信息化研究，2009(1):55-57.

［3］ 康耀紅.數(shù)據(jù)融合理論與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社.1997(11):24-28.

［4］ 宋強(qiáng)，王愛民，張運(yùn)素.基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.自動(dòng)化與儀表，2013(7):8-10.