多传感器信息融合技术及其应用

2007届优秀毕业设计（论文）摘要 1

多传感器信息融合技术及其应用

学 院：信息工程学院 专业班级：自动化0301班 姓 名：魏红霞 指导教师：段承先

摘 要：本文介绍了多传感器数据融合的概念、优点、结构、方法和应用。数据融合把来自不同传感器的、或其它信息源的数据加以综合、相关、互联，以便提高定位和特征估计的精度。本文最后对Kalman融合算法进行仿真，并对其结果进行分析。仿真结果表明，融合算法令人满意。

关键词：多传感器信息融合；融合算法；MATLAB仿真；Kalman滤波

Multi-sensor Information Fusion and its Application

Abstract The concept、advantages、architecture、methods and application of multi-sensor data fusion are described. Data fusion is the process of combining、correlating、associating data from multi-sensor and/or other information sources to achieve refine deposition、identity estimation and assessment of situations. Finally, the integration of Kalman algorithm simulation, and analysis of its results Simulation results show the fuzzy method is satisfactory.

Key words Multi-sensor Data fusion；Fusion Algorithm；MATLAB Simulation；Kalman filter

1 多传感器信息融合技术的概述

任何一种新技术的诞生，其原动力都来源于人类的需求，其目的都是为了满足人类的需求。数据融合技术当然也不例外[1]。数据融合技术最根本的目的在于增强了人类对复杂的未知环境或事物的认知能力。多传感器信息融合（Multiple Sensor Information Fusion, MSIF）,也称为多传感器数据融合，就是对多传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理，即组合或融合来自多个传感器或其他信息源的数据，以获得综合的、更好的估计。

2 多传感器信息融合技术的基本理论

多传感器信息融合的基本原理或出发点就是充分利用多个传感器资源，通过对这些传感器及其观测信息的合理支配和利用，把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则来组合，以获得被测对象的一致性解释或描述，使该信息系统因此而获得比它的各个组成部分的子集所构成的系统更优越的性能。

2.1 信息融合的层次结构

多传感器信息融合的方法多种多样，没有一种普遍适用的标准模型。根据处理对象层次不同可以分为：数据（像素）级融合、特征级融合和决策级融合[2]。

2.2 信息融合的结构形式

数据融合系统是由各种传感器、处理机及相关设备与融合软件组成的。随着应用场合的不同，其结构形式也多不相同。根据传感器和融合中心的信息流关系，可分为集中式、分布式、混合式融

2 多传感器信息融合技术及其应用

合结构和串联式融合结构[3]。

2.3 信息融合的一般方法

融合方法研究的内容是与数据融合有关的算法。多传感器融合的实质是多源不确定性信息的处理，这是一个复杂的处理过程。信息融合算法，一般可以分为经典和现代方法。经典方法包括加权平均法、最小二乘法、极大似然估计、卡尔曼滤波、D-S证据理论和贝叶斯估计等。现代方法包括模糊逻辑、人工神经网络、遗传算法、模糊积分理论等。

3 Kalman滤波及其仿真

卡尔曼滤波处理的基本思路是:对于运动目标，由描述目标运动模型的线性动态方程，在当前滤波估值的基础上预测下一时刻的目标状态，并将这一预测值与下一时刻状态观测值加权平均，获得下一时刻的滤波估值，由此实现连续、实时的、递归滤波。 3.1 Kalman 滤波方程及其解

设已知动态系统的状态方程和量测方程，它们分别为[4]：

xkAkxk1k1 （1） ykCkxkVk （2）

在状态方程和量测方程中，一般Ak与Ck是已知的，yk是量测的数据，也是已知的。如果暂时

'

k 、yk表示，则有， 不考虑k1和Vk，此时按式（1）和式（2）得到xk与yk分别用x

'kAxxkk1 （3） ''

k1 （4） ykCkxkCkAkx

'

ykykyk （5） 这里 

k就是对x的线性最优估计。 Hk，然后将此Hk带入式（6），得到的xk

k与真值x的均方误差是一个误差方阵。如果我们能求的这个误差阵最小条件下的因此，xk

'

kxk1HyxykkkAkxk1HkykCkAkxk1 （6）



根据式（1）、式（2）和式（6）来求均方差最小条件下的Hk。用Pk表示均方误差阵

PkExkxkxkxk （7） Exkxk

'''kxxk

并令 PkExkxk （8）



在推导中设初始状态x0与k、Vk均不相关。最后我们得到下列一组卡尔曼一步递推公式：

kAxk1HyCAxk1 （9） x





kk



kkk





HkPk'Ck(CkPk'Ck'Rk)1 （10）

Pk'AkPk1AkQk1 （11）

Pk(IHkCk)Pk'

3.2 构建Kalman滤波的方框图

假设系统的传递函数为 GS则状态空间表达式为：

（12）

s2

s1s3s4

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1x1xx

2x13x2 

3x24x3xyx22x3

根据假设的传递函数，可以编辑如图1的系统方框图。

图1 系统方框图

3.3 Kalman滤波源程序

在MATLAB的命令窗口中输入下列程序[5]

a=[-1 0 0 ;1 -3 0;0 1 -4] aa(1)=0 c=[0 1 -2] t=0.1

I=[1 0 0;0 1 0;0 0 1] b=a*t

d=1/2*a^2*t^2

e=I+d+b [n10,n11]=size(x1) [n20,n21]=size(x2) [n30,n31]=size(x3) r1=0 %r1(1)=0 r2=0 r3=0 r4=0

s=[0;0;0] z1=x1(1) z2=x2(1) z3=x3(1) z4=y(1)

4 多传感器信息融合技术及其应用

p=[1 0 0;0 1 0;0 0 1] for i=2:n10

z1=(z1*(i-1)+x1(i))/i; z2=(z2*(i-1)+x2(i))/i; z3=(z3*(i-1)+x3(i))/i; z4=(z4*(i-1)+y(i))/i w1=(x1(1)-z1)^2; w2=(x2(1)-z2)^2; w3=(x3(1)-z3)^2; w4=(y(1)-z4)^2 ; for k=2:i

w1=w1+(x1(k)-z1)^2; w2=w2+(x2(k)-z2)^2; w3=w3+(x3(k)-z3)^2; w4=w3+(y(k)-z4)^2; end

r1=w1/i; r2=w2/i; r3=w3/i; r4=w4/i;

q=[sqrtm(r1) 0 0;0 sqrtm(r2) 0;0 0 sqrtm(r3)] R=sqrtm(r4)

pk=e*p*(e')+q h=pk*c'/(c*pk*(c')+R) p=(I-h*c)*pk

s=e*s+h*(y(i)-c*e*s) aa(i)=s(2,1) end t=1:n10

plot(t,aa(t),'r',t,x1(t),'b')

把此程序输入完毕，且在Simulink环境下打开图1的方框图，按回车键，得到图2。

图2 输入为正弦波时的仿真图 图3 输入为阶跃信号时的仿真图

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3.4 仿真结果分析

如图2所示，图中有蓝、红、绿三条曲线，其中绿色的曲线是在完全没有干扰是的状态x1(t)的曲线。由于输入是正弦波，没有干扰x1(t)基本上也是正弦波曲线。蓝色的曲线是在加正态白噪声的情况下，直接测到的信号的曲线，而红色的是Kalman滤波后得到的曲线，对比蓝色和红色的曲线可知：加干扰之后而没有采用Kalman滤波的曲线基本上看不出来是正弦波，而采用Kalman滤波曲线基本是正弦波的形状。从以上的仿真结果可以看，卡尔曼仿真结果令人满意。而图3只是在输入为阶跃信号时的境况。

4 结论

多传感器信息融合是一个信息处理过程，它将来自不同途径，不同时间，不同空间的传感器信息协调成统一的特征表达式，以完成对某一对象和环境特征的描述。本文通过搜集、整理和总结今年来国内外在信息融合领域的最新研究成果和最新进展，借鉴其相关的经验，作了更进一步的深入研究。本文还独立的用MATLAB对卡尔曼滤波进行仿真，验证了算法的优越性。

参考文献

[1] 王军，苏剑波，席裕庚. 多传感器集成与融合概述[J]. 机器人. 2001,23(2).

[2] 罗跃纲，陈长征. 基于信息融合的集成小波神经网络故障诊断[J]. 东北大学学报(自然科学版),2002,23(8):

802-805.

[3] 袁南儿，杨东勇，林毅. 多传感器信息融合及其在工业控制中的应用[J]. 浙江工业大学学报.1999, 27(4). [4] 王华奎，张立毅. 数字信号处理及应用[M]. 太原理工大学..203~209. [5] 李国勇，谢克明. 控制系统数字仿真与CAD[M]. 北京:电子工业出版社,2003.