第6章智能传感器系统智能化功能实现方法(2).ppt

现代传感器技术现代传感器技术第第6 6章章 智能传感器系统智能化功能的实现方法智能传感器系统智能化功能的实现方法()()第第6 6章章 智能传感器系统智能化智能传感器系统智能化功能的实现方法功能的实现方法()()6.1 自自 补补 偿偿 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 6.3 自选量程与增益控制自选量程与增益控制 6.4 智能传感器的自检验智能传感器的自检验 6.5 自自 诊诊 断断 6.6 图像处理图像处理 自补偿的目的：自补偿的目的：改善传感器系统的动态特改善传感器系统的动态特性，使其频率响应特性具有更宽的范围；性，使其频率响应特性具有更宽的范围；在不在不能进行完善的实时自校准的情况下，自补偿可以能进行完善的实时自校准的情况下，自补偿可以消除由于环境、工作条件变化引起的零点和灵敏消除由于环境、工作条件变化引起的零点和灵敏度漂移。度漂移。6.1 6.1 自自 补补 偿偿6.1 6.1 自自 补补 偿偿6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.2 频率补偿频率补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 除除了了温温度度传传感感器器，温温度度对对所所有有的的传传感感器器都都是是误误差差因因素素。在在经经典典传传感感器器中中采采用用对对称称结结构构来来消消除除其其影影响响。在在智智能能传传感感器器的的初初级级形形式式中中，主主要要采采用用以以硬硬件件电电路路来来实实现现的的“拼拼凑凑”补补偿偿技技术术，补补偿偿效效果果还还不不够够好好。在在传传感感器器与与微微处处理理器器/微微计计算算机机相相结结合合的的智智能能传传感感器器系系统统中中，则则是是采采用用监监测测补补偿偿法法，它它是是通通过过对对干扰量的监测再由软件实现补偿的。干扰量的监测再由软件实现补偿的。一、温度信号的获得一、温度信号的获得 一一般般来来说说，为为了了消消除除哪哪个个干干扰扰量量的的影影响响，就就要要放放置置敏敏感感该该干干扰扰量量的的传传感感元元件件去去监监测测它它。为为消消除除温温度度干干扰扰量量对对压压力力传传感感器器性性能能的的影影响响，就就应应放放置置测测温温元元件件去去监监测测压压力力传传感感器器的的工工作作温温度度。但但是是对对于于压压阻阻式式压压力力传传感感器器而而言言，可可以以通通过过“一一桥桥二二测测”技术由它自身来提供温度信号。技术由它自身来提供温度信号。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 已已知知基基于于压压阻阻效效应应的的压压力力传传感感器器是是由由四四个个压压敏电阻组成的全桥差动电路，如图所示。敏电阻组成的全桥差动电路，如图所示。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 当当采采用用恒恒流流源源供供电电时时，A、C间间的的电电位位差差UAC即即为为温温度度输输出出信信号号；B、D间间的的电电位位差差UBD即即为为压压力传感器的测压输出信号。分析如下。力传感器的测压输出信号。分析如下。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 当当测测压压信信号号输输出出端端B、D接接高高输输入入阻阻抗抗放放大大器器时时，可可视视为为开开路路，则则A、C两两端端的的等等效效电电阻阻RAC为为桥桥臂电阻的串并联，即臂电阻的串并联，即6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿在在被被测测量量压压力力P与与干干扰扰量量温温度度T同同时时作作用用下下，各各桥桥臂臂的阻值表达式为的阻值表达式为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿代入式代入式(6-1)得等效电阻得等效电阻RAC为为等效电路如图所示。等效电路如图所示。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 当恒流源供电时，当恒流源供电时，RAC两端的电位差两端的电位差UAC为为 式中，式中，I恒流源的电流值，是常量；恒流源的电流值，是常量；R压力传感器桥臂电阻初始值，是常量；压力传感器桥臂电阻初始值，是常量；D DRT由温度改变引起桥臂电阻的改变量。由温度改变引起桥臂电阻的改变量。只只要要进进行行了了UACT特特性性的的标标定定，由由监监测测电电压压UAC，根根据据UACT特特性性即即可可确确定定温温度度T。这这样样，由由一一个个压压力力传传感感器器可可以以获获得得同同一一空空间间位位置置的的两两个个参量参量P、T。下下面面介介绍绍两两种种综综合合补补偿偿法法，在在进进行行温温度度补补偿偿的同时也进行非线性校正。的同时也进行非线性校正。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿二、综合补偿方法之一二、综合补偿方法之一多段折线逼近法多段折线逼近法 1、零位温漂的补偿、零位温漂的补偿 传传感感器器的的零零点点U0随随温温度度而而漂漂移移，与与传传感感器器的的类类型型、型型号号、生生产产厂厂家家有有关关。只只要要该该传传感感器器的的U0T特性具有重复性就可以补偿。特性具有重复性就可以补偿。补偿的基本思想是补偿的基本思想是 事先测出事先测出U0T特性，存于内存中。特性，存于内存中。由监测传感器测出温度由监测传感器测出温度T；计算计算U0(T)；UU0(T)。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 大大多多数数传传感感器器的的U0T特特性性呈呈严严重重非非线线性性，如如图图所所示示。故故由由温温度度T求求取取该该温温度度的的零零位位值值U0(T)，实际上是相同于非线性校正的线性化处理问题。实际上是相同于非线性校正的线性化处理问题。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 2、灵敏度温度漂移的补偿、灵敏度温度漂移的补偿 1)补偿原理补偿原理 对对于于压压阻阻式式压压力力传传感感器器，在在输输入入压压力力保保持持不不变变的的情情况况下下，其其输输出出将将随随温温度度的的升升高高而而降降低低，如如下图所示。图中，下图所示。图中，T1为传感器校准时的温度。为传感器校准时的温度。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 当当在在工工作作温温度度为为T时时测测得得的的传传感感器器输输出出量量为为U(T)，给给U(T)值值加加上上一一个个补补偿偿电电压压D DU后后，再再按按照照U(T1)P反反非非线线性性特特性性进进行行刻刻度度变变换换求求取取输输入入压压力力即即为为P。问问题题归归结结为为如如何何在在各各种种不不同同的的T下下获获得所需的得所需的D DU。2)补偿电压的分段获取补偿电压的分段获取 传传感感器器的的输输入入(P)、输输出出(U)、工工作作温温度度(T)的的标定值如下表所示。标定值如下表所示。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 由由上上表表所所示示折折点点坐坐标标的的标标定定值值，可可将将输输出出电电压分为压分为j段，分段值为段，分段值为 工作温度区间分为工作温度区间分为i1段，分段值为段，分段值为 6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 测测得得传传感感器器在在未未知知输输入入压压力力P作作用用下下的的输输出出电电压压为为U(P,T)，它它的的工工作作温温度度T由由UACT的的反反非非线线性性特性求出。设它所在的区域为特性求出。设它所在的区域为 U(Pj1,T1)U(P,T)U(Pj,T1)；电压区间电压区间 Ti1TTi；温度区间温度区间则则P的取值在如图所示两点之间。的取值在如图所示两点之间。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿U(Pj1,T1)U(P,T)U(Pj,T1)；Ti1TTi；6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿假假设设如如图图中中的的A点所示。点所示。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 计算补偿电压的方法如图所示。补偿电压的计计算补偿电压的方法如图所示。补偿电压的计算公式为算公式为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿其中其中6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿求出求出D DUD DU(T,T1)之后，可得之后，可得即即可可由由温温度度为为T1时时的的输输入入输输出出特特性性的的反反非非线线性特性求出性特性求出P，如下图所示。，如下图所示。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 3、综合补偿程序框图、综合补偿程序框图 4、计算举例、计算举例 补偿后的灵敏度温度系数补偿后的灵敏度温度系数a as s为为 若不进行补偿，灵敏度温度系数若不进行补偿，灵敏度温度系数a as为为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿三、综合补偿方法之二三、综合补偿方法之二曲线拟合法曲线拟合法 1、补偿原理、补偿原理 已已知知对对应应不不同同的的工工作作温温度度，传传感感器器有有不不同同的的输输入入(P)输输出出(U)特特性性。如如果果能能够够确确定定工工作作温温度度为为T时时相相应应的的PU特特性性，并并按按其其反反非非线线性性特特性性读读取取被被测测量量P，从原理上不存在温度引入的误差。从原理上不存在温度引入的误差。困困难难在在于于，通通过过标标定定实实验验只只能能在在有有限限数数量量的的几几个个温温度度值值条条件件下下标标定定输输入入输输出出特特性性。通通过过曲曲线线拟拟合合法法，则则可可以以找找出出在在工工作作温温度度范范围围内内非非标标定定条条件件下下的的任任一一温温度度T下的输入下的输入(P)输出输出(U)特性。特性。2、补偿步骤、补偿步骤 1)利用标定实验数据利用标定实验数据 将不同工作温度条件下获得的输入将不同工作温度条件下获得的输入(P)输出输出(U)特性用一维多项式方程表示为特性用一维多项式方程表示为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿式式中中，U0(T1),),U0(T2),),U0(Ti)分分别别为为传传感感器器在在不不同同温温度度的的零零位位值值；U(T1),),U(T2),),U(Ti)分分别别为为对对应应不不同温度零位修正后的传感器的输出值。同温度零位修正后的传感器的输出值。利利用用标标定定实实验验数数据据求求解解出出各各种种温温度度条条件件下下多多项项式方程的系数，则式式方程的系数，则式(6-7)各方程就可确定各方程就可确定。2)建立系数建立系数b b的曲线拟合方程的曲线拟合方程 式式(6-7)中中各各个个系系数数b b随随温温度度而而变变化化的的规规律律通通常常不是线性的，故也可用一维多项式方程表示为不是线性的，故也可用一维多项式方程表示为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 利利用用标标定定实实验验数数据据求求解解出出式式(6-8)中中的的各各个个系系数，则式数，则式(6-8)各方程就可确定各方程就可确定。3)确立工作温度时的确立工作温度时的PU特性曲线拟合方程特性曲线拟合方程 读读入入UAC与与U(P,T)。由由UAC求求出出工工作作温温度度的的数数值值后后将将该该值值代代入入方方程程式式(6-8)中中，可可计计算算出出该该工工作作温温度度状状态态下下的的各各项项系系数数b b1,b b2,b b5。从从而而可可确确立立工工作作温温度时的度时的PU特性的一维多项式方程式为特性的一维多项式方程式为 6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿根根据据上上式式的的反反非非线线性性特特性性，可可由由读读入入的的传传感感器器输输出出值解得被测输入量值解得被测输入量P，原理上不存在温度误差。，原理上不存在温度误差。6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 4)补偿计算举例补偿计算举例 根根据据表表6-2所所列列实实验验标标定定数数据据，采采用用曲曲线线拟拟合合法法求求得得T44.0 时时的的传传感感器器输输入入输输出出特特性性的的五五阶阶多多项式曲线拟合方程为项式曲线拟合方程为6.1.1 6.1.1 温度补偿温度补偿 由由表表中中数数据据可可见见，在在P(1.05.0)104 Pa范范围围内内，补补偿偿后后输输出出电电压压对对温温度度的的稳稳定定性性比比补补偿偿前前提提高了高了(3.595)倍。倍。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 已知一阶系统的工作频段为已知一阶系统的工作频段为 式中，式中，w wt t1/t t 转折频率；转折频率；t t 时间常数。时间常数。一阶系统的幅频特性如下图所示。一阶系统的幅频特性如下图所示。由式由式(2-33)6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿得动态误差得动态误差6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 二阶系统的工作频段二阶系统的工作频段为为式中式中，w wn为无阻尼固有振荡角频率。为无阻尼固有振荡角频率。二阶系统的幅频特性如下图所示。二阶系统的幅频特性如下图所示。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿由式由式(2-34)6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿得，当得，当0z z1时动态误差为时动态误差为所所以以，为为了了满满足足幅幅值值误误差差g g及及相相位位差差f f的的要要求求，一一阶阶系系统统的的转转折折频频率率w wt t1/t t要要足足够够大大，时时间间常常数数t t要要足足够够小小。同同样样道道理理，二二阶阶系系统统的的固固有有频频率率w wn要要足够大。足够大。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 当当信信号号的的频频率率高高而而传传感感器器的的工工作作频频带带不不能能满满足足测测量量允允许许误误差差的的要要求求时时，则则希希望望扩扩展展系系统统的的工工作作频频带，改善系统的动态特性。带，改善系统的动态特性。通通常常采采用用频频率率补补偿偿法法来来补补偿偿系系统统动动态态特特性性的的不不足，主要有两种方法：数字滤波法和频域校正法。足，主要有两种方法：数字滤波法和频域校正法。44一、数字滤波法一、数字滤波法 数数字字滤滤波波法法的的补补偿偿思思想想是是：给给现现有有的的传传递递函函数数为为W(s)的的传传感感器器系系统统附附加加一一个个传传递递函函数数为为H(s)的的环环节节，使使系系统统总总传传递递函函数数I(s)W(s)H(s)满满足足动动态态性性能能的的要要求求。这这个个需需要要附附加加的的串串联联环环节节H(s)，由由软软件件编编程设计的等效数字滤波器来实现。程设计的等效数字滤波器来实现。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 1、工作原理、工作原理 以以一一阶阶环环节节为为例例说说明明数数字字滤滤波波法法扩扩展展频频带带的的原原理理。已已知知传传感感器器为为一一阶阶系系统统，其其传传递递函函数数W(s)、频频率特性率特性W(jw w)分别为分别为6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿现欲将其频带扩展现欲将其频带扩展K倍，即转折角频率倍，即转折角频率w wt t为为 也就是将它的时间常数也就是将它的时间常数t t 减小减小K倍，即倍，即 通通过过附附加加一一个个串串联联环环节节(称称为为校校正正环环节节)可可以以达达到上述目的。到上述目的。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 1)校正环节的传递函数校正环节的传递函数H(s)串串入入一一个个校校正正环环节节后后，与与原原传传感感器器系系统统W(s)组成一个新系统组成一个新系统I(s)，如图所示。，如图所示。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿于是得校正环节的传递函数于是得校正环节的传递函数H(s)为为 6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 2)校正环节的实现校正环节的实现 由由后后向向差差分分法法求求得得模模拟拟滤滤波波器器H(s)的的等等效效数数字滤波器为字滤波器为6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿令令H(z)的编程算式为的编程算式为 再将上式改写为再将上式改写为6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿式中，式中，fc传感器系统原有的转折频率；传感器系统原有的转折频率；fb频带扩展后的转折频率频带扩展后的转折频率，fbKfc；n采样时序序号；采样时序序号；T采样间隔采样间隔。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 实实现现式式(6-13)的的编编程程必必须须已已知知原原传传感感器器系系统统的的动动态态特特性性。确确定定时时间间常常数数的的实实验验方方法法有有正正弦弦信信号响应法和阶跃信号法。号响应法和阶跃信号法。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 利用频率连续可调的正弦信号源，产生幅值不利用频率连续可调的正弦信号源，产生幅值不变、频率连续改变的正弦信号，作为原传感器系统变、频率连续改变的正弦信号，作为原传感器系统的输入，测量其输出的幅值和相位，得到如图所示的输入，测量其输出的幅值和相位，得到如图所示的频率响应特性，从而得到时间常数的频率响应特性，从而得到时间常数t t。但是，很难获得正弦变化的温度、压力信号。但是，很难获得正弦变化的温度、压力信号。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 2、阶跃响应法测定时间常数、阶跃响应法测定时间常数 1)阶跃响应特性阶跃响应特性 一阶系统的输入信号一阶系统的输入信号x(t)为如下阶跃函数时为如下阶跃函数时 该一阶系统的输出该一阶系统的输出y(t)为一指数函数为一指数函数 6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿当当tt t 时时 6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 2)时间常数的确定时间常数的确定 对阶跃响应做如下变换对阶跃响应做如下变换两边取对数得两边取对数得 式中式中，6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 根根据据实实验验数数据据描描绘绘Zt关关系系曲曲线线，它它应应该该是是一一条直线，如图所示。于是条直线，如图所示。于是 6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 3、频带扩展实例、频带扩展实例 将测温传感器系统频带展宽将测温传感器系统频带展宽10倍。倍。1)时间常数测定时间常数测定 将将温温度度传传感感器器放放在在冰冰、水水混混合合物物的的冰冰瓶瓶中中，待待温温度度平平衡衡后后迅迅速速将将温温度度传传感感器器提提出出冰冰瓶瓶，由由此此对对温温度度传传感感器器输输入入了了一一个个从从0 至至室室温温36.5 的的温温度度阶阶跃跃信信号号x(t)，数数据据采采集集系系统统同同步步记记录录系系统统的的输输出出信信号号y(t)，如下图所示。，如下图所示。计算得到计算得到6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 2)数字滤波器的编程实现数字滤波器的编程实现 根根据据测测定定的的时时间间常常数数、所所要要求求的的扩扩展展倍倍数数，计算出计算出fc、fb、P、q，可编程实现数字滤波器。，可编程实现数字滤波器。经经过过数数字字滤滤波波后后，温温度度响响应应曲曲线线的的上上升升沿沿明明显显改改善善。由由于于数数字字滤滤波波器器是是编编程程实实现现的的，其其调调整整非常方便，如下图所示。非常方便，如下图所示。由于测量由于测量t t 必然有误差，所以必然有误差，所以fc有误差，不同有误差，不同的的fc产生不同的补偿效果。产生不同的补偿效果。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿二、频域校正法二、频域校正法 与与数数字字滤滤波波一一样样，必必须须已已知知系系统统的的传传递递函函数数。否否则则需需要要事事先先通通过过实实验验测测定定表表征征动动态态特特性性的的特特征征参参数数，从从而而得得出出传传递递函函数数W(s)或或频频率率特特性性W(jw w)。系系统动态特性频域校正过程示意图如下图所示。统动态特性频域校正过程示意图如下图所示。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 1、采样、采样 对对输输入入信信号号x(t)的的输输出出响响应应信信号号y(t)进进行行采采样样，得得时时间间序序列列y(n)，n0,1,N1。信信号号记记录录长长度度tpNTs,Ts为为采采样样时时间间间间隔隔，1/Tsfs为为采采样样频频率率。采采样频率必须满足采样定理样频率必须满足采样定理式中，式中，fm为输入信号为输入信号x(t)的最高频率的最高频率。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 2、频谱分析、频谱分析 对对采采样样信信号号y(n)进进行行频频谱谱分分析析，即即进进行行快快速速付付里里叶叶变变换换(FFT)，得得出出它它的的频频谱谱Y(m)()(m0,1,N/2)，其其基基波波频频率率为为1/tpW W/(2p p)，每每条条谱谱线线的的角角频频率为率为w wmW W。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 3、做复数除法运算、做复数除法运算 已知系统频率特性已知系统频率特性W(jw w)为为式中，式中，Y(jw w)系统输出信号的频谱；系统输出信号的频谱；X(jw w)系统输入信号的频谱。系统输入信号的频谱。式中，式中，W W2p p/tp基波基波角角频率；频率；m谱线序号，谱线序号，m0,1,N/2。故系统频率特性的离散时间表达式为故系统频率特性的离散时间表达式为 因因为为计计算算机机是是离离散散时时间间系系统统，只只能能得得到到离离散散的谱线，即的谱线，即 6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿将将W(m)与与Y(m)做复数除法，可得做复数除法，可得 式中，式中，X(m)为系统被测输入信号频谱为系统被测输入信号频谱。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 4、进行傅里叶反变换、进行傅里叶反变换 对对频频谱谱X(m)进进行行傅傅里里叶叶反反变变换换(IFFT)即即可可得得原原函函数数x(t)的的离离散散时时间间序序列列x(n)，n0,1,N1。这这个个原原函函数数x(t)正正是是要要测测量量的的系系统统输输入入信信号号的的真真值值。这这就就意意味味着着，若若不不进进行行频频域域校校正正，传传感感器器系系统统输输出出的的响响应应信信号号y(t)是是畸畸变变了了的的，它它用用畸畸变变了了的的y(t)代表被测的输入信号代表被测的输入信号x(t)，当然就存在误差。，当然就存在误差。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿 频频域域校校正正是是把把畸畸变变的的y(t)经经过过处处理理找找到到被被测测输输入入信信号号x(t)的的频频谱谱X(m)，进进而而获获得得了了被被测测输输入入信信号号x(t)的真值，于是便消除了误差。的真值，于是便消除了误差。6.1.2 6.1.2 频率补偿频率补偿6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 多传感器信息融合是指协同使用多种传感器并多传感器信息融合是指协同使用多种传感器并将各种传感信息有效地结合起来，形成高性能感知将各种传感信息有效地结合起来，形成高性能感知系统来获取对环境的一致性描述的过程。系统来获取对环境的一致性描述的过程。单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信单一传感器只能获得环境或被测对象的部分信息，而多传感器信息经过融合后能完善地、准确地息，而多传感器信息经过融合后能完善地、准确地反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以反映环境的特征。经过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信息获取的低成本性。信息获取的低成本性。多多传传感感器器信信息息融融合合是是人人类类和和其其他他生生物物系系统统中中普普遍遍存存在在的的一一种种基基本本功功能能。人人类类本本能能具具有有将将身身体体上上的的各各种种功功能能器器官官(眼眼、耳耳、鼻鼻、口口、四四肢肢等等)所所探探测测到到的的信信息息(景景物物、声声音音、气气味味、味味道道和和触触觉觉等等)与与经经验验知知识识进进行行综综合合的的能能力力，以以便便对对周周围围环环境和正在发生的事件作出估计。境和正在发生的事件作出估计。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 传传感感器器融融合合系系统统如如图图所所示示。多多传传感感器器信信息息融融合合就就是是对对人人脑脑信信息息处处理的一种高水平模仿。理的一种高水平模仿。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合1、多传感器信息融合的特点、多传感器信息融合的特点(1)增加系统的生存能力；增加系统的生存能力；(2)扩展空间覆盖范围；扩展空间覆盖范围；(3)扩展时间覆盖范围；扩展时间覆盖范围；(4)提高可信度；提高可信度；(5)降低信息的模糊度；降低信息的模糊度；(6)改善探测性能；改善探测性能；(7)提高空间分辨率；提高空间分辨率；(8)增加测量空间的维数。增加测量空间的维数。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 2、多传感器信息融合的关键问题、多传感器信息融合的关键问题 (1)数据转换。数据转换。(2)数据相关。数据相关。(3)态势数据库。态势数据库。(4)融合推理。融合推理。(5)融合损失。融合损失。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 3、多传感器信息融合技术的应用领域、多传感器信息融合技术的应用领域 (1)智能机器人。智能机器人。移动机器人。移动机器人所用的传感器主要有移动机器人。移动机器人所用的传感器主要有视觉传感器、激光测距传感器、超声传感器、红外传视觉传感器、激光测距传感器、超声传感器、红外传感器、里程表和陀螺仪等，信息融合的主要任务是环感器、里程表和陀螺仪等，信息融合的主要任务是环境建模、导航、避障和运动控制等。境建模、导航、避障和运动控制等。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 机机器器人人手手爪爪系系统统。机机器器人人手手爪爪系系统统所所用用传传感感器器主主要要有有视视觉觉传传感感器器、接接近近觉觉传传感感器器、力力/力力矩矩传传感感器器、位位置置/姿姿态态传传感感器器、速速度度/加加速速度度传传感感器器、滑滑觉觉传传感感器器、触触觉觉传传感感器器等等，信信息息融融合合的的主主要要任任务务是是高高效效率率地地获获取取物物体体和和环环境境信信息息，快快速速、准准确确、柔柔顺顺地触摸、抓握、操作物体或装配零件等。地触摸、抓握、操作物体或装配零件等。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 (2)监监控控系系统统。监监控控系系统统包包括括工工业业过过程程监监控控系系统统、环环境境监监测测系系统统等等。显显然然，监监控控系系统统是是一一个个信信息息融融合合系系统统。融融合合的的目目的的是是识识别别异异常常状状态态，并并报报警警显显示示。核核反反应应堆堆监监控控系系统统、城城市市污污染染监监测测系系统统是是典典型型的例子。的例子。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 (3)战战场场侦侦察察与与态态势势评评估估系系统统。未未来来的的战战场场将将是是集集电电子子战战、C3I系系统统和和精精确确制制导导武武器器，以以体体系系对对抗抗体体系系的的“海海、陆陆、空空、天天、电电”的的五五维维战战争争。为为了了及及时时掌掌握握瞬瞬息息万万变变的的战战场场态态势势，单单靠靠一一种种传传感感器器很很难难胜胜任任，必必须须采采用用包包括括磁磁、声声、微微波波、电电视视、红红外外、激激光光、电电子子侦侦察察机机、卫卫星星等等各各种种探探测测器器在在内内的的传感器集成，并进行信息融合。传感器集成，并进行信息融合。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 (4)自自主主武武器器系系统统。自自主主武武器器系系统统的的一一个个重重要要特特征征是是自自动动发发现现目目标标并并攻攻击击目目标标，其其核核心心部部分分是是自自动动目目标标识识别别。由由于于战战场场目目标标的的复复杂杂性性，比比如如环环境境杂杂波波、目目标标遮遮挡挡、敌敌方方干干扰扰等等，单单一一的的传传感感器器无无法法收收集集理理想想的的目目标标特特征征信信息息。因因此此，目目前前的的大大多多数数自自主主式式武武器器系系统统采采用用多多传传感感器器，包包括括激激光光雷雷达达、毫毫米米波波雷雷达达、红红外外探探测测器器等等，将将它它们们的的信信息息进进行行融融合合来来识识别和跟踪空中飞行器。别和跟踪空中飞行器。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 4、性能比较、性能比较 多多传传感感器器系系统统与与单单传传感感器器系系统统的的检检测测率率如如图图所所示示。曲曲线线为为三三传传感感器器雷雷达达系系统统(包包括括毫毫米米波波雷雷达达、毫毫米米波波辐辐射射计计、红红外外传传感感器器)，曲曲线线为毫米波雷达。为毫米波雷达。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 5、多传感器信息融合方法、多传感器信息融合方法 多传感器信息融合的各种方法如图所示。多传感器信息融合的各种方法如图所示。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 下下面面讨讨论论如如何何利利用用多多传传感感器器信信息息融融合合技技术术消消除除交交叉叉灵灵敏敏度度、提提高高被被测测目目标标的的测测量量精精度度、减减少少干干扰扰量量的的影影响响，以以及及如如何何提提高高多多功功能能传传感感器器各各被被测测目目标标的测量精度，减少它们之间的相互影响。的测量精度，减少它们之间的相互影响。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合 消除交叉灵敏度的方法包括消除交叉灵敏度的方法包括 模模型型法法。需需要要建建立立多多传传感感器器系系统统输输入入输输出出特性关系的数学表达式，如回归方程；特性关系的数学表达式，如回归方程；非非模模型型法法。不不需需要要建建立立多多传传感感器器系系统统输输入入输出特性关系的数学表达式，如神经网络。输出特性关系的数学表达式，如神经网络。6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合6.2 6.2 多传感器信息融合多传感器信息融合6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合6.2.2 三传感器信息融合三传感器信息融合6.2.3 传感器阵列信息融合传感器阵列信息融合6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合一、一、曲面拟合法基本原理曲面拟合法基本原理 已已知知压压力力传传感感器器输输出出信信号号为为电电压压U，且且存存在在温温度度交交叉叉灵灵敏敏度度。因因此此，只只对对压压力力传传感感器器进进行行一一维维标标定定实实验验，并并由由所所得得输输入入(压压力力P)输输出出(电电压压U)特特性性曲曲线线来来求求取取被被测测压压力力值值会会有有较较大大误误差差。因因为为被被测测量量P不不是是输输出出值值U的的一一元元函函数数。现现在在由由另另一一温温度度传传感感器器输输出出电电压压Ut代代表表温温度度信信息息t，则则压压力力参参量量P用用U及及Ut的二元函数来表示就比较完备，即的二元函数来表示就比较完备，即6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合同同理理，也也可可以以将将压压力力传传感感器器输输出出电电压压U描描述述为为压压力力参数参数P和温度传感器输出和温度传感器输出Ut的二元函数，即的二元函数，即 由由二二维维坐坐标标(Ui,Uti)决决定定的的Pi在在一一曲曲面面上上，可可利利用用二次曲面拟合方程，即二维回归方程来描述如下二次曲面拟合方程，即二维回归方程来描述如下6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合其中，其中，a a0a a5、a a0a a5常系数；常系数；e e1、e e2高阶小量。高阶小量。同样同样6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 1、实验标定、实验标定 在在压压力力传传感感器器的的量量程程范范围围内内确确定定n个个压压力力标标定定点点，在在工工作作温温度度范范围围内内确确定定m个个温温度度标标定定点点，于于是是由由压压力力P与与温温度度t标标准准值值发发生生器器产产生生在在各各个个标标定定点点的标准输入值为的标准输入值为6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合对对应应于于上上述述各各标标定定点点的的标标准准输输入入值值读读取取相相应应的的输输出出值值Ui及及Utj，这这样样就就在在m个个不不同同的的温温度度状状态态下下对对压压力力传传感感器器进进行行了了静静态态标标定定，获获得得了了对对应应于于m个个不不同同温温度度的的输输入入输出特性，即输出特性，即PU特性簇，如下面左图所示。特性簇，如下面左图所示。压力传感器压力传感器PiUi温度传感器温度传感器tjUtj6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合也也获获得得了了对对应应于于n个个不不同同压压力力状状态态的的温温度度传传感感器器的的输输入入输出特性，即输出特性，即tUt特性簇，如右图所示。特性簇，如右图所示。6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 2、二次曲面拟合方程待定常数的确定、二次曲面拟合方程待定常数的确定 为为确确定定式式(6-19)所所表表征征的的二二次次曲曲面面拟拟合合方方程程的的常常系系数数，通通常常根根据据最最小小二二乘乘法法原原理理，求求得得的的系系数数值值满足均方差最小条件。满足均方差最小条件。由由二二次次曲曲面面拟拟合合方方程程计计算算得得到到的的P(Uk,Utk)与与标标定值定值Pk之间存在误差之间存在误差D Dk，其方差为，其方差为总计有总计有mn个标定点，其均方误差个标定点，其均方误差R1应最小应最小 6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合均均方方误误差差Rl是是常常系系数数a a0a a5的的函函数数。根根据据多多元元函函数数求极值条件，令下列各偏导数为零，即求极值条件，令下列各偏导数为零，即 6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合则可得如下则可得如下6个方程个方程式中式中，lmn。6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 整理后得整理后得 6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合式中，式中，6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 根根据据实实验验标标定定点点的的输输入入标标准准值值Pk及及tk，二二传传感感器器相相应应的的输输出出值值Uk及及Utk，可可以以计计算算得得到到l及及AT诸诸值值，从从而而可可联联立立求求解解矩矩阵阵方方程程，于于是是常常系系数数a a0a a5得得以以确确定定。至至此此，二二次次曲曲面面拟拟合合方方程程式式(6-19a)就就完全确定了。完全确定了。6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合二、二传感器信息融合的应用二、二传感器信息融合的应用 1、用于单一功能的传感器、用于单一功能的传感器 通通过过监监测测一一个个干干扰扰量量，可可以以消消除除该该干干扰扰参参量量的的影影响响，提提高高该该单单功功能能传传感感器器被被测测目目标标参参量量的的测测量量精精度度。监监测测干干扰扰量量的的传传感感器器，可可以以选选用用能能够够测测量量该该干干扰扰参参量量的的任任何何形形式式的的传传感感器器，只只需需把把它它放放置置在在同同一一干干扰扰场场中中，与与测测量量目目标标参参量量的的传传感感器器经经受同样强度干扰量的影响。受同样强度干扰量的影响。6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 2、用于两功能的传感器、用于两功能的传感器 该该两两功功能能传传感感器器可可测测量量两两个个目目标标参参量量，但但相相互互存存在在交交叉叉灵灵敏敏度度。两两个个输输出出信信息息进进行行融融合合处处理理后后可可提提高高两两个个目目标标参参量量的的测测量量精精度度，减减小小相相互互交交叉叉灵灵敏敏度度。若若目目标标参参量量P的的输输出出值值为为U，另另一一目目标标参参量量t的的输出值为输出值为Ut，则可用两个二次曲面拟合方程来描述则可用两个二次曲面拟合方程来描述6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 求求解解a a0a a5的的方方法法同同前前。求求解解b b0b b5的的矩矩阵阵方方程组为程组为同理，同理，t 的输出值的输出值Ut也可用二维回归方程来描述也可用二维回归方程来描述6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合式中，式中，三、二传感器信息融合实例三、二传感器信息融合实例6.2.1 6.2.1 二传感器信息融合二传感器信息融合 采采用用硅硅压压阻阻式式压压力力传传感感器器，恒恒流流源源供供电电。电电桥桥B、D两