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作者：安富利公司 今天，我們的生活高度依賴傳感器。傳感器作為人類“五感”的延伸，去感知這個(gè)世界，甚至可以觀察到人體感知不到的細(xì)節(jié)，這種能力也是未來智能化社會所必須的。 不過，單個(gè)傳感器的性能再卓越，在很多場景中還是無法滿足人們要求。比如汽車中昂貴的激光雷達(dá)可以根據(jù)生成的點(diǎn)云，判斷出前方有障礙物，但想準(zhǔn)確得知這個(gè)障礙物是什么，還需要車載攝像頭幫忙“看”一眼；如果想感測這個(gè)物體的運(yùn)動狀態(tài)，可能還需要毫米波雷達(dá)來助陣。 這個(gè)過程就好比我們熟悉的“盲人摸象”，每個(gè)傳感器基于自己的特性和專長，只能看到被測對象的某一個(gè)方面的特征，而只有將所有特征信息都綜合起來，才能夠形成更為完整而準(zhǔn)確的洞察。這種將多個(gè)傳感器整合在一起來使用的方法，就是所謂的“傳感器融合”。 
對于傳感器融合，一個(gè)比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x是：利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將來自多傳感器或多源的信息和數(shù)據(jù)，在一定的準(zhǔn)則下加以自動分析和綜合，以完成所需要的決策和估計(jì)而進(jìn)行的信息處理過程。這些作為數(shù)據(jù)源的傳感器可以是相同的（同構(gòu)），也可以是不同的（異構(gòu)），但它們并不是簡單地堆砌在一起，而是要從數(shù)據(jù)層面進(jìn)行深度地融合。 實(shí)際上，傳感器融合的例子在我們生活中已經(jīng)屢見不鮮。歸納起來，使用傳感器融合技術(shù)的目的主要有三類： • 獲得全局性的認(rèn)知。單獨(dú)一個(gè)傳感器功能單一或性能不足，加在一起才能完成一個(gè)更高階的工作。比如我們熟悉的9軸MEMS運(yùn)動傳感器單元，實(shí)際上就是3軸加速傳感器、3軸陀螺儀和3軸電子羅盤（地磁傳感器）三者的合體，通過這樣的傳感器融合，才能獲得準(zhǔn)確的運(yùn)動感測數(shù)據(jù)，進(jìn)而在高端VR或其他應(yīng)用中為用戶提供逼真的沉浸式體驗(yàn)。 • 細(xì)化探測顆粒度。比如在地理位置的感知上，GPS等衛(wèi)星定位技術(shù)，探測精度在十米左右且在室內(nèi)無法使用，如果我們能夠?qū)i-Fi、藍(lán)牙、UWB等局域定位技術(shù)結(jié)合進(jìn)來，或者增加MEMS慣性單元，那么對于室內(nèi)物體的定位和運(yùn)動監(jiān)測精度就能實(shí)現(xiàn)數(shù)量級的提升。 • 實(shí)現(xiàn)安全冗余。這方面，自動駕駛是最典型的例子，各個(gè)車載傳感器獲取的信息之間必須互為備份、相互印證，才能做到真正的安全無虞。比如當(dāng)自動駕駛級別提升到L3以上時(shí)，就會在車載攝像頭的基礎(chǔ)上引入毫米波雷達(dá)，而到了L4和L5，激光雷達(dá)基本上就是標(biāo)配了，甚至還會考慮將通過V2X車聯(lián)網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)融合進(jìn)來。 總之，傳感器融合技術(shù)恰似一個(gè)“教練”，能夠?qū)⑿阅芨鳟惖膫鞲衅髂蠛铣梢粋�(gè)團(tuán)隊(duì)，合而為一又相互取長補(bǔ)短，共同去贏得一場比賽。 選定了需要融合的傳感器，怎么融合則是下一步要考慮的問題。傳感器融合的體系結(jié)構(gòu)，按照融合的方式分為三種： • 集中式：集中式傳感器融合就是將各個(gè)傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)，直接送至中央處理器進(jìn)行融合處理，這樣做的好處是精度高、算法靈活，但是由于需要處理的數(shù)據(jù)量大，對中央處理器的算力要求更高，還需要考慮到數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，實(shí)現(xiàn)難度大。 • 分布式：所謂分布式，就是在更靠近傳感器端的地方，先對各個(gè)傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，然后再將結(jié)果送入中央處理器進(jìn)行信息融合計(jì)算，得到最終的結(jié)果。這種方式對通信帶寬的需求低、計(jì)算速度快、可靠性好，但由于會對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾和處理，會造成部分信息的丟失，因此原理上最終的精度沒有集中式高。 • 混合式：顧名思義，就是將以上兩種方法相結(jié)合，部分傳感器采用集中式融合方式，其他的傳感器采用分布式融合方式。由于兼顧了集中式融合和分布式的優(yōu)點(diǎn)，混合式融合框架適應(yīng)能力較強(qiáng)，穩(wěn)定性高，但是整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會更復(fù)雜，在數(shù)據(jù)通信和計(jì)算處理上會產(chǎn)生額外的成本。 對于傳感器融合方案，還有一種按照數(shù)據(jù)信息處理階段進(jìn)行分類的思路。一般來說，數(shù)據(jù)的處理要經(jīng)過獲取數(shù)據(jù)、特征提取、識別決策三個(gè)層級，在不同的層級進(jìn)行信息融合，策略不同，應(yīng)用場景不同，產(chǎn)生的結(jié)果也不同。 按照這種思路，可以將傳感器融合分為數(shù)據(jù)級融合、特征級融合和決策級融合。 • 數(shù)據(jù)級融合：就是在多個(gè)傳感器采集數(shù)據(jù)完成后，就對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。但是數(shù)據(jù)級融合處理的數(shù)據(jù)必須是由同一類傳感器采集的，不能處理不同傳感器采集的異構(gòu)數(shù)據(jù)。 • 特征級融合：從傳感器所采集的數(shù)據(jù)中提取出能夠體現(xiàn)監(jiān)測對象屬性的特征向量，在這個(gè)層級上對于監(jiān)測對象特征做信息融合，就是特征級融合。這種方式之所以可行，是由于部分關(guān)鍵的特征信息，可以來代替全部數(shù)據(jù)信息。 • 決策級融合：在特征提取的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一定的判別、分類，以及簡單的邏輯運(yùn)算，做出識別判斷，在此基礎(chǔ)上根據(jù)應(yīng)用需求完成信息融合，進(jìn)行較高級的決策，就是所謂的決策級融合。決策級融合一般都是應(yīng)用導(dǎo)向的。 如何選擇傳感器融合的策略和架構(gòu)，沒有一定之規(guī)，需要根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用而定，當(dāng)然也需要綜合算力、通信、安全、成本等方面的要素，做出正確的決策。 不論是采用哪種傳感器融合架構(gòu)，你可能都會發(fā)現(xiàn)，傳感器融合很大程度上是一個(gè)軟件工作，主要的重點(diǎn)和難點(diǎn)都在算法上。因此，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用開發(fā)出高效的算法，也就成了傳感器融合開發(fā)工作的重中之重。 在優(yōu)化算法上，人工智能的引入是傳感器融合的一個(gè)明顯發(fā)展趨勢。通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以模仿人腦的判斷決策過程，并具有持續(xù)學(xué)習(xí)進(jìn)化的可擴(kuò)展能力，這無疑為傳感器融合的發(fā)展提供了加速度。 雖然軟件很關(guān)鍵，但是在傳感器融合過程中，也并非沒有硬件施展拳腳的機(jī)會。比如，如果將所有的傳感器融合算法處理都放在主處理器上做，處理器的負(fù)荷會非常大，因此近年來一種比較流行的做法是引入傳感器中樞（Sensor Hub），它可以在主處理器之外獨(dú)立地處理傳感器的數(shù)據(jù)，而無需主處理器參與。這樣做，一方面可以減輕主處理器的負(fù)荷，另一方面也可以通過減少主處理器工作的時(shí)間降低系統(tǒng)功耗，這在可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)等功耗敏感型應(yīng)用中，十分必要。 有市場研究數(shù)據(jù)顯示，對傳感器融合系統(tǒng)的需求將從2017年的26.2億美元增長到2023年的75.8億美元，復(fù)合年增長率約為19.4％。可以預(yù)判，未來傳感器融合技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展將呈現(xiàn)出兩個(gè)明顯的趨勢： • 自動駕駛的驅(qū)動下，汽車市場將是傳感器融合技術(shù)最重要的賽道，并將由此催生出更多的新技術(shù)和新方案。 • 此外，應(yīng)用多元化的趨勢也將加速，除了以往那些對于性能、安全要求較高的應(yīng)用，在消費(fèi)電子領(lǐng)域傳感器融合技術(shù)將迎來巨大的發(fā)展空間。 總之，傳感器融合為我們洞察這個(gè)世界提供了更有效的方法，讓我們遠(yuǎn)離“盲人摸象”般的尷尬，進(jìn)而在這個(gè)洞察力的基礎(chǔ)上，塑造更智能的未來。 |
