傳感器融合是一種將多個(gè)物理傳感器組合起來以產(chǎn)生準(zhǔn)確“真實(shí)”的測(cè)量結(jié)果的技術(shù)，即使每個(gè)傳感器本身可能都不可靠。
“什么是真的？”這就是傳感器融合應(yīng)該回答的核心問題。
傳感器遠(yuǎn)不是完美的裝置，在某些條件下，甚至?xí)l(fā)生錯(cuò)誤測(cè)量結(jié)果。
那么，我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)不完美的傳感器呢？
我們可以增加更多的傳感器，因?yàn)閭鞲衅髟蕉?，盲點(diǎn)越小。但是為了處理由此產(chǎn)生的大量模糊性數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理變得更加困難。而現(xiàn)代的傳感器融合算法的出現(xiàn)，就剛好解決了多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)處理的問題。
傳感器融合算法
1、Kalman濾波器
Kalman濾波器是最為典型的。
該算法的核心是為每個(gè)傳感器設(shè)置一組“信念”因子。每一個(gè)時(shí)刻，來自上一個(gè)時(shí)刻的傳感器數(shù)據(jù)都會(huì)被用來統(tǒng)計(jì)以提高猜測(cè)（自加歸），同時(shí)傳感器的質(zhì)量也被判斷，在預(yù)測(cè)值與傳感器實(shí)測(cè)值的比較中，會(huì)估計(jì)出一個(gè)最優(yōu)值進(jìn)行輸出。
這意味著，如果一個(gè)傳感器總是給出良好的、一致的值，開始告訴你一些不太可能的事情，那么傳感器的可信度等級(jí)會(huì)在幾毫秒內(nèi)降低，直到它重新開始講道理。
這比簡(jiǎn)單的平均或投票要好，因?yàn)镵alman濾波器可以處理大多數(shù)傳感器暫時(shí)失常出錯(cuò)的情況，只要一個(gè)人能保持良好的理智，那么它便能讓機(jī)器人度過黑暗的時(shí)刻。
Kalman濾波器是Markov鏈和Bayesian推理的更一般概念的應(yīng)用，這是一種數(shù)學(xué)系統(tǒng)，它們使用證據(jù)迭代地改進(jìn)他們的猜測(cè)。這些工具是用來幫助科學(xué)本身檢驗(yàn)思想的工具（也是我們所說的“統(tǒng)計(jì)意義”的基礎(chǔ)）。
因此，可以詩(shī)意地說，一些傳感器融合系統(tǒng)正在以每秒一千次的速度表達(dá)科學(xué)的本質(zhì)。
Kalman濾波器已經(jīng)被用于空間衛(wèi)星的軌道站保持幾十年了，由于現(xiàn)代微控制器能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行該算法，它們?cè)跈C(jī)器人學(xué)中正變得越來越流行。
2、PID過濾器
而更簡(jiǎn)單的機(jī)器人系統(tǒng)具有PID過濾器。這可以被認(rèn)為是原始的Kalman濾波器——所有的迭代調(diào)整都被砍掉，用三個(gè)固定值代替。
即使PID值是自動(dòng)調(diào)整或手動(dòng)設(shè)置的，整個(gè)“調(diào)整”過程（調(diào)整、飛行、判斷、重復(fù)）都是Kalman的外部化版本，由人執(zhí)行信念傳播步驟，但其基本原則仍然存在。
3、自定義過濾
真正的過濾系統(tǒng)通常是混合體，使用了以上兩種濾波方式。
完整的Kalman包括對(duì)機(jī)器人有意義的“控制命令”術(shù)語(yǔ)，比如：“我知道我把方向盤向左轉(zhuǎn)了。指南針說我往左走，GPS認(rèn)為我還是直行。我相信誰(shuí)？”
而當(dāng)經(jīng)典的最簡(jiǎn)單的控制回路Kalman濾波器應(yīng)用在恒溫器上時(shí)，它可以通過擺弄旋鈕，等待發(fā)生什么來判斷溫度計(jì)和加熱器的質(zhì)量。
單個(gè)傳感器通常無(wú)法影響真實(shí)世界，因此可以通過多個(gè)傳感器，并應(yīng)用算法，進(jìn)行交叉檢查以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。
傳感器融合的本質(zhì)——權(quán)衡各個(gè)傳感器
在本文的其余部分，我們將關(guān)注物理位置，但同樣的想法也適用于任何你想測(cè)量的量。你可能會(huì)認(rèn)為多個(gè)相同類型的備用傳感器是可行的，但這常常以不幸的方式結(jié)合了它們相同的弱點(diǎn)。
相比之下，混合系統(tǒng)才更強(qiáng)大。沒有任何一種傳感器可以讓我們百分之百信任，因?yàn)槊恳粋€(gè)都只解決了一個(gè)問題，呈現(xiàn)不同片段，而結(jié)合起來才能看見真相。
讓我們來看看在四旋翼機(jī)上使用的一些典型傳感器，并討論它們的優(yōu)勢(shì)、弱點(diǎn)以及其在傳感器融合中的發(fā)揮的作用。
1、全球定位系統(tǒng)
GPS具有顯而易見的局限性。采樣誤差可能有兩米，偏差也會(huì)隨衛(wèi)星漂移。
如果你想用全球定位系統(tǒng)來獲得精確到厘米的位置，你需要把它釘在適當(dāng)?shù)奈恢?，并在幾天?nèi)進(jìn)行測(cè)量。這明顯不是我們想要的。但事實(shí)上，在空中高速移動(dòng)，即使是100Hz的GPS設(shè)備也不能進(jìn)行時(shí)間平滑。
GPS也不能告訴你面對(duì)的方向，只告知你移動(dòng)的方向。
另外，Z分辨率（高度）可以是經(jīng)緯度的十分之一。所以，我們得給地面留出20米的余地。這意味著單靠全球定位系統(tǒng)并不能告訴你你離地面有多遠(yuǎn)，只知道你離海平面有多遠(yuǎn)。合乎邏輯的解決辦法是在起飛前讀取一個(gè)讀數(shù)，但之后我們又有一個(gè)20米誤差條。而且在飛行中，地面對(duì)GPS信號(hào)的影響是不同的，所以我們不能假設(shè)這些誤差會(huì)在長(zhǎng)期內(nèi)消除——盡管它們一開始會(huì)消除！
顯然一個(gè)GPS是不夠的。我們不能在離地面20-40米的范圍內(nèi)可靠地飛行，這至少是五層樓的高度，這對(duì)于安全邊際來說是一個(gè)很長(zhǎng)的距離。在現(xiàn)實(shí)生活中，能在世界上任何一個(gè)有20米垂直誤差的地方定位自己是非常令人驚奇的…但這并不能阻止我們撞車，如果沒有差分GPS地面站，昂貴的高速接收器和一些好的拓?fù)鋱D。
