（通信与信息系统专业论文）多传感器信息融合在汽车防盗中的应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，越来越来多的汽车 进入普通家庭。汽车防盗就显得尤为重要，成为一个亟待解决的重要的社会问 题。当前市场上的防盗器件种类较多，但都存在一定的缺点，主要表现在以下 两方面：一是报警器的误报率偏高；二是防盗器件的有效距离不足。 针对以上所述防盗器的两点缺点，本文提出了一种结合多传感器信息融合 技术和g s m 网络通信的防盗方案。多传感器信息融合技术是一门新兴技术， 可以有效的降低不确定性，提高决策的精确性，能有效的解决误报率偏高的问 题。本文先对汽车防盗现状和趋势进行探究，再系统地论述了多传感器信息融 合的基本原理、功能模型和数学模型。以多传感器信息融合理论为指导，合理 选择了几种适合汽车防盗的传感器芯片，微波、红外、加速度传感器和霍尔器 件，协同工作对汽车进行实时监控。利用这些传感器提供的局部信息存在冗余 和互补，将其加以综合，形成与系统环境一致性的完整描述。这样可以降低了 其不确定性，提高了决策、规划和反应的快速性，降低了决策风险，提高了防 盗报警器的精确性。本文还通过在警情响应中引人g s m 模块t c 3 5 ，在判定汽 车处于警情中时，防盗系统的中央处理单元将通过g s m 网络直接把车况信息发 给车主，依靠无线通信网络防盗器不再受距离的限制。 本文根据以上的设计思想，设计了该防盗系统的主要硬件模块，包括传感 器组模块、电源模块、警情响应模块和中央处理单元模块。在论述了几种当前 比较成熟的信息融合方法后，选择了d s 证据理论作为系统的融合算法。软 件上对整个系统的信息融合结构进行了阐述，并详细的分析了整个系统的软件 结构。 关键字：多传感器，信息融合，d s 证据理论 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dr i s i n go fl i v i n gs t a n d a r d s ，m o r e a n dm o r eo r d i n a r yf a m i l i e so w n sc a r s ，t h e r e f o r ea n t i - t h e f th a sb e c o m i n ga n i m p o r t a n ts o c i a lp r o b l e mt h a tn e e d st ob es o l v e d m o s to ft h ea n t i - t h e f td e v i c e si n t h em a r k e th a v et w om a i ns h o r t c o m i n g s ：h i g hr a t eo ff a l s ea l a r ma n dt h es h o r t e n e d e f f e c t i v ed i s t a n c e t os o l v et h et w os h o r t c o m i n g sa b o v e ，t h i sp a p e rp r o p o s a l sa na n t i t h e f td e v i c e w h i c hc o m b i n a t e sm u l t i - s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g ya n dt h eg s mn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n s m u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o nt e c h n o l o g yi san e wt e c h n o l o g y , c a ne f f e c t i v e l yr e d u c eu n c e r t a i n t ya n di m p r o v ea c c u r a c yi nd e c i s i o n - m a k i n ga n dc a l l s o l v et h ep r o b l e mo fh i g hf a l s ea l a r mr a t e t h ea r t i c l ef o c u s e so nt h es t a t u sa n d t r e n d so fc a ra n t i - t h e f ti n q u i r y , a n dt h e ns y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h eb a s i c m u l t i s e n s o rd a t af u s i o np r i n c i p l e s ，f u n c t i o n sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l s b a s e do n m u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt h e o r y ，t h i sa r t i c l er e a s o n a b l yc h o i c es e v e r a ls e n s o r sf o r a u t o m o t i v ea n t i t h e f tc h i p s ，m i c r o w a v e ，i n f r a r e d ，a c c e l e r a t i o ns e n s o r sa n dh a l l d e v i c e st ow o r kt o g e t h e rt oc o n d u c tr e a l - t i m em o n i t o r i n go fv e h i c l e t h el o c a l i n f o r m a t i o nt h r o u g ht h e s es e n s o r se x i s tr e d u n d a n c ya n dc o m p l e m e n t a r y c o n s i d e r i n g t h o s ef o r m a t i o n , ic a ng e tc o m p l e t ed e s c r i p t i o n sc o n s i s t e d 、析t ht h es y s t e m e n v i r o n m e n t s oc a nr e d u c et h eu n c e r t a i n t y , i m p r o v et h ed e c i s i o n m a k i n g ，p l a n n i n g a n dr e a c t i o ns p e e da n di m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fa l a r ms y s t e m a l s ot h i sp a p e ri s u s i n gg s mm o d u l eo ft c 3 5i nr e s p o n s eo fa c o u s t i c d u r i n gt h e a u t o m o b i l ei s d e t e r m i n e d ，c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i to fs y s t e mc a ns e n dg s m n e t w o r ki n f o r m a t i o nt o o w n e r sd i r e c t l y , s ow i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kd e v i c e sa r en ol o n g e rl i m i t e d b yt h ed i s t a n c e b a s e do nt h ea b o v et h o u g h t s ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h ea l a r m s y s t e m ，i n c l u d i n gs e n s o rm o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，a c o u s t i cr e s p o n s em o d u l ea n d t h e c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i tm o d u l e t h e nd i s c u s s e ds o m em a t u r em e t h o d so fi n f o r m a t i o n f u s i o na n dc h o s et h ed se v i d e n c et h e o r ya sf u s i o na l g o r i t h m 1 1 1 es o f t w a r es t r u c t u r e f o rt h ew h o l es y s t e mo fi n f o r m a t i o nf u s i o ni sd e s c r i b e da n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h e e n t i r es y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e k e y w o r d s ：m u l t i s e n s o r ，i n f o r m a t i o nf u s i o n ，d se v i d e n c et h e o r y 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： 盐叁垒! 日期：趔红圭。哲 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：2 若掩荽导师( 签冬赫期 驯口5 籀 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 汽车是人类现代文明的产物、人类的主要交通工具，随着国民经济的快速 发展和人民生活水平的日益提高，越来越来多的汽车进入普通家庭。汽车的普 及为人们的工作、生活增添了许多便利和愉悦。但是随着汽车数量的增加，现 有的城市停车环境还无法有效地保障汽车停放安全，车辆的频繁失窃己经成为 车主们新的忧虑【5 】。据统计，我国每年发生汽车盗案件十万多起，平均每天被 盗的车辆达3 0 0 多辆。就深圳而言，深圳市每年有上千辆汽车失窃。由此可见 汽车防盗已经成为一个亟待解决的重要的社会问题。 1 2 国内外研究现状 随着电子信息技术的飞速发展，传感器技术、车载网络、数据通讯、计算 机处理技术和智能控制技术等被广泛应用于汽车防盗技术，这样促进了汽车防 盗产品的高度智能化、功能多样化。目前市场上的主流汽车防盗设备按其结构 与功能可分四大类：机械式防盗器、电子式防盗器、芯片式防盗器和网络式防 盗器【矾。 ( 1 ) 机械式防盗器。机械式防盗器是最普通的汽车防盗器，其造价低廉， 结构简单，环保性能好，主要有方向盘锁和变速箱锁两大类。其主要原理是靠 锁定方向盘、离合器、行车制动、加速踏板或变速杆来限制车辆正常操作来达 到防盗目的，并且只能防盗不能预警。这种防盗器件的缺点是防盗不彻底，并 且每次使用时的拆装费时麻烦，还得占用驾驶室的很多空间。而且该种防盗器 在防盗的作用上也很难抵挡使用撬棍、钢锯等重型工具进行盗窃的不法分子。 ( 2 ) 电子式防盗器。现阶段，应用最广泛的是电子式防盗器，它主要是依 靠振动检测、判断中控门是否紧闭或锁定点火系统和油路来达到防盗的目的， 同时具有声光报警功能。一些高档的电子防盗器还具有微波检测或红外传感探 测等功能。 电子式防盗器件可以分为单向和双向两种类型。单向的电子防盗系统可以在 武汉理工大学硕士学位论文 汽车发动机盖、行李舱或车门的被非法开启，车体被碰撞，或者是有人非法闯进 车厢时，警报器会自动发出声光警报引起车主或行人的注意，起到吓阻的作用； 双向电子防盗系统是在单向防盗器的基础上，增加了能让车主了解汽车的警情， 当汽车有异动警报时，车主可以根据防盗器提供的信息采取相应的举措。 ( 3 ) 芯片式数码防盗器。目前，在汽车防盗领域位发展势头最强劲的当属 芯片式数码防盗器。它主要是通过锁住汽车发动机、切断电子电气线路路和油 路来达到防盗目的的，在没有用芯片钥匙关闭防盗系统的情况下便无法启动车 辆。芯片式防盗器的密码数字化，重复密码的概率很低，并且要用密码钥匙接 触车上的密码锁才能开锁启动，防止了被扫描的可能，安全性能大大地提高了。 这种防盗器性能出色且使用简便，现在大多数中高档的私家车都采用它作为原 装防盗。 ( 4 ) 网络式防盗裂1 3 】。网络式防盗器主要是可以依靠无线通信网络( g s m 网络、g p s 地位系统) 对安装了防盗器的车辆进行远程监测和控制来达到防盗 目的。车主的手持终端可以实时跟踪车辆的环境状态。安装在车上的防盗系统 持续监测周边环境，如有警情则通过无线通信网络向车主手持终端告警并提供 实时状态数据。车主可以通过通信网络向防盗系统发送必要的应急指令，通过 控制车门的开关和车辆的点火启动，根据卫星定位情况及时向车主或1 1 0 报警 中心提供远程车况报告。 当前国内外汽车防盗装置的种类繁多，发展迅速。国际上流行的基本上是 电子式汽车防盗产品，如汽车识别钥匙、电子编码点火钥匙、生物特征电子锁， 它具有很好的性价比，在市场上占有绝对优势。欧盟所有新车型从1 9 9 7 年开始 都必须配备电子防盗装置，并经过过渡期后，将此规定变成法律限期强制施行。 据统计，装有电子防盗器汽车的被盗率为万分之四五，而未装电子防盗装置的 汽车被盗率则高达万分之四十。 机械锁是最早的汽车防盗锁，现已很少单独使用，主要与电子式、芯片式 联合使用，但目前我国汽车防盗还是以机械式为主。机械式防盗装置是目前市 面上最简单、最廉价的防盗装置，但存在使用复杂、容易被破坏的缺点。从2 0 世纪7 0 年代至今，以轿车为突破口，汽车锁已由初期的机械控制发展成现在的 电子密码遥控呼救一信息报警系统，且防盗功能有很大提高。总体来看，国 内的汽车防盗技术水平仅为国际2 0 世纪9 0 年代后期的水平，国内掌握制动器 防盗装置的开发实验技术并形成批量生产的厂商只有几家，且防盗装置一般都 2 武汉理工大学硕士学位论文 存在报警范围小、只能实现本地报警、不能实现远程控制，只能实现单纯报警、 对被盗车辆不能实现跟踪控制等缺点。除此之外，国内制定的汽车防盗法规不 够健全，执行不够严格；生产企业对汽车防盗的认识不够重视，资金投人不足， 这些都造成国内汽车防盗水平相对落后，不能适应我国汽车发展对汽车防盗技 术的需求。因此，我国汽车防盗产品的升级换代势在必行，汽车防盗必将进入 一个调整发展的新时期。 在网络式防盗方面，美国、日本、德国、加拿大等国家和地区在开发轿车 导航系统方面已广泛采用了g p s 技术，在汽车防盗方面应用g p s 技术也已取 得很好效果。g p s 虽具有技术先进、市场潜力大、社会和经挤效益高等特点， 但其高昂的价格和目前还不成熟的市场，使网络式防盗系统的应用范围受到限 制。同发达国家相比，我国在汽车网络式防盗方面的研究还处于较低水平。 随着经济、科技的发展，国内外汽车防盗新技术和新产品不断涌现。法国 将g p s 卫星监控技术应用于汽车防盗装置进入实用化阶段，这为国内防盗技术 的发展开辟了一条新思路。中国加人w t o 后，随着国外防盗产品不断涌入国 内市场，国内在汽车防盗法规方面也制定了更为严格的标准，并投入大量资金 积极开发新产品。因此，国内各大厂商应把握时机，合理利用国外先进防盗技 术，建立行之有效的汽车防盗技术开发体系，以促进国内汽车防盗技术的快速 发展。 目前，由于国内经济、科技发展不平衡及地区性差异的存在，不同档次的 汽车用户对防盗产品和技术的需求各异，使汽车防盗新技术和新产品在国内大 面积推广还需要一段时间。目前，虽然国内外汽车防盗技术发展相当迅速，但 对于汽车防盗方面的核心技术，世界各国普遍存在对外封闭的现象，造成国内 汽车防盗技术的发展速度相对缓慢，要赶超发达国家需要一个长期的发展过程。 还有，国内外广泛应用的汽车防盗装置普遍存在结构复杂、价格昂贵、功能单 一和可靠性差等缺点，并不能实现真正的防盗。要实现真正的防盗，进一步提 高产品的灵活性和适用性，应将控制技术、数据通讯及网络技术等应用到汽车 防盗领域，使汽车防盗装置朝着安全、简单、高智能化及功能多样化方向发展。 近年来流行的遥控无锁系统只是智能化、功能多样化的初步体现，未来汽车防 盗装置还将向电子密码等多样化识别方向发展。 汽车防盗技术的发展水平体现一个国家的科技发展水平和文明程度，发展 先进、适用的汽车防盗装置具有重要的现实意义。要尽快提高国内汽车防盗的 3 武汉理工大学硕士学位论文 技术水平，缩小与世界发达国家的差距。 1 3 研究目的和意义 伴随着汽车后市场飞速崛起，汽车防盗器作为用户最受欢迎的用品之一也 表现得异常的活跃，从某种意义上说，汽车防盗器的迅速发展成为了中国汽车 用品业发展的一个非常典型转变代表。 汽车防盗技术n 帕是一门伴随着汽车工业发展而不断进步和完善的系统工程 技术。它既与汽车环境、汽车机械和汽车电子紧密相连，同时又有自身独特的 技术背景。现有的汽车防盗技术都存在一定的缺点，主要表现在两个方面：一是 报警器误报率居高不下，而大多数的报警器都是语音报警，这样就造成了报警 声成为环境噪声；二是报警距离有限，在报警以后对被盗车辆缺乏有效控制。 本文针对以上两个缺欠，结合电子式防盗器和网络防盗的特点，运用多传感器 替代使用单一传感器，充分利用多种传感器在性能上的差异性和互补性，对采 集的传感器信息通过有效的数据融合再加以判决警情。这样能大大地降低报警 器的误报率，使防盗系统的可靠性进一步加强。在报警响应上，引入g s m 模块， 依靠无线通信网络使防盗器不在受距离的限制。在判定汽车处于警情中时，防 盗系统的中央处理单元将通过g s m 网直接把车况信息发给车主，再进一步通过 阻断汽车的点火系统或油路来达到防盗的目的。 1 4 本文主要工作 本文针对当前汽车防盗系统高误报率和防盗有效距离短的缺点，通过结合 多传感器信息融合技术和g s m 无线通信网络，搭建一个新型的防盗系统。 全文分为四章，具体内容安排如下： 第一章全面的介绍了市场上流行的各种防盗器件，分析和比较了各种防盗 器的优缺点，最后提出引入多传感器信息融合技术和g s m 网络相结合的防盗 方案； 第二章简单介绍了多传感器信息融合的理论基础，j d l 功能模型和数据融 合的层次结构。 第三章将整个系统硬件分成4 个模块，电源模块、传感器组模块，g s m 模 块和中央处理单元。本章对每个模块的硬件构成进行了简单介绍。其中传感器 武汉理工大学硕士学位论文 模块由微波传感器、红外传感器、加速度传感器和开关型霍尔传感器组成，本 章对这4 种传感器的性能参数进行了详细分析。最后还给出了主要模块的硬件 电路设计。 第四章先介绍了当前各种信息融合的算法，然后选取其中的一种，即d s 证据理论进行了详细说明分析，提出一种能够有效处理冲突证据的融合算法， 构建了整个系统的融合模型，并在本系统上进行实现。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章多传感器信息融合技术概述 2 1 多传感器信息融合基本原理 多传感器信息融合i l j 是指协同使用多种传感器，如不同位置的多个同类或 不同类的传感器，并将这些传感器所提供的局部环境的不整的信息加以综合， 形成与系统环境一致性的完整描述。这个过程信息有效地利用了多个传感器在 性能上的差异性和互补性，在消除传感器之间的冗余和矛盾，将各个传感器的 不完整信息加以综合互补，结合起形成对环境的一致性描述，降低了其不确定 性，提高了决策、规划和反应的快速性，降低了决策风险。近年来，多传感器 信息融合在军事和非军事应用领域都得到广泛的重视【3 j 。运用数据融合技术综 合处理来自多个传感器的数据信息和相关信息，可以获得比运用单个，孤立的 传感器更加详细而精确的结论。 多传感器信息融合并不是一个新概念。人类和动物在进化过程中，就逐步 形成了借助多个感官以帮助其生存的能力。例如，评定一种食物的质量仅仅靠 视觉是不能做到的，需综合利用视觉、触觉、嗅觉和味觉。类似的，当视觉收 到地表结构和植被的限制时，听觉可以对危险提供预警。因此，多传感器信息 融合看以看成时对人脑综合处理复杂问题的一种功能模拟。 目前，信息融合被广泛用运用于目标跟踪，自动目标识别和有限自动推理 等应用领域。信息融合技术已经从包含一系列相关技术的松散集合，迅速发展 成为- i 1 新兴的工程科学。他具有标准的学科术语、一系列具备坚实数学基础 的研究方法和明确的系统设计原则。多传感器信息融合的应用很广泛。军事应 用包裹自动目标识别、自动车辆制导、遥感、战场监视和自动威胁识别系统， 非军事的应用包括大规模的生产过程监控、基于状态的复杂机械维护、机器人 和医学等领域。多传感器信息融合汇集了多个系统学科中的技术，包括数字信 号处理、统计估计、控制论、人工智能和经典的数字计算方法。技术具有很大 的应用价值和广泛的应用范围。目前，主要应用在智能机器人、监控系统、战 场侦察与态势评估系统、以及自主武器系统等几个领域。 与单一传感器相比，多传感器信息融合有以下几个方面的优势i l j ： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 可以改善数据关联能力，减少模糊或不确定性。依靠单一传感器可能 会导致模糊的、不确定的和不精确的态势感知。信息融合试图通过对所有相关 的信息协同组合来获得一致的、准确的、全面的和全局的态势感知。 ( 2 ) 信息的互补性。不同传感器采集的信息存在测量误差、外界干扰和测 量范围的局限性。通过信息融合后，可以使不同的传感器信息进行综合互补。 ( 3 ) 信息的冗余性。多个同类别的传感器所采集的信息都具有一定得冗余 消息，依靠冗余信息可以对系统中的传感器的故障进行排除，这样可以提高整 个系统的容错性，而且综合多个传感器的观测值能够改善对目标的有效估计。 ( 4 ) 降低系统成本。多传感器信息融合具有容错性，因此在可以用多个低 成本、低性能的传感器来代替一些高成本高性能的传感器，充分利用多传感器 的冗余性和互补性，通过信息融合的方法在不降低系统可靠性的同时，获取更 准确的信息。 ( 5 ) 多传感器系统增大时间和空间的覆盖，可以从不同的空间位置观察目 标，提供不同的观察角度，改进探测质量。 ( 6 ) 可以提高空间分辨率，增加维数，获取目标不同情况下的数据，融合 之后，能够提供目标状态更全面的信息。 ( 7 ) 信息的实时性。单个传感器提供信息的速度是固定的，而在多传感器 系统中，对多传感器信息的协同运行，可以根据任务的要求，得到满足精度要 求的快速的输出。此外，多传感器系统的可并行运行性，也可使信息获取的速 度倍增。 2 2 多传感器信息融合的功能模型 在多传感器信息融合领域，理论研究远远落后于实际需求，其中最关键的 原因在于缺乏一套跨越各个领域的统一专业术语。因此，开发一个多传感器信 息融合的一般功能模型就显得尤为重要。目前，已经有许多学者一直致力于多 传感器信息融合的理论研究，提出了集中融合系统的一船功能模型，其中最具 代表性的是美国军事实验室理事联合会数据融合工作组提出的j d l 模型i l j 。如 图2 1 所示。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 信息融合j d l 模型 j d l 模型是一个有效的、跨越多个运用领域的模型，它确定了适用于信息 融合的过程、功能、技术种类和特定技术。该模型包括对象评估、态势评估、 威胁评估和过程评估一共四裂5 1 。 第一级处理目的是综合传感器数据以获得有关实体位置、速度、属性和身 份的最可信、最精确的估计。 第二级处理目的是基于实体间的关系所做的推理，进行实体状态的估计和 预测。 第三级处理目的是基于当前的态势，对态势造成的影响进行评估和预测。 第四级处理目的是自适应数据采集和处理以支持数据融合任务。 2 3 多传感器信息融合的层次化 对于具体的融合系统而言，如果把按照信息的特点进行分层，可以分为： 数据层信息、特征层信息和决策层信息。多传感器信息融合可以发生信息的某 一层上，也可以发生在多个层次上。整个信息融合的过程是由数据层开始从下 往上地在同一层次上融合，融合后的结果参与下一层的信息融合，最后汇聚到 数据库或决策中心。因此，总说来，信息融合本质是一个由低层到高层对多源 信息进行整合，逐层抽象的信息理过程。但是这个在有反馈的融合系统结构中， 数据信息不是单向的，高层的信息融合结果可以对低层次的融合数据进行调整 8 武汉理工大学硕士学位论文 和影响。按照信息融合发生在传感器信息的不同层次可以分为：数据层信息融 合、特征层信息融合和决策层信息融合。 ( 1 ) 数据层信息融合【l 引。数据层融合如图2 - 2 所示，从同类传感器采集到 的信息在经过配准和关联，确保数据是对应于同一个目标或客体，然后再直接 进行融合，最后进行特征提取和判决。数据层对数据传输带宽、数据之间的配 准精度要求极高，多用在图像处理方面。由于融合发生在数据层，所以融合的 数据必须要求是同类型的，那么对于这个层次的融合传感器必须要是同类的。 i传感器- 卜_ 传感器2 卜+ 数据层特征属性 关联 融合 提取 判决 传感器n 卜- 图2 2 数据层属性融合 ( 2 ) 特征层信息融合。特征层融合如图2 3 所示，每个传感器监测目标的 一个属性，对每个传感器的提取特征向量，然后进行信息融合，并基于联合特 征向量做出属性判决1 2 3 1 。当前，特征层融合无论在理论还是应用上都逐渐趋于 成熟，形成了一套针对问题的具体解决方法。其中包括包括特征压缩、聚类算 法、参量模板法、k 阶最近邻和神经网络等等。 传感器l _ + 传感器2l 特征 特征层 提取 关联属性融合 判决 传感器nl l + 图2 3 特征层属性融合 ( 3 ) 决策层信息融合。图2 4 是决策层信息融合的具体框图，其中传感器 通常是不同种类的。每个传感器观测同一个目标，采集的信息首先经过预处理， 数据配准和特征提取，然后做出初步的属性判决，各个属性判决再传到融合中 心进行决策层融合。决策层融合输出是一个联合决策结果，在理论上比任何单 9 武汉理工大学硕士学位论文 传感器决策有效，目前，决策层信息融合方法有很多种，其中应用最为广泛的 有：贝叶斯推理、d s 证据理论、模糊理论、神经网络和专家系统方法等。决 策层融合对信息传输带宽要求很低，能有效地融合反映环境或目标各个侧面的 不同类型信息。但是目标系统的传感器特性和经验有相当的主观性，获取其先 验知识获取相对困难，所以决策层融合理论与技术的发展仍然期待综合其他学 科一起发展。 l 传感器l 卜_ +叫预处理l i 传感器2 _ +特征叫 预处理 l 提取 l 传感器n 卜+叫 预处理 2 4 本章小结 l | 酰 l | 砬 l | d i 图2 - 4 决策层属性融合 决策 层 关联 属性 融合 判决 本章系统的介绍了多传感器信息融合的基本原理，再分析了多传感器系统 较单传感器的各种优势，简单介绍了美国军事实验室理事联合会数据融合工作 组提出比较有代表性的j d l 信息融合模型，最后对多传感器信息融合的三个层 次进行了论述。 i o 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章多传感器信息融合汽车防盗系统的硬件设计 本文所设计的系统硬件主要由四个模块组成，传感器组模块、电源模块、 警报响应模块和中央处理模块。其中传感器组模块又由微波传感器、加速度传 感器、红外传感器和霍尔传感器四种传感器构成，它们协同工作来完成对车辆 的实时环境的监控；电源模块则由车载蓄电池降压提供电能；警报响应模块负 责对中央处理单元判决警情后的相关处理，声光报警、发送s m s 短消息和将汽 车点火系统或油路锁死等操作；中央处理模块则对传感器组所采集的信息进行 处理和判决，如果判决为警情，中央处理单元将通知警报响应模块，告知相关 执行动作。具体框图如图3 1 所示。 3 1 电源模块 图3 1 硬件框图 汽车防盗系统是利用车载蓄电池( 1 4 v ) 作为供电来源，图3 2 经过一次降压 后变1 4 直流为5 v 直流；图3 3 经过二次降压为3 3 v ，为系统中工作电压为3 3 v 的器件供电。 武汉理工大学硕士学位论文 p l 8 l 。 e l n l硒 4 王 1 0 0 i m靶v l 5 o n 。i 。l f0 u i r ，2n7 、，- 、n f 2 3 + c l g 粕 p a w e r1 4 v d c 个l c 2 一l m 2 5 v 6 s 5 0 ， 1 r o l t 、1 0 a o 矗 ， 1 n 5 8 2 2 t 。p 图3 - 25 v 供电 u 2 ；a m s l11 7 - 3 3 + s v赫3 3 v 曩l ， 32 l “ 一 翰秽v o u f l r c莨 d s 2 1r d s l 十c 3 十1 r 心 _ - - - - c 2 一、1 f - l l 霄 _ c 4 - - _ c 5 奁 0 1 u f l f 0 1 乜f 3 2 传感器组模块 图3 33 3 v 供电 防盗系统的传感器组模块由微波传感器、振动倾角传感器、霍尔器件组和 红外传感器组成，负责对汽车实时环境状态信息的收集和初步处理。 3 2 1 微波传感器模块用以测目标距离 微波是电磁波的一种，频率在3 0 0 m h z 3 0 0 g h z 之间，是介于无线电波和 红外线之间的。它既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。微波 相对于波长较长的电磁波具有下列特点：1 定向辐射装置容易制造；2 遇到 工作障碍物易于反射；3 绕射能力较差；4 传输性能良好，传输过程中受烟、 火馅、灰尘、强光等的影响很小；5 介质对微波的吸收与介质的介电常数成比 例，水对微波的吸收能力最强。微波传感器就是利用以上特点，把反射回来的 微波转换为电信号再由测量电路测量和指示，就实现了微波检测过程。 如果波源与接收者之间发生相对运动，就会出现接收者的观测频率在不断 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 变化，不等于波源频率，这种现象就是多普勒效应。微波多普勒传感器就是充 分地利用微波的反射特性和多普勒效应。当波源的发射波投射到运动的物体上 时，由于多普勒效应，反射波或散射波的频率会发生变化。当接收天线接收到 的微波频率高于发送天线发送的时，有物体在靠近，否则在远离。 微波多普勒传感器将发射波与反射波混频，然后计算出频率差，根据频率 差的变化即可判断周边物体的运动状态。多普勒原理多普勒频差公式如式3 1 。 乃= 2 1 1 ，) c o s 0 ( 3 - 1 ) 3 1 式中，乃是发射波与反射波的频率差，1 ，是传感器周边运动物体的移动 速度，是微波在传输介质中的传播速度( 真空中= c ) ，9 是发射波的发射 方向和运动物体的移动方向之间的夹角。 h b l 0 0 小型微波运动传感器就是一个x 频段的多普勒收发信机，发射频率 为1 0 2 5 g h z 。它由介质振荡- 器( d r o ) 和一对微带天线组成。原理框图如图3 - 4 所示。 图3 4h b 1 0 0 模块结构框图 h b 1 0 0 主要由微波振荡器、微波混频器和一对微波收发天线组成。发射天 线发射一个低功率微波，接收天线则接收反射过来的微波，一旦物体运动被探 测到，发射频率被接收的反射波频率替代，替代的微波与发射的微薄通过混频 器混合在一起，结果输出一个低频电压。该模块一共有4 个引脚，电源v s ，低 频电压输出i f 和2 个接地g n d ，h b 1 0 0 具有低功耗、连续波脉冲操作、长距 离探测等特点，其主要技术参数如表3 - l 所示。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表3 1h b 1 0 0 的技术参数 项目最小值典型值 最大值 单位 频率 1 0 5 2 01 0 5 2 51 0 5 3 0g h z 辐射功率 1 21 52 0d b m 建立时间 36u s 接受信号强度 1 0 02 5 0 u v ( p - p ) 噪声 5 u v ( r m s ) 电源电压 4 7 5 5 o 5 2 5 v ( d c ) 供电电流 3 04 0m a 脉冲重复频率 23l ( 3 l z 脉宽1 0 u s 使用温度 1 55 5 。c 重量 8g 3 2 2 加速度传感器用以测量汽车振动和倾角 不法分子无论是采用拖吊法进行盗窃还是对车体破坏( 如砸烂车窗玻璃进 入车内) ，车体都会有相应的振动和倾斜，通过传感器对汽车的振动和倾角进行 监测，可以对以上情况进行实时报警。a d x l 2 0 2 e 是一款采用美国a d i 公司出 品的低功耗，功能完善的双轴加速度传感器。它既可以测量静态加速度，又可 以测量动态加速度。静态加速度经过换算可以得出倾角的大小；动态加速度经 过变换可以得出振动大小。加速度传感器a d x l 2 0 2 e 能够测量的最大带宽为 5 k h z ，加速度测量范围为正负两倍的重力加速度。a d x l 2 0 2 e 有模拟信号和数 字信号两组输出，因此可以利用一个a d x l 2 0 2 e 芯片同时对车体的振动和倾斜 角度进行采集。 a d x l 2 0 2 e 是一个用多晶硅做表面的微电机传感器和信号控制环路来执行 操作的开环加速度测量结构。对每个轴来说，输出环路都将模拟信号转换为 p w m 的数字信号。这些数字信号可以直接与处理单元的i o 口连接。a d x l 2 0 2 e 是电容式加速度传感器，硅片的表面弹性结构支撑起电容的一个极板，电容的 另一极板则固定。当有加速度改变时，这个电容的容性发生变化。芯片内部的 信号处理电路将电容的变化转换成与加速度相关的数字信号输出。其结构框图 如图3 5 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图3 5a d x l 2 0 2 模块框图 a d x l 2 0 2 e 采用l c c 8 封装，体积仅为5 m m * 5 m m * 2 m m ，其封装和引脚 如图3 - 6 所示。 图3 - 6a d x l 2 0 2 e 封装引脚结构图 其中，引脚s t 是芯片的自我测试端，芯片加电后，s t 在静电力的作用下， 输出的工作循环脉宽改变1 0 左右，相当于0 8 9 加速度的输出信号，可以通过 测试这个引脚的输出来判断芯片是否正常工作；v d d 引脚是芯片电源输入端； c o m 引脚为接地端；引脚t 2 ，通过外接电阻来改变p w m 输出的工作循环时 间，在0 5 m s - - 1 0 m s 范围内改变；引脚x f i t l 、y f i t l 则输出模拟信号，可以 外加滤波电容，用以设置检测信号的带宽范围；x o u t 、y o u t 用于输出p w m 数 字信号。 a d x l 2 0 3 e 加速度传感器可以用两种方法测量加速度：第一种利用x o u t 和y o u t 引脚输出的数字信号：第二种利用x f i l t 、y f i l t 引脚输出的模拟信号 武汉理工大学硕士学位论文 输出经过滤波处理后进行a d 采样计算。 第一种方法只要利用计算出x o u t 和y o u t 输出的数字信号的工作周期脉宽 t 1 和工作周期的时间长度t 2 ，就可以算出加速度，这可以通过m c u 的定时器 计数器单元直接与x o u t 、y 0 u t 连接，计算公式如式3 2 。 么( g ) = ( r , r 2 - 0 5 ) 1 2 5 ( 3 - 2 ) 其中数字信号输出示意图如图3 7 所示。 卜互一 图3 7 数字输出加速度的计算方法 第二种方法利用模拟信号计算，这个模拟信号可以从x f i l t 、y f i l t 引脚 直接获得，还可以将x o u t 和y o u t 引脚的数字信号进行r c 滤波，重新恢复成 模拟信号。其中直接获得的模拟信号带宽比较理想，但由于驱动能力不足，需 外加电压跟随器。 a d x l 2 0 2 e 的硬件连接电路如图，3 3 v 直流电源的供电，在电源引脚和接 地端连接一个0 1 u f 的去耦电容，电源与电源引脚v d d 间连接一个1 0 0 欧的电 阻这样可以降低电源对传感器的干扰和减少数字信号对传感器输出信号的干 扰。传感器的工作循环周期t 2 ( d c m ) 可以由r s e t 电阻的阻值确定，变化在 0 5 m s 到1 0 m s 之间，计算公式如式3 3 。 瓦：坠艘( 3 3 ) 1 2 5 m f 2 典型周期和与之相应的阻值如表3 2 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表3 2 带宽对应的滤波电容值 t 2 r s e t l m s 1 2 5k q 2 m s2 5 0 q 5 m s6 2 5q 1 0 m s1 2 5 q 将输出的数字信号的酡确定为5 m s ，即频率为2 0 0 h z ，那么r s e t 应该定 为6 2 5 欧姆。x o u t 和y o u r 端口与m c u 单元的定时器计数器直连，经换算可 以得出车体倾角。x f t l i 、y f i t l 引脚输出模拟信号的带宽可以由这两个引脚 外接的电容确定，外接电容和r f i t l 一起组成低通滤波器。电容必须安装在紧 靠管脚出，用以混叠合抑制噪声。3 d b 带宽的计算公式如式3 _ 4 所示。 乜彩2 面面赢赢( 3 - 4 ) 即： 巳宓= 而5 u 丽f ( 3 - 5 ) 典型的取值如表3 3 。 表3 3 带宽与之相应的电容值 频宽电容取值 1 0 h z0 4 7 u f 5 0 h zo 1 0 u f 1 0 0 h zo 0 5 u f 2 0 0 h z 0 0 2 7 u f 5 0 0 h zo 0 1 u f 5 0 0 0 h z0 0 0 1 u f 本文将c x ，c y 的取值设为o 0 2 7 p f , 即带宽为0 - - 一2 0 0 h z ，这样可以减小噪 声的干扰。模拟信号后面接电压跟随器提高带载能力后，连接m c u 的a d 端 口，以进行对车体微小振动的测量。具体电路如图3 8 所示。 1 7 武汉理工上学硕士学位论文 宰 瞻。 图3 - 8a d x l 2 0 2 的硬件原理圈 3 2 3 霍尔传藤器用以监控车门开关 霍尔传感器是利用霍尔效应原理的器件可以分为两类：线性输出霍尔器 件和开关型输出霍尔器件。霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直外磁场方 向通过导体或半导体薄片时，在薄片垂直于电流和磁场方向的两侧表面之间会 产生电势差。本文采用的足一款开关霍尔器件a 3 2 1 0 e ，这是一个高灵敏度，极 性独立的，具有锁存功能的数字信号的集成电路芯片。他们是特别适合于电池 供电的手持设备，如手机、无绳电话和掌上电脑。a 3 2 1 0 e 在一个单一的硅芯片 上集成了霍尔电压发生器，小信号放大器，斩波稳定器，锁存和m o s f e t 输出。 先进的b i c m o s 处理是用于利用低电压和优势低功耗要求，元件匹配，极低的 输入偏移错误，和小型元件几何尺寸。结构框图如图3 - 9 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 烈1 1 1 雕j 1 r 卜- 。 图3 - 9 a 3 2 1 0 e 的结构框图 霍尔电压发生器产生的电压会随着外部磁场的变化而变化，这个变化经过 斩波处理后由信号放大器放大，再由锁存器锁存，然后输出高低电平的数字信 号。由于这个传感器的极性独立特性，不论是南、北磁极的变化都能使传感器 产生输出。当有磁极靠近时，输出电平为低，磁极远离时，输出电平为高电平。 表3 - 4a 3 2 1 0 e 的主要电气性能参数 l t m i t m c h a r a g t e r h t i c s y m b o l t e s tc o n d i t i o n s m i n t y p m a x u n i t s 翱印咛v o l t a g e 融卿v o oo p e r a t i n 9 1 ) 2 52 7 53 5v o u l p o tl e a k a g ec u r r e n ti c f fy o u r 互3 5v - b 嗍b b 印s 一01 0从 o u t w 韭o nv o l t a g e o u tl o u t f l a 。v 2 2 5 v 一 0 53 m v a w a k et a m e _ - 3 0 p s p e r k 喇 3 2 c 1 9 x2 4 04 a o7 2 0 嶂 a ：抡，o e x 3 0 m s d u t yc v o