Fusión de sensores

La fusión de sensores es el proceso de combinar datos de sensores o datos derivados de fuentes dispares para que la información resultante tenga menos incertidumbre de la que sería posible si se utilizaran estas fuentes individualmente. Por ejemplo, se podría obtener una estimación de ubicación más precisa de un objeto en interiores combinando múltiples fuentes de datos, como cámaras de video y señales de localización WiFi . El término reducción de incertidumbre en este caso puede significar más preciso, más completo o más confiable, o hacer referencia al resultado de una vista emergente, como la visión estereoscópica (cálculo de información de profundidad mediante la combinación de imágenes bidimensionales de dos cámaras en puntos de vista ligeramente diferentes). ^[1]^[2]

Las fuentes de datos para un proceso de fusión no se especifican para que se originen a partir de sensores idénticos. Se puede distinguir entre fusión directa , fusión indirecta y fusión de los resultados de las dos primeras. La fusión directa es la fusión de datos de sensores de un conjunto de sensores heterogéneos u homogéneos, sensores blandos y valores históricos de datos de sensores, mientras que la fusión indirecta utiliza fuentes de información como el conocimiento a priori sobre el entorno y la intervención humana.

La fusión de sensores también se conoce como fusión de datos (multisensores) y es un subconjunto de la fusión de información .

Ejemplos de sensores

Acelerómetros
Medidas de apoyo electrónico (ESM)
LIDAR de destello
Sistema de posicionamiento global (GPS)
Cámara termográfica /infrarroja
Sensores magnéticos
MEMS
Matriz en fase
Radar
Radiotelescopios , como el propuesto Square Kilometre Array , el sensor más grande jamás construido
Escaneo LIDAR
Sensores sísmicos
Sonar y otros equipos acústicos
Sonoboyas
Cámaras de televisión
→ Lista adicional de sensores

Algoritmos

La fusión de sensores es un término que abarca una serie de métodos y algoritmos, entre ellos:

Ejemplos de cálculos

A continuación se ilustran dos ejemplos de cálculos de fusión de sensores.

Sean y denoten dos mediciones de sensor con variaciones de ruido y , respectivamente. Una forma de obtener una medición combinada es aplicar la ponderación de varianza inversa , que también se emplea dentro del suavizador de intervalo fijo de Fraser-Potter, a saber, ^[6] ${\textbf {x}}_{1}$ ${\textbf {x}}_{2}$ $\scriptstyle \sigma _{1}^{2}$ $\scriptstyle \sigma _{2}^{2}$ ${\textbf {x}}_{3}$

{\textbf {x}}_{3}=\sigma _{3}^{2}(\sigma _{1}^{-2}{\textbf {x}}_{1}+\sigma _{2}^{-2}{\textbf {x}}_{2})

donde es la varianza de la estimación combinada. Se puede ver que el resultado fusionado es simplemente una combinación lineal de las dos mediciones ponderadas por sus respectivas varianzas de ruido. $\scriptstyle \sigma _{3}^{2}=(\scriptstyle \sigma _{1}^{-2}+\scriptstyle \sigma _{2}^{-2})^{-1}$

Otro método (equivalente) para fusionar dos mediciones es utilizar el filtro Kalman óptimo . Supongamos que los datos son generados por un sistema de primer orden y que sea la solución de la ecuación de Riccati del filtro . Al aplicar la regla de Cramer dentro del cálculo de ganancia, se puede encontrar que la ganancia del filtro está dada por: ^[^{cita requerida}^] ${\textbf {P}}_{k}$

{\textbf {L}}_{k}={\begin{bmatrix}{\tfrac {\scriptstyle \sigma _{2}^{2}{\textbf {P}}_{k}}{\scriptstyle \sigma _{2}^{2}{\textbf {P}}_{k}+\scriptstyle \sigma _{1}^{2}{\textbf {P}}_{k}+\scriptstyle \sigma _{1}^{2}\scriptstyle \sigma _{2}^{2}}}&{\tfrac {\scriptstyle \sigma _{1}^{2}{\textbf {P}}_{k}}{\scriptstyle \sigma _{2}^{2}{\textbf {P}}_{k}+\scriptstyle \sigma _{1}^{2}{\textbf {P}}_{k}+\scriptstyle \sigma _{1}^{2}\scriptstyle \sigma _{2}^{2}}}\end{bmatrix}}.

Por inspección, cuando la primera medición está libre de ruido, el filtro ignora la segunda medición y viceversa. Es decir, la estimación combinada se pondera en función de la calidad de las mediciones.

Centralizado versus descentralizado

En la fusión de sensores, la diferencia entre centralizado y descentralizado se refiere al lugar donde se produce la fusión de los datos. En la fusión centralizada, los clientes simplemente envían todos los datos a una ubicación central, y alguna entidad en la ubicación central es responsable de correlacionar y fusionar los datos. En la descentralizada, los clientes asumen la responsabilidad total de fusionar los datos. "En este caso, cada sensor o plataforma puede considerarse un activo inteligente que tiene cierto grado de autonomía en la toma de decisiones". ^[7]

Existen múltiples combinaciones de sistemas centralizados y descentralizados.

Otra clasificación de la configuración del sensor se refiere a la coordinación del flujo de información entre sensores. ^[8]^[9] Estos mecanismos proporcionan una forma de resolver conflictos o desacuerdos y permiten el desarrollo de estrategias de detección dinámicas. Los sensores están en configuración redundante (o competitiva) si cada nodo proporciona medidas independientes de las mismas propiedades. Esta configuración se puede utilizar en la corrección de errores al comparar información de múltiples nodos. Las estrategias redundantes se utilizan a menudo con fusiones de alto nivel en procedimientos de votación. ^[10]^[11] La configuración complementaria ocurre cuando múltiples fuentes de información proporcionan información diferente sobre las mismas características. Esta estrategia se utiliza para fusionar información a nivel de datos brutos dentro de algoritmos de toma de decisiones. Las características complementarias se aplican típicamente en tareas de reconocimiento de movimiento con redes neuronales , ^[12]^[13] modelos ocultos de Markov , ^[14]^[15] máquinas de vectores de soporte , ^[16] métodos de agrupamiento y otras técnicas. ^[16]^[15] La fusión cooperativa de sensores utiliza la información extraída por múltiples sensores independientes para proporcionar información que no estaría disponible a partir de sensores individuales. Por ejemplo, los sensores conectados a los segmentos del cuerpo se utilizan para detectar el ángulo entre ellos. La estrategia de sensores cooperativos proporciona información que es imposible de obtener de nodos individuales. La fusión de información cooperativa se puede utilizar en el reconocimiento de movimiento, ^[17] análisis de la marcha , análisis del movimiento , ^[18]^[19] , ^[20]

Niveles

Existen varias categorías o niveles de fusión de sensores que se utilizan comúnmente. ^[21]^[22]^[23]^[24]^[25]^[26]

Nivel 0 – Alineación de datos
Nivel 1 – Evaluación de entidad (por ejemplo, señal/característica/objeto).
- Seguimiento y detección/reconocimiento/identificación de objetos
Nivel 2 – Evaluación de la situación
Nivel 3 – Evaluación de impacto
Nivel 4 – Refinamiento del proceso (es decir, gestión de sensores)
Nivel 5 – Refinamiento del usuario

El nivel de fusión de sensores también se puede definir en función del tipo de información utilizada para alimentar el algoritmo de fusión. ^[27] Más precisamente, la fusión de sensores se puede realizar fusionando datos sin procesar provenientes de diferentes fuentes, características extrapoladas o incluso decisiones tomadas por nodos individuales.

Nivel de datos: la fusión a nivel de datos (o temprana) tiene como objetivo fusionar datos brutos de múltiples fuentes y representar la técnica de fusión en el nivel más bajo de abstracción. Es la técnica de fusión de sensores más común en muchos campos de aplicación. Los algoritmos de fusión a nivel de datos generalmente tienen como objetivo combinar múltiples fuentes homogéneas de datos sensoriales para lograr lecturas más precisas y sintéticas. ^[28] Cuando se emplean dispositivos portátiles, la compresión de datos representa un factor importante, ya que la recopilación de información bruta de múltiples fuentes genera enormes espacios de información que podrían definir un problema en términos de memoria o ancho de banda de comunicación para sistemas portátiles. La fusión de información a nivel de datos tiende a generar grandes espacios de entrada, que ralentizan el procedimiento de toma de decisiones. Además, la fusión a nivel de datos a menudo no puede manejar mediciones incompletas. Si una modalidad de sensor se vuelve inútil debido a fallas, averías u otras razones, todo el sistema podría producir resultados ambiguos.
Nivel de características: las características representan información calculada a bordo por cada nodo de detección. Estas características se envían luego a un nodo de fusión para alimentar el algoritmo de fusión. ^[29] Este procedimiento genera espacios de información más pequeños con respecto a la fusión a nivel de datos, y esto es mejor en términos de carga computacional. Obviamente, es importante seleccionar adecuadamente las características sobre las que definir los procedimientos de clasificación: la elección del conjunto de características más eficiente debe ser un aspecto principal en el diseño del método. El uso de algoritmos de selección de características que detecten adecuadamente las características correlacionadas y los subconjuntos de características mejora la precisión del reconocimiento, pero generalmente se requieren conjuntos de entrenamiento grandes para encontrar el subconjunto de características más significativo. ^[27]
Nivel de decisión: la fusión a nivel de decisión (o tardía) es el procedimiento de selección de una hipótesis de un conjunto de hipótesis generadas por decisiones individuales (normalmente más débiles) de múltiples nodos. ^[30] Es el nivel más alto de abstracción y utiliza la información que ya se ha elaborado mediante el procesamiento preliminar a nivel de datos o características. El objetivo principal de la fusión de decisiones es utilizar un clasificador de metanivel mientras se preprocesan los datos de los nodos extrayendo características de ellos. ^[31] Normalmente, la fusión de sensores a nivel de decisión se utiliza en actividades de clasificación y reconocimiento y los dos enfoques más comunes son la votación por mayoría y Naive-Bayes. ^{[ cita requerida ]} Las ventajas que se obtienen con la fusión a nivel de decisión incluyen el ancho de banda de comunicación y una precisión de decisión mejorada. También permite la combinación de sensores heterogéneos. ^[29]

Aplicaciones

Una aplicación de la fusión de sensores es GPS/INS , donde los datos del Sistema de Posicionamiento Global y del sistema de navegación inercial se fusionan utilizando varios métodos diferentes, por ejemplo, el filtro Kalman extendido . Esto es útil, por ejemplo, para determinar la actitud de una aeronave utilizando sensores de bajo costo. ^[32] Otro ejemplo es el uso del enfoque de fusión de datos para determinar el estado del tráfico (poco tráfico, atasco, flujo medio) utilizando datos acústicos, de imágenes y de sensores recopilados en la carretera. ^[33] En el campo de la conducción autónoma, la fusión de sensores se utiliza para combinar la información redundante de sensores complementarios con el fin de obtener una representación más precisa y confiable del entorno. ^[34]

Aunque técnicamente no es un método dedicado de fusión de sensores, los métodos modernos basados en redes neuronales convolucionales pueden procesar simultáneamente muchos canales de datos de sensores (como imágenes hiperespectrales con cientos de bandas ^[35] ) y fusionar información relevante para producir resultados de clasificación.

Véase también

Brooks – Algoritmo de Iyengar
Datos (informática)
Minería de datos
Método de Fisher para combinar pruebas independientes de significación
Fusión de imágenes
Integración multimodal
Red de sensores
Transducer Markup Language (TML) es un lenguaje de marcado basado en XML que permite la fusión de sensores.

Referencias

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Enlaces externos

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