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九种类型的数据融合逻辑

 小明师兄 2021-09-10

在自动驾驶车辆中,传感器融合是融合来自多个传感器的数据的过程。这一步骤在机器人技术中是必须的,因为它提供了更多的可靠性、冗余度,并最终保证了安全。
为了更好地理解,考虑一个简单的例子:一个LiDAR和一个Camera都在看一个行人。
如果两个传感器中的一个没有看到行人,将使用另一个作为辅助,以增加检测到行人的机会。
如果两个传感器都检测到行人,传感器融合将对行人的位置有一个更准确和自信的了解,使用两个传感器的噪声值,从而可以判断哪个数据更准确。
由于传感器是有噪音的,所以创建传感器融合算法是为了考虑噪音,并尽可能做出最精确的估计。
当融合传感器时,实际上是在融合传感器数据,或做所谓的数据融合。有几种方法来构建数据融合算法。事实上,有9种。这9种方法被分成3个系列。
在这篇文章中,将专注于3种类型的传感器融合分类,以及9种类型的传感器融合算法。
一 - 按抽象级别的传感器融合
最常见的融合类型是按抽象级别。在这种情况下,要问的问题是 " 应该什么时候做融合?"
在关于LiDAR和相机融合有人分为早期融合和晚期融合。
在行业内,人们对此有其他名称:低级、中级和高级传感器融合。

低级融合--融合RAW数据
低级传感器融合是指融合来自多个传感器的原始数据。例如,融合来自LiDAR的点云和来自相机的像素。
这种类型的融合在未来几年有很大的潜力,因为它考虑了所有的数据。
早期的融合(低级)直到几年前还很难做到,因为需要的处理量很大。在每一毫秒,我们可以将几十万个点与几十万个像素融合。
下面是一个相机和LiDAR的低水平融合的例子。

在这个过程中使用了物体检测,但真正在做的是将三维点云投射到图像中,然后将其与像素联系起来。

中层融合 - 融合检测结果

中级传感器融合是指融合独立于传感器数据的检测对象。

如果照相机探测到一个障碍物,而雷达也探测到它,将融合这些结果,以获得对障碍物的位置、等级和速度的最佳估计。卡尔曼滤波(贝叶斯算法)通常是使用的方法.

这个过程很容易理解,并包含几个现有的实现方法。

它在很大程度上依赖于检测器。如果一个失败了,整个融合就会失败。卡尔曼滤波器来拯救!

这里是中级传感器的融合,与之前的例子相同。

在这个例子中,将来自LiDAR的3D边界框与来自物体检测算法的2D边界框相融合。这个过程是有效的;但也可以反过来。可以将3D LiDAR的结果投射到2D中,从而在2D中进行数据融合。

高层融合--融合TRACKS
最后,高水平的传感器融合是关于融合物体和它们的运动轨迹。不仅要依靠探测,还要依靠预测和跟踪。
这个过程要高一个层次,因此受益于同样的简单性优势。
一个主要问题是,可能会失去太多的信息。如果跟踪是错误的,那么整个物体的运动状态就是错误的。
RADAR和CAMERA之间的数据融合的抽象级别图。

二、按集中化程度分类的传感器融合

对融合算法进行分类的第二种方式是通过集中化水平。在这里,要问的是 "融合在哪里发生?"。主计算机可以做到这一点,或者每个传感器可以做自己的检测和融合。有些方法甚至使用一种叫做卫星架构的东西来做。

集中式--一个中央单位处理融合(低级别的)。
分散式 - 每个传感器融合数据并将其转发给下一个传感器。
分布式--每个传感器在本地处理数据并将其发送到下一个单元(后期融合)。
举一个例子,一个经典的自驾车辆,在这种情况下,每个传感器都有自己的计算机。所有这些计算机都与一个中央计算单元相连。
与此相反,Aptiv开发了一种架构,他们称之为卫星架构。这个想法是这样的。插入许多传感器,并将它们融合到一个中央单位,处理被称为主动安全域控制器的情报。

在这个过程中,合理的匹配传感器的位置,以及传输信息的类型,可以帮助减少车辆的总重量,并随着传感器的数量而更好地扩展。

下面是左图的情况。

传感器只是 "卫星"。它们在这里只是为了收集原始数据。

360度融合发生在主计算机中:不必安装非常好的传感器,因为不会发生个别检测。

检测是在360°的图片上进行的。

这些是 "集中融合 "的两个例子。当拥有经典的架构时,其他两种类型的融合可以发生。

雷达和摄像机之间的数据融合图,按抽象级别划分。

III - 按竞争程度分类的传感器融合

对传感器融合算法进行分类的最后一种方式是通过竞争水平。
在抽象层面,问的是 "何时 "应该发生融合。
在集中化水平,它是关于 "哪里"。
在竞争层面,问的是 "融合应该做什么?"
同样,有3种可能性。

竞争性融合
竞争性融合是指传感器的目的是相同的。例如,当同时使用雷达和激光雷达来检测行人的存在。在这里,发生的数据融合过程被称为冗余,因此有 "竞争 "一词。

补充性融合
互补融合是指使用不同的传感器观察不同的场景,以获得无法获得的东西。例如,在用多个相机构建全景图时。由于这些传感器相互补充,使用 "互补 "一词。

协调性融合
最后,协调融合是指使用两个或更多的传感器来产生一个新的场景,但这次是在观察同一个物体。例如,在使用二维传感器进行三维重建或三维扫描时。



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